【導讀】與上一章講述的組合邏輯電路不同，本章介。狀態(tài)，不僅取決于當時的輸入信號的狀態(tài)，時序邏輯電路按照其工作方式的不同，又分。本章著重討論同步時序邏輯電路。圖11-1為同步時序邏輯電路的結構框圖?？驁D中可以看出時序邏輯電路的兩個顯著特點。時序邏輯電路通常包括組合電路和存儲電路兩。時序邏輯電路中的組合電路可以非常簡單，甚。由于電路中存在存儲單元和反饋，時序。具有兩個能自行保持的穩(wěn)定狀態(tài)，用來表示存。儲的二值信號“0”或“1”。觸發(fā)器在使用時操作方法不同。基本RS觸發(fā)器可以由兩個或非門交叉耦合組成。11-2所示為電路結構和邏輯符號。對于單獨一個或非門G1，如果一個輸入端狀態(tài)已定，變成的“0”狀態(tài)在Rd的高電平消失后無法保持。發(fā)器的狀態(tài)仍然保持不變，即具有記憶性。時序電路又稱狀態(tài)機，在描述和研究時序邏輯電路時，在狀態(tài)轉換圖中，以圓圈表示。電路的各個狀態(tài)，用箭頭表示狀態(tài)之間的轉換關系。

　　

【正文】 設計 ? 時序邏輯電路設計要求 ? 時序邏輯電路的設計，就是根據(jù)用文字描述方式給出的具體邏輯功能要求，設計出能夠實現(xiàn)其邏輯功能、滿足其具體要求的時序邏輯電路。所得到的設計結果力求簡單。 ? 設計的條件不同，結果最簡的標準也不一樣。選用 SSI（小規(guī)模集成電路）進行設計，使用的基本單元是門電路、觸發(fā)器，最簡的標準是：使用的觸發(fā)器、門電路單元最少，并且使用的觸發(fā)器、門電路的輸入腳數(shù)目也最少。使用 MSI、 LSI（中、大規(guī)模集成電路）進行設計，使用的基本單元是可以完成特定功能的通用功能模塊。此時，最簡的標準是：使用的集成電路芯片數(shù)目最少，芯片之間的連線也最少。 104 ? 同步時序邏輯電路的設計方法 ? 同步時序電路的設計步驟。 ? （ 1）將文字描述的功能要求，轉化為邏輯關系描述，建立原始狀態(tài)圖。 ? 首先必須將對時序電路的文字描述變成電路的輸入、輸出和狀態(tài)轉換關系的說明，得到對應的原始狀態(tài)圖或原始狀態(tài)表。為此，應認真分析設計任務的邏輯關系，確定電路的輸入、輸出信號數(shù)目；確定電路要使用的狀態(tài)數(shù)目；并將設計要求表達為狀態(tài)轉換圖。 ? （ 2）狀態(tài)化簡，得到最小狀態(tài)表。 105 ? 建立原始狀態(tài)圖只求完整、準確地表達設計要求，得到的原始狀態(tài)圖會包含一些多余的狀態(tài)，為了得到最簡的設計結果，必須進行狀態(tài)化簡，消去多余的狀態(tài)，得到最簡狀態(tài)表。 ? （ 3）狀態(tài)賦值，得到二進制狀態(tài)表。 ? 在前面的抽象、化簡過程中，狀態(tài)圖（表）中的狀態(tài)都是用文字符號表示的。用電路實現(xiàn)時必須用二進制數(shù)字來表示這些狀態(tài)，這個過程叫狀態(tài)賦值或狀態(tài)編碼。這里，每個觸發(fā)器可以表示一位二進制數(shù)。使用觸發(fā)器的數(shù)目 n按下式確定 2n1＜ N≤2n 其中， N為電路要求的狀態(tài)數(shù)目。經(jīng)過狀態(tài)賦值，得到電 路的二進制狀態(tài)表。 （ 4）選定觸發(fā)器，求出電路的驅動方程、輸出方程。根 106 ? 據(jù)狀態(tài)表和選定觸發(fā)器的驅動表，可以得到電路的狀態(tài)轉換表，在其中填上觸發(fā)器的驅動信號和輸出信號。由此可以求出電路的驅動方程、輸出方程。（ 5）根據(jù)驅動方程、輸出方程畫出邏輯電路圖。 ? 先畫出設計中使用的觸發(fā)器，按驅動方程可以得到觸發(fā)器的每個輸入信號的連接方式，根據(jù)輸出方程可以得到整個電路的輸出信號。 ? （ 6）檢查電路能否自啟動。 ? 在進行時序電路設計時，通常設計要求的狀態(tài)數(shù)目比電路實際提供的狀態(tài)數(shù)目要少。設計完成后必須檢查那些設計中沒有使用到的狀態(tài)（無效狀態(tài)）的情況。正常情況下，從無效狀態(tài)出發(fā)，輸入有限個時鐘脈沖，電路可以進入有效狀態(tài)，這時我們說電路可以自啟動。如果電路在無效狀態(tài)間循環(huán)，表明一旦電路進入無效狀態(tài)，就再也無法正常工作。此時必須修改設計，直到消除所有的無效循環(huán)，可以自啟動。同時也應該檢查進入無效狀態(tài)時的輸出信號，檢查輸出是否違反了設計要求，否則輸出方程也要修改。 107 以上設計步驟可以用圖 1140的流程圖概括。 設計要求原始狀態(tài)圖最小狀態(tài)表二進制狀態(tài)表驅動方程、輸出方程邏輯電路圖12345圖 1140 同 步 時 序 邏 輯 電 路 設 計 流 108 ? 