第4章时序逻辑电路

掌握同步时序逻辑电路的分析方法。理解同步逻辑电路的设计方法。理解计数器、寄存器的功能特点、使用方法及应用。理解施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器及555定时器的特点及应用。了解异步时序电路的工作原理和方法。了解脉冲波形的产生和整形电路的工作原理。

本章要求第4章时序逻辑电路分析与设计时序逻辑电路的结构与特点1、时序逻辑电路的结构与特点时序逻辑电路在任一时刻的输出不仅与当时的输入信号有关，而且还与电路原来的状态有关，因此时序电路中必须含有存储电路。存储电路通常用触发器构成。2、时序逻辑电路的结构框图3、时序逻辑电路中的三组方程输出方程驱动方程状态方程1)根据触发器的动作特点不同分为：a.同步时序逻辑电路b.异步时序逻辑电路2)根据输出信号的特点不同分为：a.米利型（Mealy）：输出信号与触发器的状态及输入变量均有关。b.穆尔型（Moore）：输出信号仅与触发器的状态有关。4时序逻辑电路的分类几个概念时序逻辑电路分析：根据给定的时序逻辑电路图，通过分析，求出它的输出Z的变化规律以及电路状态Q的转换规律，进而说明该时序逻辑电路的逻辑功能和工作特性。时序逻辑电路设计：根据给定的逻辑功能要求，选择适当的逻辑器件，设计出符合要求的时序逻辑电路。几个概念有效状态：在时序电路中，凡是被利用了的状态。有效循环：有效状态构成的循环。无效状态：在时序电路中，凡是没有被利用的状态。无效循环：无效状态若形成循环，则称为无效循环。自启动：在CLK作用下，无效状态能自动地进入到有效循环中，则称电路能自启动，否则称不能自启动。计数器：在数字电路中，能够记忆输入脉冲个数的电路。4.1同步时序逻辑电路分析4.1.1同步时序逻辑电路的分析步骤根据给定的时序电路，写出各个触发器的驱动方程及电路的输出方程；将驱动方程代入相应触发器的特性方程，求出各状态方程；根据状态方程和输出方程，列出状态表，画出状态图或时序图；用文字描述给定电路的逻辑功能。4.1.2同步时序逻辑电路的分析举例例1：已知某时序电路的逻辑图如下所示，试分析其逻辑功能。列驱动方程、输出方程求状态方程；列状态表、画状态图和时序图；说明电路的逻辑功能。①列驱动方程、输出方程②求状态方程驱动方程输出方程③列状态表依次设置初态求解次态和输出，便可得到状态转换真值表或状态转换图。Q2nQ1nQ0n000001011111110100/Y/0/0/0/0/0/1有效循环④画状态图、时序图010101/0/1无效循环⑤说明电路功能这是一个六进制同步计数器。当对第6个脉冲计数时，计数器又重新从000开始计数，并产生进位输出Y=1。例2：已知同步时序电路的逻辑图如下，试分析其逻辑功能。驱动方程、输出方程求状态方程；列状态表、画状态图和时序图；说明电路的逻辑功能。①列驱动方程、输出方程②求状态方程驱动方程输出方程③列状态表状态图时序图：该电路的逻辑功能：2位二进制同步可逆计数器，或者四进制同步可逆计数器。练习1：试分析下图中时序逻辑电路的逻辑功能。写出它的驱动方程，状态方程和输出方程。FF1、FF2和FF3是3个主从结构的TTL触发器，下降沿动作，输入端悬空时与逻辑1等效。逻辑功能：具有自启动功能的7进制加法计数器。练习2：试分析下图中时序逻辑电路的逻辑功能，写出电路的驱动方程、状态方程和输出方程，画出电路的状态转换图。逻辑功能：2位二进制同步可逆计数器，或者四进制同步可逆计数器。4.2同步时序逻辑电路的设计设计步骤：根据设计要求，设定状态，导出原始状态图或状态表。

