时序电路的基本分析和设计方法

1、时序电路的基本分析和设计 方法 时序电路的基本分析和设计方法 本章重点本章重点 1.时序电路的特点和逻辑功能的表示方法时序电路的特点和逻辑功能的表示方法 2.同步时序电路的基本分析方法和设计方法同步时序电路的基本分析方法和设计方法 3.二进制计数器和十进制计数器二进制计数器和十进制计数器 4.用集成二进制计数器构成用集成二进制计数器构成N进制计数器的方法进制计数器的方法 5.移位寄存器和寄存器形计数器移位寄存器和寄存器形计数器 时序电路的基本分析和设计方法 一、时序电路的特点一、时序电路的特点 组合逻辑组合逻辑 电电 路路 存储电路存储电路 x1 xi y1 yj w1 wk q1 ql 1.

2、 逻辑功能特点逻辑功能特点 输输 入入 输输 出出 任何时刻电路的任何时刻电路的 输出，不仅和该时刻输出，不仅和该时刻 的输入信号有关，而的输入信号有关，而 且还取决于电路原来且还取决于电路原来 的状态。的状态。 2. 电路组成特点电路组成特点 (1)存储电路（主要是触发器，必不可少）存储电路（主要是触发器，必不可少） (2)组合逻辑电路（可选）组合逻辑电路（可选） 时序逻辑电路的状态是由存储电路来记忆和表示的时序逻辑电路的状态是由存储电路来记忆和表示的 时序电路的基本分析和设计方法 二、时序逻辑电路分类二、时序逻辑电路分类 1. 按逻辑功能划分：按逻辑功能划分： 计数器、寄存器、读计数器、寄

3、存器、读/写存储器、写存储器、 顺序脉冲发生器等。顺序脉冲发生器等。 2. 按时钟控制方式划分：按时钟控制方式划分： 同步时序电路同步时序电路 各触发器共用一个时钟各触发器共用一个时钟 CP，要更，要更 新状态的触发器同时翻转。新状态的触发器同时翻转。 异步时序电路异步时序电路 各触发器状态的变化不是同步发生各触发器状态的变化不是同步发生 的，可能有一部分电路有公共的的，可能有一部分电路有公共的 CP时钟信号，也可能完全没有公时钟信号，也可能完全没有公 共的共的CP时钟信号。时钟信号。 时序电路的基本分析和设计方法 3. 按输出信号的特性划分：按输出信号的特性划分： Y(tn) 输出输出 CP

4、 X(tn) 输入输入 存储存储 电路电路 组合组合 电路电路 组合组合 电路电路 )( )( nn tQFtY 存储存储 电路电路 Y(tn) 输出输出 W Q X(tn) 输入输入 组合组合 电路电路 CP )(),( )( nnn tQtXFtY 电路输出仅取决于现态电路输出仅取决于现态 电路输出不仅与现态有电路输出不仅与现态有 关，还取决于输入信号关，还取决于输入信号 时序电路的基本分析和设计方法 三、时序电路逻辑功能表示方法三、时序电路逻辑功能表示方法 1. 逻辑表达式逻辑表达式 组合逻辑组合逻辑 电电 路路 存储电路存储电路 x1 xi y1 yj w1 wk q1 ql (1)

5、输出方程输出方程 )(),( )( nnn tQtXFtY (2) 驱动方程驱动方程 )(),( )( nnn tQtXGtW (3) 状态方程状态方程 )(),( )( 1nnn tQtWHtQ 2. 状态表、卡诺图、状态图和时序图状态表、卡诺图、状态图和时序图 时序电路的状态其实时序电路的状态其实 就是构成时序电路的就是构成时序电路的 各触发器的状态各触发器的状态 时序电路的基本分析和设计方法 5.1.1 时序电路的基本分析方法时序电路的基本分析方法 一一. 分析的一般步骤分析的一般步骤 给定时序电路给定时序电路 时钟方程时钟方程 驱动方程驱动方程 状态图状态图时序图时序图 输出方程输出方

6、程 状态方程状态方程 计算状态表计算状态表 特性方程特性方程 功能说明功能说明 时序电路的基本分析和设计方法 二二. 分析举例分析举例 时钟方程时钟方程CPCPCPCP 210 输出方程输出方程 nnn QQQY 012 例例 1求图示电路的状态图和时序图。求图示电路的状态图和时序图。 解解 1J 1K C1 0 Q 0 Q 1J 1K C1 1J 1K C1 1 Q 2 Q 1 Q2 Q & FF1FF0FF2 CP Y 方法方法1 驱动方程驱动方程 时序电路的基本分析和设计方法 驱动方程驱动方程 nn QK,QJ 2020 nn QK,QJ 0101 nn QK,QJ 1212 特特 性性

