第五章时序逻辑电路

时序逻辑电路

目录二、时序逻辑电路分析三、时序逻辑电路设计一、时序逻辑电路概述数字逻辑电路组合逻辑电路时序逻辑电路组合特点时序特点电路中不含任何反馈网络输出仅与当时的输入有关电路中无任何记忆元件电路中含反馈网络输出与输入、状态有关电路中有记忆元件对比有记忆功能无记忆功能一、时序逻辑电路概述

☆组合与时序的区别

串行加法器11110000一位全加器被加数

A加数BCi－1QDRDHJ来自低位的进位CPRD〇示例xix1x2z1z2zmw1wk组合逻辑电路存储电路y1yj外输入状态变量外输出激励变量☆时序逻辑电路的组成和描述

框图描述输出方程激励方程状态方程☆三大方程

同步时序异步时序按时钟共享分类电位控制型脉冲控制型按信号表示米里（Mealy）型摩尔（Moore）型按决定因素完全确定型非完全确定型按变量确定寄存器、计数器……按逻辑功能给定时序电路时钟方程激励方程状态方程输出方程状态转移表状态转移图工作波形分析得出结论：说明逻辑功能作出评价和改进限分析异步时序电路时二、时序逻辑电路分析

步骤【例1】分析下图所示逻辑电路功能

Z=Qn3Qn1123＆＆＆＆＆状态转移表000001110101/0/0/1/0011010/0/0100111Q3Q2Q1/Z/1/0状态转移前输入／输出0001001100100111010001CPQ1Q2Q3Z逻辑功能：六进制计数器参见P148：同步模4可逆计数器

数码寄存器

一位数码寄存器

图中：DI数据输入（或信息输入）

存数指令的作用：存入和保存信息。QQD存数指令DI一位数寄存单元☆寄存器、移位寄存器

四位数码寄存器

注意电路结构：由什么触发器构成？在CP脉冲什么时刻出现新状态？是同步还是异步时序电路？是如何实现四位数码寄存器的？D触发器CP↑

同步

先数据后脉冲1DC141DC131DC121DC11Q4Q3Q2Q1CPD4D3D2D1

移位寄存器

用移位方式进行寄存的寄存器叫移位寄存器。作用：对二进制信息实现移位和寄存。

Q1n+1=VIQ2n+1=Q1nQ3n+1=Q2nQ4n+1=Q3n移存规律：Qkn+1=Qk-1n1DC141DC131DC121DC11Q4Q3Q2Q1输入v1CP移存脉冲1＆2＆3＆4＆5＆取数指令数据输入Clock串行输出并行输出实现数据的串入→串出/并出FFFFFFFF串入/串出FFFFFFFF串入/并出FFFFFFFF并入/串出FFFFFFFF并入/并出数据转换选通门:与或逻辑，2选1数选器1ABF&X≥F=AX+BXX=1,F=AX=0,F=BX:控制信号带有置数功能的4位单向移位寄存电路X控制信号：X＝0为置数

X＝1为右移Dr右移输入D3～D0并行输入移入数据可控的移位可置数寄存器Z同步（并行）置数右移输入

MNQ3n+100置001Q3n

10Q3n

11置1双向移位寄存器X控制信号：X＝0为左移

X＝1为右移Dr右移数据输入DL左移数据输入具有清零功能的并行输入移存器

关于清零

a、对于寄存器、计数器类电路一般均需预先清零

b、有的电路具有自动清零方式cpRDQ2RDQ3Q2&RDQ323〇〇〇〇〇移位寄存器DI3&并行取样M〇并行输入电路Q3n+1=D3=Q2n+MDI3明确三个问题：（1）并入前必须清零（2）并入途径（3）串行输出途径（移位串出）10五单位数码并－串状态转移情况表用于脉冲节拍延迟用于计数器和脉冲分配器——后边讨论）应用用于数据转换——前面已介绍电路：控制部分输入部分存储部分

功能：串并计数、分频

端口：CP：时钟；CR：复位端。SH/LD=0／1时，并入/右移。CT5(7)4(L)S195Q0

DCIR

DCIR

DCIR

DCIR

&≥1&

&≥1&

&≥1&

&≥1&&1111Q1Q2Q3D3D2D1D0CPCRJKSH/LDQ3

集成移位寄存器

Q0n+1=D0Q1n+1=D1Q2n+1=D2Q3n+1=D3Q0=SH/LD〔JQ0+KQ0

〕+SH/LD·D0Q1=SH/LD·Q0+SH/LD·D1Q2=SH/LD·Q1+SH/LD·D2Q3=SH/LD·Q2

+SH/LD·D3nnnnnn+1n+1n+1n+1Q0n+1=JQ0n+KQ0nQ1n+1=Q0nQ2n+1=Q1nQ3n+1=Q2n并入并出串入串出SH／LD=0时SH／LD=1时串入时数据从哪儿输入？CT5(7)4(L)S195Q0