需要解决以下问题：输入和输出变量的数目，并用字母表示；系统的状态数，用字母或者数字表示；状态之间的转换关系。状态化简（等价状态）状态分配（状态编码）

4.2同步时序逻辑电路的设计选择触发器（类型及个数）

确定触发器的数目n，若状态数为N,则应满足2n-1＜N

≤2n求出输出方程和驱动方程把输入、现态作为自变量，把输出、次态作为函数，用卡诺图求取输出方程和每个触发器的次态方程；然后将次态方程与所选触发器的特性方程进行比较从而得到驱动方程。画出电路图，并检查电路能否自启动。例1：设计一个按自然态序变化的七进制同步加法计数器，计数规则为逢七进一，产生一个进位输出。①根据要求，建立原始状态图。②状态化简Q2nQ1nQ0n/Y000/0001010011100101110/0/0/0/0/0/1状态分配已经最简。已是二进制状态。选触发器三位二进制代码，选用3个CP下降沿触发的JK触发器，分别用FF0、FF1、FF2表示。求输出方程和驱动方程由于要求采用同步方案，故时钟方程为：输出方程：状态方程：0100011110001000×0Y的卡诺图0100011110110000×1的卡诺图状态方程：状态方程：0100011110010011×0的卡诺图0100011110100101×0的卡诺图驱动方程：状态方程：特性方程：驱动方程：画电路图，检查电路能否自启动000/0001010011100101110/0/0/0/0/0/1111输出方程：状态方程：0100011110001000×0Y的卡诺图0100011110110000×1的卡诺图0100011110010011×0状态方程：的卡诺图0100011110100101×0状态方程：的卡诺图不化简，以便使之与JK触发器的特性方程的形式一致。驱动方程：状态方程：特性方程：驱动方程：画电路图，检查电路能否自启动000/0001010011100101110/0/0/0/0/0/1111问题：若例1采用上升沿触发器D触发器，则该如何实现？例2：设计一个串行数据检测电路，当连续输入3个或3个以上1时，电路的输出为1，其它情况下输出为0。例如：输入X 101100111011110输出Y 000000001000110

设计步骤：根据设计要求，设定状态，导出原始状态图或状态表。状态化简（等价状态）状态分配（状态编码）选择触发器求出输出方程和驱动方程画出电路图，并检查电路能否自启动。1建立原始状态图S0S1S2S3设电路开始处于初始状态为S0。第一次输入1时，由状态S0转入状态S1，并输出0；1/0X/Y若继续输入1，由状态S1转入状态S2，并输出0；1/0如果仍接着输入1，由状态S2转入状态S3，并输出1；1/1此后若继续输入1，电路仍停留在状态S3，并输出1。1/1电路无论处在什么状态，只要输入0，都应回到初始状态，并输出0，以便重新计数。0/00/00/00/0输入X 101100111011110输出Y 000000001000110

状态化简2状态分配3S0=00S1=01S2=104选触发器，求时钟、输出、状态、驱动方程选用2个CP下降沿触发的JK触发器，分别用FF0、FF1表示。采用同步方案，即取：输出方程状态方程状态方程比较，得驱动方程：电路图5检查电路能否自启动6将无效状态11代入输出方程和状态方程计算：电路能够自启动4.3计数器及其应用定义：把记忆输入脉冲个数的操作成为计数；

能够实现计数的时序电路称为计数器。计数器的用途：对时钟脉冲计数、定时、分频等。4.3计数器及其应用计数器的分类按CP脉冲输入方式，分为同步和异步计数器。按计数增减趋势，分为加法、减法和可逆计数器。按计数进制，分为二进制计数器、非二进制计数器等。二进制计数器：按二进制规律计数，计数长度（模值M）为2n；非二进制计数器：模值（主或有效循环所包含的状态数）不等于2n；同步四位二（或十六）进制计数器异步三位二（或八）进制计数器二进制异步计数器异步加法计数器异步减法计数器二进制同步计数器同步加法计数器同步减法计数器同步可逆计数器集成二进制计数器4.3.2二进制计数器2、二进制同步计数器a、二进制同步加法计数器推广到n位二进制同步加法计数器b、二进制同步减法计数器推广到n位二进制同步减法计数器c、二进制同步可逆计数器设计思想：将加法和减法计数器用一个控制端综合控制。三位二进制同步可逆计数器的电路图：几个概念异步置零：置零端出现有效电平，触发器立即置零，不受时钟CP控制。同步置零：置零端出现有效电平，要等时钟信号到达才能置零。同步置数：必须等待时钟CP到达，才能置数。异步置数：不须等待时钟脉冲。3.集成二进制计数器3.集成二进制计数器(4位2进制)74LS163引脚排列与74LS161相同，但其是同步清零。74LS164、163功能演示逻辑符号功能表4.3.3非二进制计数器十进制计数器任意进制计数器（1）同步十进制加法计数器（2）同步十进制减法计数器1.集成同步十进制可逆计数器---74LS19274LS192功能演示P3P0:高位低位CU、CD:时钟输入，上升沿有效。MR:

异步清零，高电平有效。PL:

同步预置，低电平有效。QD

QA:高位低位TCU、TCD：进位、借位输出端。2.集成同步十进制可逆计数器---CC401923.集成十进制同步加法计数器---741604.3.4计数器的应用用集成计数器构成任意进制计数器（M：设计，N：现有）M<N时，反馈清零法反馈置数法M>N时，整体反馈清零法整体反馈置数法组成分频器组成序列信号发生器组成脉冲分配器4.3.4计数器的应用—用集成计数器构成任意M进制计数器假设已有的是N进制计数器，而要得到的是M进制计数器，则1、M＜N的情况反馈清零法（使用置零端CR）反馈置数法（使用置数端LD）例1试利用同步十进制计数器74160接成同步六进制计数器。74160（异步清零\同步置数）（1）反馈清零法

SM=S6=0110（2）反馈置数法

SM=S5=01012、M>N的情况用多片N进制计数器组合起来构成M进制（M=N1xN2）计数器。各片之间的连接方式有：串行进位方式——低位的进位输出作为高位的时钟输入并行进位方式——低位的进位输出作为高位的工作状态控制信号例试用两片同步十进制计数器74LS160接成百进制计数器。（串行进位方式）例试用两片同步十进制计数器接成百进制计数器。（并行进位方式）用多片N进制计数器组合起来构成M进制（M=N1X10+N2）计数器。整体反馈清零方式整体反馈置数方式。例试用两片同步十进制计数器接成二十九进制计数器。（整体反馈置数法）（P116）例试用两片同步十进制计数器接成二十九进制计数器。（用整体反馈清零法）4.3.4计数器的应用—组成分频器4.3.4计数器的应用—组成序列信号发生器例试用计数器74LS161和数据选择器设计一个01100011序列发生器。4.3.4计数器的应用—组成脉冲分配器4.4寄存器及其应用定义：在数字电路中，用来存放一组二进制数据或代码的电路。构成：由具有存储功能的触发器组合起来构成的。一个触发器可以存储1位二进制代码，存放n位二进制代码的寄存器，需用n个触发器来构成。按照功能分类：基本寄存器和移位寄存器。并行方式串行方式输入输出方式每一位数据对应一个输入端（或输出端）。在时钟脉冲作用下，各位同时输入（或输出）。只有一个输入端（或输出端）。在时钟脉冲作用下，各数码逐位输入（或输出）。4.4.1基本寄存器由D触发器组成的四位数码寄存器特点：并入并出，存储单元可以是任何形式的触发器。4.4.2移位寄存器单向移位寄存器双向移位寄存器常用集成移位寄存器特点：在移位脉冲作用下，存储在寄存器中的数据依次左移或右移。数据输入输出的方式有四种。单向移位寄存器4位右移移位寄存器：

右移的原理若想输入数据1011，则如何操作？并行输出单向移位寄存器4位左移移位寄存器：

左移的原理？单向移位寄存器中数据的输出方式有几种，各方式分别需要几个脉冲？并行输出单向移位寄存器具有以下主要特点：单向移位寄存器中的数码，在CP脉冲操作下，可以依次右移或左移。n位单向移位寄存器可以寄存n位二进制代码。n个CP脉冲即可完成串行输入工作，此后可从Q0～Qn-1端获得并行的n位二进制数码，再用n个CP脉冲又可实现串行输出操作。若串行输入端状态为0，则n个CP脉冲后，寄存器便被清零。