7、 方方 程程 状态方程状态方程 nnnnnn QQQQQQ 20202 1 0 nnnnnn QQQQQQ 01010 1 1 nnnnnn QQQQQQ 12121 1 2 1J 1K C1 0 Q 0 Q 1J 1K C1 1J 1K C1 1 Q 2 Q 1 Q2 Q & FF1FF0FF2 CP Y nnn QKQJQ 1 时序电路的基本分析和设计方法 nn QQ 2 1 0 nn QQ 0 1 1 nn QQ 1 1 2 nnn QQQY 012 CP Q2 Q1 Q0 Y 0 1 2 3 4 5 0 1 2 0 0 01 0 0 11 0 1 11 1 1 11 1 1 01 01

8、 0 0 0 1 01 1 0 11 0 1 01 CP 现现 态态次次 态态输输 出出 Y 1 2 3 4 5 6 1 2 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 111 210 nnn QQQ 210 nnn Q Q Q 时序电路的基本分析和设计方法 000 /1 001 /1 011 /1 111 /1 110 /1 100 /0 有效状态和有效循环有效状态和有效循环:电路正常工作所出现的状态称为电路正常工

9、作所出现的状态称为 有效状态；有效状态形成的循环称为有效循环。有效状态；有效状态形成的循环称为有效循环。 010 /1 101 /1 无效状态和无效循环：没有被利用的状无效状态和无效循环：没有被利用的状 态称为无效状态；无效状态所形成的循态称为无效状态；无效状态所形成的循 环称为无效循环。环称为无效循环。 电路能否自启动电路能否自启动? 能自启动：能自启动：存在无效状态，但没有形成循环。 存在无效状态，但没有形成循环。 不能自启动：不能自启动： 无效状态形成循环。无效状态形成循环。 /Y 210 nnn Q Q Q 本电路不能自启动！本电路不能自启动！ 时序电路的基本分析和设计方法 00000

10、1 /1 011 /1 111 /1 110 /1 100 /1 /0 1 2 3 4 5 6 CP CP触发触发 Q2 Q1 Q0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 Y 初态为初态为000时启动，即可在图示时启动，即可在图示6个状态内循环个状态内循环 - 非自然态序的非自然态序的6进制加法计数器进制加法计数器 时序电路的基本分析和设计方法 方法方法2 利用卡诺图求状态图利用卡诺图求状态图 nn QQ 2 1 0 nn QQ 0 1 1 nn QQ 1 1 2 Q2n+1 Q1n+1 Q0n+1 Q1nQ0n Q2n 0 1 00 01 11

11、10 001 011 111101 000 010 110100 000 001 011 111 110 100 010 101 1100 1100 Q2n+1 Q2n Q1nQ0n 0 1 00 01 11 10 0110 0110 Q1n+1 Q2n Q1nQ0n 0 1 00 01 11 10 0000 1111 Q0n+1 Q2n Q1nQ0n 0 1 00 01 11 00 时序电路的基本分析和设计方法 【例例2】求图示电路的状态图和时序图，并分析其功能。求图示电路的状态图和时序图，并分析其功能。 1J 1K C1 FF0 Q0 Q0 1J 1K C1 FF1 Q1 Q1 1J 1K

12、 C1 FF2 Q2 Q2 CP Y 【解解】 CPCPCPCP 210 2 n YQ= = 200 n JKQ= = = 输出方程输出方程 时钟方程时钟方程 驱动方程驱动方程 FF0: 110 n JKQ= 21022 nnn JQ QKQ= = = FF1: FF2: 时序电路的基本分析和设计方法 求状态方程：将驱动方程代入触发器的特性方程即可求状态方程：将驱动方程代入触发器的特性方程即可 200 n JKQ= = =FF0: 110 n JKQ=FF1: 21022 nnn JQ QKQ= = =FF2: 1 0 02000020 nnn nnnn QJ QK QQ QQ Q + + =

13、 =+ += =+ + 1 1 11011101 nnn nnnn QJ QK QQ QQ Q + + =+=+=+=+ 1 2 2222210 nn nnnn QJ QK QQ Q Q + + =+=+= 画状态图：画状态图： 计算状态表：计算状态表： /Y 210 nnn Q Q Q 000 /0 001 /0 010 /0 011 /0 100 /1 101110 111 时序电路的基本分析和设计方法 CP 现现 态态次次 态态输输 出出 Y 1 2 3 4 5 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1

14、 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 210 nnn Q Q Q 111 210 nnn QQQ 状态表转换表状态表转换表 1 2210 n nnn QQ Q Q + = = 2 n YQ= = 1 020 nnn QQQ + + = = 1 110 nnn QQQ + = = 时序电路的基本分析和设计方法 画时序图：画时序图： 1 2 3 4 5 CP Q2 Q1 Y Q0 结论：该电路为自然态序结论：该电路为自然态序 的五进制加法计算器！的五进制加法计算器！ 时序电路的基本分析和设计方法 5.1.2 时序电路的基本设计方法时序电路

15、的基本设计方法 一一. 设计的一般步骤设计的一般步骤 7.检查电路能否自启动。检查电路能否自启动。 1. 由给定逻辑问题进行逻辑抽象（定义输入、输出逻辑变由给定逻辑问题进行逻辑抽象（定义输入、输出逻辑变 量并赋值），建立原始状态图。量并赋值），建立原始状态图。 2. 合并等价状态（输入相同时，输出和次态也相同的状态），合并等价状态（输入相同时，输出和次态也相同的状态）， 化简状态图。化简状态图。 3. 进行状态分配，画出二进制编码后的状态图。进行状态分配，画出二进制编码后的状态图。 根据状态个数根据状态个数M及及 确定二进制代码位数，确定二进制代码位数， 并给每个状态分配合理的编码，画出满足要