DCIR

DCIR

DCIR

DCIR

&≥1&

&≥1&

&≥1&

&≥1&&1111Q1Q2Q3D3D2D1D0CPCRJKSH/LDQ3串入:先看第一级：Q0=JQ0+KQ0n+1nn串入及移位操作：

控制条件：SH/LD=1第一级功能表：JKKQ0001010101110Q001n+1nQ0n显然将J、K端并接在一起作为串行输入。CT5(7)4(L)S195电路功能表

CRSH／LDCPJKD0D1D2D3Q0Q1Q2Q3Q3

0×××××××× 00001

10↑××d0d1d2d3d0d1d2d3

d3

11↑01××××Q0nQ0nQ1nQ2n

Q2n11↑00××××0Q0nQ1nQ2nQ2n11↑10××××Q0nQ0nQ1nQ2nQ2n11↑11××××1Q0nQ1nQ2nQ2n

110××××××Q0nQ1nQ2nQ3nQ3n

输入输出CPSerialshiftSerialshiftSerialinputsCRJKSH/LDD0D1D2D3ParalleldatainputsQ0Q1Q2Q3ParalleloutputsClear常见的中规模集成移位寄存器还有：4位双向移位寄存器－CT5(7)4(L)S194及CC401948位移位寄存器－CT5(7)4(L)S164及CC401648位双向移位寄存器－CT5(7)4198

CT54/74194功能表P156

×××××××0010×××××0↑0111×××××1↑0110××××0×↑1011××××1×↑101××↑111××××××0××10000×××××××××0OutputsInputsCT74194用194实现7位数据的串并转换

Q0Q1Q2Q3S1S0D0D1D2D3SRQ0Q1Q2Q3S1S0D0D1D2D3SRQ3Q2Q1Q0111serialinD6～D0clearCPCT74194CT741941paralleloutCPCPQ7Q6Q5Q4CRCRⅡⅠ

应用×Q0Q1Q2Q3S1S0D0D1D2D3SRQ0Q1Q2Q3S1S0D0D1D2D3SRQ01&Q4Q5Q6Q71CPd3d2d1d01d4d5d6d7Q1Q2Q3

serial

outSTCPCPG2G17-bitparallelin/serial

outtransformCT74194CT74194Ⅱ

Ⅰ

&应用用194实现7位数据的并串转换

× “195”的应用

1）实现串并变换：电路：（见P191

图6－2－15）

片I：将J、K、D0并接在一起作为输入，（其中：J、K为串入端,D0为并入端）,D1接“0”作为标志码。

注意:片Ⅰ、Ⅱ的SH/LD控制端由片Ⅱ的Q3

控制。×

0

↑

d0'0

1

11

1

1

1又并入并出片Ⅰ片ⅡQ0Q1Q2Q3Q0Q1Q2Q3Q0Q1Q2

Q3

Q4

Q5Q6CRSH/LDCPD0D1D2D3D0D1D2D30

Φ

Φ00

0

0

00

0

0

10↑d0

0

11

11

1

111↑d1d0

01

11

1

111↑d2d1

d0

0

1

1

1

111↑d3d2d1d0

0

1

1

111↑

d4

d3

d2d1d0

0

1

111↑d5d4d3d2

d1

d00

111

↑d6d5d4d3d2d1d0

02）实现并串变换

电路见：P192图6－2－16P完成并→串变换其工作情况：片Ⅰ片Ⅱ

PSH/LD(启动)CPQ0Q1Q2Q3Q0Q1

Q2Q31D0D1D2D3D0D1D2D3

1

0（）↑

0

D6D5

D4

D3

D2

D1

D0

11↑10

D6D5D4D3D2D1

11↑110D6D5D4

D3D2

11↑1110

D6D5D4D3

11↑1111

0

D6D5D4

11↑1111

1

0

D6D5

11

↑

1111

1

1

0

D6

0

0

↑

0

D6D5D4D3D2D1D01

（并入下一组）'''''''计数—统计脉冲的个数计数器—实现计数功能的时序部件计数器几乎出现在所有的数字设备中常用来计数、定时、分频、和数学运算计数器的类型：按计数方式分：同步/异步计数器按计数体制分：二进制/非二进制计数器按增减趋势分：加法/减法/可逆计数器☆同步计数器、异步计数器