圖 1140是同步時序電路設計的一般步驟，在具體的設計任務中根據(jù)實際情況有時可以省略某個設計步驟。 ? 上述步驟中，求觸發(fā)器的驅動方程要用到觸發(fā)器的驅動表：這是觸發(fā)器功能的又一種描述方式。與功能表不同，驅動表從使用的角度來說明觸發(fā)器的功能。驅動表回答了這樣的問題：如果知道觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)，需要觸發(fā)器進入指定次態(tài)，這時要求怎樣的輸入信號才能達到目的。 ? 觸發(fā)器的驅動表見表 111表 111表 111表 1117。 109 表 1114 RS觸發(fā)器的驅動表 Q?Q n+1 R S 0 0 X 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 X 表 1115 D觸發(fā)器的驅動表 Q?Q n+1 D 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 110 表 1116 JK觸發(fā)器的驅動表 Q?Q n+1 J K 0 0 0 X 0 1 1 X 1 0 X 1 1 1 X 0 表 1117 T觸發(fā)器的驅動表 Q?Q n+1 T 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 111 ? 若要 JK觸發(fā)器由 “ 0”狀態(tài)變成 “ 1”狀態(tài)，表 1116JK觸發(fā)器的驅動表的第三行表明，令 JK=1X即可。這實際上對應了功能表中的兩種操作： JK=10，觸發(fā)器 “ 置 1”，觸發(fā)器狀態(tài)由 “ 0”變 “ 1”； JK=11，觸發(fā)器 “ 翻轉 ” ，觸發(fā)器狀態(tài)也由 “ 0”變“ 1”。 ? 驅動表描述了觸發(fā)器從已知現(xiàn)態(tài)轉換到某個次態(tài)時，對輸入信號的要求。 ? [例 1115] 使用 JK觸發(fā)器設計一個同步 7進制計數(shù)器。 112 ? [解 ] 設計步驟： ? （ 1）建立原始狀態(tài)圖。 ? 根據(jù)設計要求，電路需要 7個狀態(tài)，記為 S0、 S SS S S S6，一個進位輸出，記為 Z。按題目要求可以得到圖 1141的原始狀態(tài)圖。 S 0 S 1 S 2 S 3S 4S 5S 6/0 /0/0/0/0/1/0圖 1141 例 1115的原始狀態(tài)圖 113 ? 2）狀態(tài)化簡。 ? 圖 1141中沒有多余的狀態(tài)，無須化簡，已經(jīng)是最小狀態(tài)圖。 ? （ 3）狀態(tài)賦值。 ? 電路需要 7個狀態(tài)，可以用三位二進制數(shù)表示。這里選用三位自然二進制加法計數(shù)編碼。分別用 000、 00 0 01 100、 10 110表示 S0、 S S S S S S6。得到表 1118所示狀態(tài)轉換表。 ? 狀態(tài)轉換表中必須列出電路的所有狀態(tài)，設計中未用到的狀態(tài)（如本例中的 111狀態(tài)），在狀態(tài)轉換表中作無關項處理。 114 表 1118 例 1115的狀態(tài)轉換表 現(xiàn)態(tài) 次態(tài) 輸出 Q2 Q1 Q0 Q2n+1 Q1n+1 Q0n+1 Z 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 X X X X 115 ? （ 4）選用 JK觸發(fā)器，寫出驅動方程，輸出方程。 ? 根據(jù)狀態(tài)轉換表，可以寫出輸出方程： ? 在狀態(tài)轉換表中添上觸發(fā)器的驅動信號，得到驅動信號的真值表。結合 JK觸發(fā)器的驅動表，將完成狀態(tài)轉換要求的驅動信號填入表中。得到表 1119。 ? 表中最后一欄為驅動信號，對照表 1116 JK觸發(fā)器的驅動表填入。例如第一行中，要求 Q2由 0到 0，那么應該有 J2K2=0X，要求 Q0由 0到 1，則應該有 J0K0=X1。 116 表 1119 例 1115驅動信號的真值表 現(xiàn)態(tài) 次態(tài) 輸出 驅動信號 Q2 Q1 Q0 Q2n+1 Q1n+1 Q0n+1 Z J2 K2 J1 K1 J0 K0 0 0 0 0 0 1 0 0 X 0 X 1 X 0 0 1 0 1 0 0 0 X 1 X X 1 0 1 0 0 1 1 0 0 X X 0 1 X 0 1 1 1 0 0 0 1 X X 1 X 1 1 0 0 1 0 1 0 X 0 0 X 1 X 1 0 1 1 1 0 0 X 0 1 X X 1 1 1 0 0 0 0 1 X 1 X 1 0 X 1 1 1 X X X X X X X X X X 117 ? 