【正文】 數(shù)字電子技術基礎 制作人：吳亞聯(lián) 湘潭大學信息工程學院 第六章 時序邏輯電路 167。 概述 167。 時序邏輯電路的分析方法 167。 時序邏輯電路的設計方法 167。 若干常用的時序邏輯電路 167。 時序邏輯電路中的競爭 冒險現(xiàn)象 *167。 用 Multisim 7分析時序邏輯電路 內容提要 本章系統(tǒng)講授 時序邏輯電路的工作原理和分析方法、設計方法。 重點內容有： 時序邏輯電路在電路結構和邏輯功能上的特點，以及邏輯功能的描述方法； 同步時序邏輯電路的分析方法和設計方法； 常用中規(guī)模集成時序邏輯電路器件的應用。 時序電路的特點： 具有記憶功能。 在數(shù)字電路中，凡是任一時刻的穩(wěn)定輸出不僅決定于該時刻的輸入，而且 還和電路原來的狀態(tài)有關 者，都叫做時序邏輯電路，簡稱 時序電路 。 組合邏輯電路 存儲電路 . . . . . . . . . . . . X Q Y Z 時序電路的基本單元： 觸發(fā)器。 167。 概述 一、時序邏輯電路的基本結構及特點 X: 時序邏輯電路的輸入信號 Q: 存儲電路的輸出信號 Y: 時序邏輯電路的輸出信號 Z: 存儲電路的輸入信號 Q)F (X ,Y ? 輸出方程 Q)G (X ,Z ? 驅動方程 )QH ( Z ,Q * ? 狀態(tài)方程 組合邏輯電路 存儲電路 . . . . . . . . . . . . X Q Y Z 二、時序邏輯電路的分類 電路中所有觸發(fā)器的時鐘輸入端 接同一個時鐘脈沖源。 電路中沒有統(tǒng)一的時鐘脈沖源。 同步 時序邏輯電路 異步 時序邏輯電路 因此各個觸發(fā)器狀態(tài)變換的時間先后不一 。 有的觸發(fā)器直接受輸入計數(shù)脈沖控制，有的觸發(fā)器則是把其它觸發(fā)器的輸出信號作為自己的時鐘脈沖， 各觸發(fā)器狀態(tài)的翻轉幾乎是同時的。 Mealy型時序邏輯電路： Moore型時序邏輯電路： ■ 根據輸出信號的特點分為： ■ 根據存儲電路中觸發(fā)器的時鐘控制情況分為： 輸出與輸入 變量 無關 輸出與輸入變量有關 ■ 由于時序電路工作時是在電路的有限個狀態(tài)間按一定的規(guī)律轉換的，故在現(xiàn)代數(shù)字電路中時序電路又稱為 狀態(tài)機（ State Machine 簡稱 SM）或算法狀態(tài)機（ Algorithmic State Machine 簡稱 ASM）。 167。 時序邏輯電路的分析方法 一、分析步驟： 1. 寫三大方程； 邏輯功能 。 同步時序邏輯電路的分析方法 狀態(tài)轉換表 或狀態(tài)轉換圖 或 時序圖 ； 驅動方程 狀態(tài)方程 輸出方程 例 試分析圖 ，寫出它的驅動方程、狀態(tài)方程和輸出方程。 FF FF2和 FF3是三個主從結構的 TTL觸發(fā)器，下降沿動作，輸入端懸空時和邏輯狀態(tài) 1等效。 圖 例 解： （ 1）寫各驅動方程式 321 J ??1K1 ?12 QJ ?312 K ??213 J ??23 QK ?C1 1J 1K Q1 Q1 FF1 C1 1J 1K Q2 Q2 FF2 C1 1J 1K Q3 Q3 FF3 amp。 amp。 amp。 1 CLK Y （ 2）寫各狀態(tài)方程式 QKQJQ * ??132*1 ???23121*2 ????32321*3 ??（ 3）寫輸出方程 32 Y ?至此，我們寫出了三大方程，但是，我們并不清楚這個電路的作用 ！ 321 J ??1K1 ?12 QJ ?312 K ??213 J ??23 QK ? 時序邏輯電路的狀態(tài)轉換表、狀態(tài)轉換圖、狀態(tài)機流程圖和時序圖 一、狀態(tài)轉換表 狀態(tài)轉換表就是一個 特殊的真值表 ，它記錄的是在當前時刻的輸入與當前狀態(tài)下，當前的輸出情況與下一時刻的狀態(tài)變化情況。 次態(tài) /輸出 輸入 現(xiàn)態(tài) X Q Q*/Z 二、狀態(tài)轉換圖 反映時序邏輯電路狀態(tài)轉換規(guī)律及輸入輸出的取值關系的圖形。 Q1Q0 X/Z 00 01 0/0 1/1 1/0 0/1 例 試列出圖 。 Q3 Q2 Q1 Q3* Q2* Q1* Y 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 缺少 111為初態(tài)的情況 CLK Q3 Q2 Q1 Y 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 狀 態(tài) 方 程 輸 出 方 程 32 Y ?132*1 ???23121*2 ????32321*3 ??7進制計數(shù)器 其中 Q3Q2Q1為計數(shù)狀態(tài)， Y為進位 我們可以把狀態(tài)轉換表表示為 狀態(tài)轉換圖 的形式 CLK Q3 Q2 Q1 Y 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 2 0 1 0 0 3 0 1 1 0 4 1 0 0 0 5 1 0 1 0 6 1 1 0 1 0 1 1 1 1 000 001 010 011 100 101 110 111 /0 /0 /0 /0 /0 /0 /1 /1 Q3Q2Q1 /Y 驅動方程 狀態(tài)方程 輸出方程 輸入 輸出 狀態(tài) 時鐘脈沖 21212121AAAAY????CLK 212*211*1ADDQ??????