同步计数器的分析举例：例1、分析下述电路的逻辑功能解：1）输出方程：3）状态方程：

Qn+1=JQn+KQn

2）激励方程：1JCI11KR2JCI22KR

3JCI33KR&&

4JCI44KR&&&ZQ3Q2Q1Q4CPRD4)状态转移表将一个个现状态代入状态方程中运算得出一个个新状态！！

S(t)N(t)Q4Q3Q2Q1Q4Q3Q2Q1Z00000001000010010000101111000015）状态转移图

简单说明了电路的状态转移情况，分析、设计均用

Q4Q3Q2Q1Input/Ooutput00000001011001111111111010011000/0/0/0/0/0/0/0/16)工作波形：CPRD01510150Q1Q2Q3Q4Z7)结论：具有自启动性的同步4位二进制加法计数器a、通常需要在计数前清零注意：b、进位准备与进位时刻c、加法计数器的输出就是进位信号例2、分析下述电路功能解：1）输出方程2）激励方程3）状态方程&ZQQ1KR1J2QC10∧C111JFFRQ∧0∧Q1JRFFQ11KC1∧3FF1KRFFC1CP2Q1Q1K1J3&&&&

SynchronousBCDCounter作状态转换表

S(t)N(t)Q4Q3Q2Q1Q4Q3Q2Q1Z0000000100001001000010100100001

111011110111100001*101010110101101001*110010110101101001*作状态图和波形图结论：具有自启动的同步十进制加法计数器。Z说明：

a、计数前首先清零。

b、一个十进制计数器只能计一位十进制数。提问：如果计数模值：M＝1000，需要几个十进制计数器构成？

应是0～999计数脉冲十进制计数器十进制计数器十进制计数器百位十位个位0～90～90～9进位进位C、进位准备与进位时刻。说明：

a、计数前首先清零。

b、一个十进制计数器只能计一位十进制数。提问：如果计数模值：M＝1000，需要几个十进制计数器构成？

应是0～999计数脉冲十进制计数器十进制计数器十进制计数器百位十位个位0～90～90～9进位进位C、进位准备与进位时刻。输出输入0

0

d0

d1d2d311

1

1

11

0

11

1

0

00

0

0d0

d1d2d3计数触发器保持，CO=0保持CT54/74161(CT54/74160)功能表十进制同步计数器160四位二进制同步计数器161由161构成的12位二进制同步加法计数器思考：如何由161构成模值为4096的计数器？若模值为2048呢？CTRDIV16CT54/74161LDCTPCOCTTCP12481Q0Q1Q2Q3CTRDIV16CT54/74161LDCTPCOCTTCP12482Q0Q1Q2Q3CTRDIV16CT54/74161LDCTPCOCTTCP12483Q0Q1Q2Q31CPCT54/74161构成12位二进制加法计数器CTRDIV16CT54/74161LDCTPCOCTTCP12481Q0Q1Q2Q3CTRDIV16CT54/74161LDCTPCOCTTCP12482Q0Q1Q2Q3CTRDIV16CT54/74161LDCTPCOCTTCP12483Q0Q1Q2Q31CT54/74161构成12位二进制异步加法计数器CP1&由161构成的12位二进制异步加法计数器4位二进制同步可逆计数器74191参见教材161页表5-9常用TTL型MSI计数器没有统一的时钟脉冲异步计数器分析决定某次态Qin+1时，需视其是否有有效的时钟边沿作用，若没有就不必计算！特点：注意：例1：分析右图电路电路的工作波形如下：CP1510150RDQ1此电路的特点：结构简单，M＝2N（N为触发器的级数）是典型的异步二进制电路。Q3Q2Q4T

1CIT

1CIT

1CIT

1CIQ1Q2Q3Q4CPRD例2、分析下图所示电路JCI2KRJCI3KRCPJCI1KRQ1&&&Q3RDQ2状态转移表:JCI2KRJCI3KRCPJCI1KRQ1&&&Q3RDQ24）状态转移图:

5）工作波形6）结论：具有自启动的异步模5加法计数器。000100111011001110010101例3、分析下图所示电路输入输出ROAROBS9AS9BCP

1011001101100000

000Q3Q2Q1Q00000000010011001计数290功能表RQRQ∧KCP1RKJJ∧JJ∧KQKRQ∧≥≥SS&3Q0Q1QQ22R0BS9AS9B1CP0R0Ann解：分析思路：激励方程→状态方程→状态转移表