16、求的状态图。并给每个状态分配合理的编码，画出满足要求的状态图。 1 22 nn M 4. 选择触发器，求时钟方程、输出方程、状态方程。选择触发器，求时钟方程、输出方程、状态方程。 5. 求各触发器驱动方程。求各触发器驱动方程。 6. 画逻辑电路图。画逻辑电路图。 时序电路的基本分析和设计方法 5.1.2 时序电路的基本设计方法时序电路的基本设计方法 设计步骤流程设计步骤流程 时序逻辑时序逻辑 问题问题 逻辑逻辑 抽象抽象 原始状态原始状态 图（表）图（表） 状态状态 化简化简 最简状态最简状态 图（表）图（表） 求出求出 驱动方程驱动方程 选触选触 发器发器逻辑逻辑 电路图电路图 检查能否检查

17、能否 自启动自启动 电路状态电路状态 方程式方程式 时序电路的基本分析和设计方法 二二. 设计举例设计举例 按如下状态图设计时序电路。按如下状态图设计时序电路。 000 /0/0/0 /0/0 001010 011 100101 /1 nnn QQQ 012 【解解】 00 01 11 10 0 1 n Q2 nnQ Q 01 Y 0 0 00 01 【例例 1】 20 nn YQ Q 采用同步方式：采用同步方式： 210 CPCPCPCP /Y 00 01 11 10 0 1 n Q2 nnQ Q 01 111 210 nnn QQQ 001 010 100 011 101 000 时序电路

18、的基本分析和设计方法 解解 1 0 n Q 1 1 n Q 1 2 n Q 210 CPCPCPCP 20 nn YQ Q 00 01 11 10 0 1 n Q2 nnQ Q 01 1 00 01 11 10 0 1 n Q2 nnQ Q 01 00 01 11 10 0 1 n Q2 nnQ Q 01 010 10 0101 00 0010 10 0 1 0 QQ n n 01012 1 1 QQQQQQ n nnnnn 1 221020 nnnnnn QQ Q QQ Q 00 01 11 10 0 1 n Q2 nnQ Q 01 11! 210 nnn Q Q Q 001 010 100

19、 011 101 000 也可由状态图直也可由状态图直 接画出各卡诺图接画出各卡诺图 分解！分解！ 时序电路的基本分析和设计方法 选用选用 JK 触发器触发器 1 00 KJ CP 1K C1 FF1 &1J Y 1J 1K C1 FF0 1K C1 FF2 &1J 1 & 0 1 0 QQ n n nnn QKQJQ 1 01012 1 1 QQQQQQ n nnnnn 01021 , QKQQJ nnn 02012 QK,QQJ n n n1 221020 nnnnnn QQ Q QQ Q 时序电路的基本分析和设计方法 CP 1K C1 FF1 &1J Y 1J 1K C1 FF0 1K

20、C1 FF2 &1J 1 & 110 111 000 电路电路 能自启动能自启动 /0/1 0 1 0 QQ n n 01012 1 1 QQQQQQ n nnnnn 20 nn YQ Q 1 221020 nnnnnn QQ Q QQ Q 000 /0/0/0 /0/0 001010 011 100101 /1 时序电路的基本分析和设计方法 1/1 例例 2设计设计 一个串行数据检测电路，要求输入一个串行数据检测电路，要求输入 3 或或 3 个以上数据个以上数据1时输出为时输出为 1，否则为，否则为 0。 解解 S0 原始状态原始状态 S1 输入输入1个个1 S2 连续输入连续输入 2 个个

21、 1 S3 连续输入连续输入 3 或或 3 个以上个以上 1 S0S1S2 S3 X 输入数据（输入数据（0、1） Y 输出检测结果（输出检测结果（0、1） 0/0 1/0 0/0 1/0 0/0 0/0 1/1 S0S1S2 0/0 1/0 0/0 1/0 0/0 1/1 0/0 0/0 电路电路 四种状态四种状态 S2、 、S3 等价状态，等价状态， 可合并。可合并。 等价状态等价状态: 输入相同时，输出和次态也相同的状态输入相同时，输出和次态也相同的状态 时序电路的基本分析和设计方法 M = 3，取，取 n = 2（即用两位二进制数进行编码）（即用两位二进制数进行编码） S0 = 00；S1 = 01； S2 = 11 选用选用 2个个 JK ( ) 触发器触发器,并采用同步工作并采用同步工作 方式：方式： 取：取： S0S1S2 0/0 1/0 0/0 1/0 0/0 1/1000111 0/0 1/0 0/0 1/0 0/0 1/1 10 CPCPCP 时序电路的基本分析和设计方法 Q1nQ0n X 0 1 00 01 11 10 Y 00 n XQY