例 分析圖 。 如何寫狀態(tài)轉換表或圖？ AQ21*21*1????2121 AAY ??A Q2 Q1 Q2* Q1* Y 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 A Q2Q1 0 1 00 01 11 10 Q2*Q1*/Y 01/0 10/0 11/0 00/1 11/1 00/0 01/0 10/0 狀態(tài)轉換表 狀態(tài)轉換圖 A=0 加法計數(shù)器 A Q2Q1 0 1 00 01 11 10 Q2*Q1*/Y 01/0 10/0 11/0 00/1 11/1 00/0 01/0 10/0 A=1減法計數(shù)器 電路的 邏輯功能 : 2位二進制加減可逆計數(shù)器。 三、狀態(tài)機流程圖（ SM圖） SM圖中使用的圖形符號有三種： 輸出列表 （或操作 ） 狀態(tài)名稱 狀態(tài)編碼 條件 0 1 條件輸出 列表 圖 SM圖中使用的三種圖形符號 (a)狀態(tài)框 (b)判斷框 (c)條件輸出框 SM圖采用類似于編寫計算機程序時使用的程序流程圖的形式，表示在一系列時鐘脈沖作用下時序電路狀態(tài)轉換的流程以及每個狀態(tài)下的輸入和輸出。 圖 SM模塊舉例 Y1,Y2 S1 001 A 0 1 Y3 B 0 1 Y4 1 2 3 圖 SM圖如圖 。 CLK Q3 Q2 Q1 Y 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 2 0 1 0 0 3 0 1 1 0 4 1 0 0 0 5 1 0 1 0 6 1 1 0 1 0 1 1 1 1 CLK Q3 Q2 Q1 Y t t t t t 0 1 2 3 4 5 6 7 假設初始狀態(tài)為 000 在輸入信號和時鐘脈沖序列作用下，電路狀態(tài)、輸出狀態(tài)隨時間變化的波形圖叫做 時序圖 。 四、時序圖 * 異步時序邏輯電路的分析方法 寫三大方程 驅動方程 狀態(tài)方程 輸出方程 )( 0000*0 ????? cpQcp)()( 013113*1 ???????? QcpQ)()( 1222*2 ?????? cp)()( 03213321*3 ?????????? cp例 分析圖 。 )( 00*0 ??? cp)( 013*1 ???? )( 12*2 ??? Q)( 0321*3 ????? Q30 C ?CP0 Q3 Q2 Q1 Q0 C 設初態(tài)為 0000 作狀態(tài)轉換圖 可以看出這是一個 異步十進制加法計數(shù)器 ！ 3. 檢驗其能否 自動啟動 ？ 什么叫 “自動啟動” ? 四個觸發(fā)器本應有十六個穩(wěn)定狀態(tài) ，可上圖電路的狀態(tài)圖中只有十個狀態(tài)。如果由于某種原因進入了其余的六個狀態(tài)當中的任一個狀態(tài)，若電路能夠自動返回到計數(shù)鏈 ( 即有效循環(huán) ) ，人們就稱其為 能自動啟動 。 167。 若干常用的時序邏輯電路 6. 寄存器和移位寄存器 寄存器 是計算機的主要部件之一，它用來暫時存放 數(shù)據或指令 。 由于一個觸發(fā)器可以存儲 1位信息， n個觸發(fā)器就可以構成一個 n位的寄存器。 一、寄存器 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 并行輸入 并行輸出 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 11 1 0 1 1 0 1 1 8位寄存器 4位 D鎖存器 74LS75 D0 D1 D2 D3 Q0 Q1 Q2 Q3 CPA CPB 并行輸入 并行輸出 圖 74LS75的邏輯圖 4位寄存器 74HC175 D0 D1 D2 D3 Q0 Q1 Q2 Q3 CP Rd 圖 74HC175的邏輯圖 CC4076：三態(tài)輸出的 4位寄存器 異步清 0端 選通端 置數(shù) /保持端 1） LDA+LDB=1時：電路裝入數(shù)據； 2） LDA+LDB=0時：電路保持狀態(tài)； 3） ENA=ENB=0時：Q端數(shù)據輸出；ENA+ENB=1時： 輸出處于高阻態(tài)； 二、 移位寄存器 所謂“ 移位 ”， 寄存器 左移 (a) 寄存器 右移 (b) 寄存器 雙向 移位 (c) 就是將寄存器所存各位 數(shù)據， 在移位脈沖的作用下， 依次向左或向右移動。 根據 移位方向 ，常把它分成 左移寄存器 、 右移寄存器 和 雙向移位寄存器三種： 根據移位數(shù)據的 輸入－輸出方式 ，又可將它分為下述四種電路結構： 串 行輸 入 － 串 行輸 出 串 行輸 入 － 并 行輸 出 并 行輸 入 － 串 行輸 出 并 行輸 入 － 并 行輸 出 FF FF FF FF 串入－串出 輸入