1）激励方程：

0、2级是相当于触发器，只写第1、3级的J、K触发器，则：

J1=Q3K1=1（当TTL处理）

J3=Q1Q2K3=Q32)状态方程：Q0=[Q0]CP0↓Q1=[Q3Q1]CP1↓Q2=[Q2]Q1↓Q3=[Q1Q2Q3+Q3Q3]CP1↓

=[Q1Q2Q3]CP1↓n+1n+1n+1n+1nnnnnnnnnnnnnn3)状态转移表：因为第0级是单独的二分频电路，所以重点研究第1、2、3级的状态转移。

S(t)N(t)Q3Q2Q1Q3Q2Q1

00000100

101001

0

01101

1

1

0

010

0

0

0

0这三级为模5计数器，而第0级为模2计数器。Q3Q2Q1Q000000001001000110100010101100111100010018421BCD计数若使：CP1=Q0则得：8421BCD计数器Q0Q3Q2Q100000001001000110100100010011010101111005421BCD计数注意Q0为最高位若使：CP0=Q3则得：5421BCD计数器RQRQ∧KCP1RKJJ∧JJ∧KQKRQ∧&&SS&3Q0Q1QQ22R0BS9AS9B1CP0R0AQ0Q1Q2Q3S9AS9BR0AR0B74290CP0CP1CP00分析下述电路，指出是几进制计数器，并画出相应的状态转移图和波形图。（已知初始状态为0）Q0Q1Q2Q3S9AS9BR0AR0B74290CP0CP1CP00Q0Q1Q2Q3S9AS9BR0AR0B74290CP0CP1CP00CPQ0Q1Q2Q3S9AS9BR0AR0B74290(Ⅰ)CP0CP1Q0Q1Q2Q3S9AS9BR0AR0B74290(Ⅱ)CP0CP1000000

时序逻辑电路设计按应用不同可将时序电路分为：

本节首先介绍一般时序设计的思路、步骤，然后着重介绍采用中、小规模器件设计同步、异步计数器。按任意命题设计的时序电路为一般时序电路。一般时序典型时序各种数字设备中常用的时序逻辑部件为典型时序电路。如：计数器、寄存器、和移位寄存器等。例1.用4位二进制同步计数器CT54/74161实现模10计数器。

161的功能见P198表6-2-9。（1）、采用清除（清0）复位法解：1）思路：首先熟悉器件功能

异步清0D3D2D1D0CTPCTTLDQ3Q2Q1Q0CT54/74161CR+CP输出输入0

0

d0

d1d2d311

1

1

11

0

11

1

0

00

0

0d0

d1d2d3计数触发器保持，CO=0保持CT54/74161(CT54/74160)功能表2）列出状态转移表,利用卡诺图求“清零”信号CR序号

N(t)

Q4Q3Q2Q1

S(t)

Q4

Q3

Q2

Q1012345678900000000110000111100001100110001010101011（0）1（0）1（0）1（0）1（0）1（0）1（0）1（0）1（0）0（1）000000011100011110000110011001101010101000003）画出电路联接图。由G2、G3与非门构成的基本RS触发器的作用是什么?G3&&G2Q&G1●V01“1”CPZ是使各级触发器可靠复0”。D3D2D1D0CTPCTTLDQ3Q2Q1Q0CT54/74161CR+CP思考：如何用163实现？需注意什么？4）输出波形。例2.

采用上述方法用160构成模值为853的计数器提问：第853个状态是否有效？用161完成模为2048的计数器？Z0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111Q0Q1Q2Q3（2）、采用置位法例3.

应用4位二进制同步计数器CT54161，实现模10计数(分频)。解：1）思路：回忆CT54161的置数功能2）置位法的原理：K=2n-M=24-10=6——01103）画图。1CP0110D3D2D1D0CTPCTTCRQ3Q2Q1Q0CT54/74161+CPLDCO1ZCO=1,CO=0LD并入并入0110例4.应用CT54161实现模12计数器，要求含0000状态计数。1011001111010101100100011110011010100000Q0Q1Q2Q311110111预置01234567891011结论：一种固定模式！置入数据为（2n－M＋1）的二进制代码1CP0101D3D2D1D0CTPCTTCRQ3Q2Q1Q0CT54/74161+CPLDCOZ或Z’思考：如何用191实现？需注意什么？例5.