驅動信號是電路的現(xiàn)態(tài)和輸入信號的函數(shù)，根據(jù)表1119可以寫出電路的驅動方程 ? （ 5）畫邏輯圖。 ? 按照求得的驅動方程、輸出方程，畫出邏輯電路圖。 ? （ 6）檢查能否自啟動。 ? 電路存在一個無效狀態(tài)，根據(jù)設計結果的驅動方程和JK觸發(fā)器的特性方程，計算出無效狀態(tài) “ 111”的次態(tài)為有效狀態(tài) “ 000”。電路一旦進入無效狀態(tài)，只要再輸入一個時鐘脈沖，電路就回到有效狀態(tài) “ 000”。設計結果電路可以自啟動。 ?????12012QKJ??????02101KQJ??????10120KJ118 F 0JKF 2JK11F 1JKamp。 1 CPZ圖 1142 例 1115的邏輯電路圖 [例 1116] 使用 D觸發(fā)器設計一個同步 5進制計數(shù)器。 [解 ]（ 1）建立原始狀態(tài)圖。 119 ? 根據(jù)設計要求，電路需要 5個狀態(tài)，記為 S0、 S SS S4，一個進位輸出，記為 Z。按題目要求可以得到（圖 1143）的原始狀態(tài)圖。 S 0 S 1 S 2S 3S 4/0 /0/0/1/0圖 1143 例 1116的原始狀態(tài)圖 120 ? （ 2）狀態(tài)化簡。 ? 圖 1143中沒有多余的狀態(tài)，無須化簡，已經(jīng)是最小狀態(tài)圖。 ? （ 3）狀態(tài)賦值。 ? 電路需要 5個狀態(tài)，可以用三位二進制數(shù)表示。這里選用三位自然二進制加法計數(shù)編碼。分別用 000、 00 0 01 100表示S0、 S S S S4。得到表 1120所示狀態(tài)轉換表。 121 表 1120 例 1116的狀態(tài)轉換表 現(xiàn)態(tài) 次態(tài) 輸出 Q2 Q1 Q0 Q2n+1 Q1n+1 Q0n+1 Z 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 X X X X 1 1 0 X X X X 1 1 1 X X X X 122 ? （ 4）選用 D觸發(fā)器，求出驅動方程，輸出方程。 ? 根據(jù)狀態(tài)轉換表，可以寫出輸出方程、狀態(tài)方程： 2QZ ?021n001011n1011n2Q???????對照 D觸發(fā)器的狀態(tài)方程，可以寫出電路的驅動方程： 0200101011012DDD??????123 （ 5）畫邏輯圖。 CPZF 0DF 2D=1amp。F 1Damp。圖 1144 例 1116的邏輯電路圖 124 ? 按照求得的驅動方程、輸出方程，畫出邏輯電路圖。見圖 1144。 ? （ 6）檢查能否自啟動。 ? 電路存在 3個無效狀態(tài)，根據(jù)設計結果的驅動方程和 D觸發(fā)器的特性方程，計算出無效狀態(tài)的次態(tài)和輸出，見表 1121。 ? 從表 1121可以看出，電路進入無效狀態(tài)后，只要再來 1個時鐘脈沖，電路就可以進入有效循環(huán)。設計結果電路可以自啟動。 125 表 1121 例 1116的無效狀態(tài) 現(xiàn)態(tài) 次態(tài) 輸出 Q2 Q1 Q0 Q2n+1 Q1n+1 Q0n+1 Z 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 126 ? 時序邏輯電路設計的物理實現(xiàn) ? 時序電路的邏輯電路圖，實際上也是物理實現(xiàn)時電路元件的電氣連接圖。將設計所使用的邏輯單元電路按邏輯電路圖連接，若檢查元器件、連接、調試均無問題，上電后電路即可正常工作。 ? 圖 1145為與非門組成的基本 RS觸發(fā)器，將 2四與非門 74LS00，兩個電阻，兩個開關 “ /Sd”、 “ /Rd”，電源，地，按照圖1145的電路連接起來。檢查所有的器件和連接無誤，即得到低電平有效的基本RS觸發(fā)器。 127 /S d/R dQ1KQR dS dQG1G2Qamp。amp。V cc1A1B1Y2A2B2YG N DV C C4A4B4Y3A3B3Y7 4 L S 0 0圖 1145 與非門組成的基本 RS觸發(fā)器 128 應用示例 ? 簡易脈沖寬度測量電路 ? 對已知的確定頻率的信號計數(shù)，即可實現(xiàn)計時，也就是時間測量。 ? 在圖 1146中，兩個 74LS160組成兩位十進制計數(shù)器，輸入的時鐘信號為 10Hz的時間標準信號。 R為復位按鈕，電路復位后可以對輸入的正脈沖進行脈寬測量，測量范圍為 ~。輸入的被測信號必須是單脈沖，否則顯示的是多個脈沖的高電平累計時間。電路中未畫出顯示譯碼器與 LED數(shù)碼管的連接。 129 R1 0 H zV c c被測脈沖11