同例4，但要求输出为方波为预置状态。对应01100001011001111010001111001101010001011000000Q0Q1Q2Q311110111预置预置结论：一种固定模式！含0态置入数据为[1/2（2n－M）＋1]的二进制代码1CPQ3

0118421D3D2D1D0CTPCTTCRQ3Q2Q1Q0CT54/74161+CPLDCOZ解：其特点是从Q3输出方波。8421D3D2D1D0CTPCTTCRQ3Q2Q1Q0CT54/74161+CPLDCOQ3

1101CP请分析下述各电路图的逻辑功能（设初始状态为0）可从CO输出，也可从Q3输出（方波）Q3Q2Q1Q000000111100011110

110*1

110*8421D3D2D1D0CTPCTTCRQ3Q2Q1Q0CT54/74161+CPLDCO1CPQ3

100请分析下述各电路图的逻辑功能（设初始状态为0）可从CO输出，也可从Q3输出（方波）Q3Q2Q1Q00000011110000

100*01010110111011111

100*1101请分析下述各电路图的逻辑功能（设初始状态为0）可从CO输出，也可从Q3输出（方波）Q3Q2Q1Q00000101110000010*0100011111111110*00111CP8421D3D2D1D0CTPCTTCRQ3Q2Q1Q0CT54/74161+CPLDCOQ3

Q2

100110*1010*11003、用集成移位寄存器实现任意模值的计数(分频)。例1.

用4位移位寄存器CT54195构成环形计数器。解：1）熟悉器件CT54195的功能。（见P190表6-2-4）

J、K并在一起作为反馈输入端。

CRSH／LDCPJKD0D1D2D3Q0Q1Q2Q3Q3

0×××××××× 00001

10↑××d0d1d2d3d0d1d2d3

d3

11↑01××××Q0nQ0nQ1nQ2n

Q2n11↑00××××0Q0nQ1nQ2nQ2n11↑10××××Q0nQ0nQ1nQ2nQ2n11↑11××××1Q0nQ1nQ2nQ2n

11×××××××Q0nQ1nQ2nQ3nQ3n

输入输出2）构成电路：P229图6-3-27D0D1D2D3SH/LDCRQ0Q1Q2Q3CT54/741951CP启动JK01113）状态转移表：1110010111111011111101111110启动并入Q3Q2Q1Q0CPJKSH/LD该电路不具有自启动特性，若出现无效状态，只有依赖外加启动信号。由分析可知环形计数器的特点：a、结构特点：首尾相连；b、每一个有效状态只有一位是1或0；c、可作为顺序（节拍）脉冲分配器；

顺序脉冲分配器：产生顺序脉冲的电路

顺序脉冲：在时钟脉冲作用下，轮流出现的电位信号或脉冲信号。d、缺点：费器件。其M＝n（n为触发器的级数）例2.

扭环计数器(请看P230第4行）。将P229图6—3—27改一下得:D0D1D2D3SH/LDCRQ0Q1Q2Q3CT54/741951CP启动JK0111Q3状态转移:0001110000011000011100011110Q3Q2Q1Q0CPJKSH/LD11000Q31110011111110111110011110011有效状态还有8种状态为无效状态:101011010110101101010010100101001010Q0Q1Q2Q3为无效状态扭环计数器的特点：a、首尾交叉相连；b、状态转移满足移存规律；c、模值：M＝2n（n为级数）；d、在工程上，常采用解决自启动的办法——强迫置位法。

其原则：使用器件少，连线少；恢复时间快；不影响有效循环。QJK4QJK3QJK2QJK1RR1000010011011111111110110010000000Q1Q2Q3Q4有效状态10110110110110100100100100100101Q1Q2Q3Q4无效状态

分析是否符合其原则：器件少，连线少；恢复时间快；不影响有效循环。&例3.

应用四位移位寄存器195实现模12计数。

解：集成移位寄存器195的关键:移入0

××××0000111

10

1000111

10

0100111

10

1010111

10

0101011

01

0010111

10

1001011

01

1100111

10

0110111

10

1011011

01

1101011

01

111011

0××

00001模值D3D2D1D0151110141100131000120000110001100010901018101070100610015001140110311012101110111不同模值的数据输入序号

N(t)

Q3Q2Q1Q0

S(t)

Q3Q2Q1

Q001234567891011000010100110000101001101001010011011010100110111111111111110000101001100001010011010010100110110101001101110上例状态转移表例4.

应用移存器和译码器可构成程序分频器。

见P231图6—3—29

SH/LDCRJKCPD0D1D2D3D0D1D2D3Q0Q1Q2Q3Q0Q1Q2Q3011111110111111x0000000100000000100000010100000110100001110100011110100111110101111110

1

0x1

0

1

11

11

1无效状态片Ⅰ为3—8线译码器(轮流出低电位），用来编制模值N；这里可编：0，1，2，…7个，选N＝6。则其分频模值：M＝N+1＝6+1＝7，∵N＝6，CBA＝110，

∴y6输出端为0分析：输入输出ROAROBS9AS9BCP

1011001101100000

000Q3Q2Q1Q00000000010