双向移位寄存器双向移位寄存器双向移位寄存器常用集成移位寄存器仿真演示4.4.3移位寄存器的应用串--并转换并--串转换（表见P123）脉冲节拍延时串入—串出时：

实现模值M的计数器（移存型计数器）环形计数器（M=n）扭环形计数器（M=2n）注：n代表触发器的个数。（1）环型计数器（M=n）环型计数器如何实现计数？该环型计数器能否自启动？由74LS194构成的能自启动的4位环形计数器：（2）扭环型计数器（M=2n）移位寄存器型计数器的状态利用率矩形脉冲的基本特性1.矩形脉冲的二值性矩形脉冲二进制数字信号高、低电平1、02.矩形脉冲的特性参数TT—脉冲周期UmUm—脉冲幅度0.5UmtWtW

—脉冲宽度0.1Um0.9Umtrtr

—上升时间tftf

—下降时间4.5脉冲波形的产生与整形3.获得脉冲的方法1）自激振荡电路直接产生矩形脉冲。由多谐振荡器来实现555定时器是构成多谐振荡器、施密特触发器和单稳态触发器的既经济又简单实用的器件。2）将已有波形（正弦波、锯齿波等）整形为矩形脉冲。由施密特触发器和单稳态触发器来实现4.5.1555定时器1.分类

（1）按内部元件分类

双极型单极型（2）所包含的定时器的个数

单时基双时基2.组成

a)5G555内部结构图b）5G555引脚图供电电压复位端输出端放电端电压控制端高电平触发端低电平触发端接地端1)分压器①5脚悬空时，，；②5脚外接控制电压UCO时，。注：当5脚不加控制电压时，通常经过一个0.01µF的电容接地，以抑制干扰。供电电压复位端输出端放电端电压控制端高电平触发端低电平触发端接地端供电电压复位端输出端放电端电压控制端高电平触发端低电平触发端接地端2)电压比较器U+≥U-时，Ci＝1；U+＜U-时，Ci＝0。

3)基本RS触发器RSQn+100不定01010111Qn供电电压复位端输出端放电端电压控制端高电平触发端低电平触发端接地端4)放电三极管T是一个集电极开路的放电三极管。当uO＝0时，T导通；当uO＝1时，T截止。

1截止1保持原来状态不变10导通10导通××0uoT的状态

表5G555定时器功能表3.功能表5G555定时器功能表3.功能

（R）(S)T的状态uo0××1导通01

011导通0111不变保持原来状态1100截止14.5.2多谐振荡器(AstableMultivibrator)多谐振荡器是一种常用的脉冲信号产生电路。工作特性：①无稳态，具有两个暂稳态；②自激振荡器－－在接通电源后，不需外加触发信号，便能自动产生矩形脉冲；③矩形波中除基波外，还含有丰富的高次谐波－－故称为多谐振荡器。自动触发自动返回暂稳态0暂稳态1暂稳态0一、555定时器构成的多谐振荡器R1、R2、C1为定时元件62784153555R1C1+R2C2+VCC1、电路的组成

uCtUOH

uOtUOL+VCCuO83165724&&1TDR1R2CuC2、工作原理1)起始状态2)暂稳态13)自动翻转14)暂稳态25)自动翻转262784153555R1C+R2C2+VCC1).C充电时间tw1uC（0+）

=VCC

/

3,uC（）

=

VCC充电时间常数1=（R1+R2）C2).C放电时间tw2可求得:放电时间常数2=R2C3、振荡频率的估算3).

振荡频率f

uCtUOH

uOtUOLtw1tw2Ttw1=0.7(R1+R2)Ctw2=0.7R2CT=0.7（R1+2R2）C振荡周期：振荡频率：占空比：（二）占空比可调电路62784153555R1C+R2C2+VCCD1D2uOtw1=0.7R1Ctw2=0.7R2C4.5.3施密特触发器（SchmittTrigger）施密特触发器是又一种常用的脉冲信号整形电路。工作特性：①具有两个稳态；②属于电平触发，缓慢变化的信号也可以作为输入信号，当输入信号达到某一特定值时，输出电平就发生突变；③输入信号从低电平上升时，电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降时对应的输入转换电平不同。uo0U－U+uI电压传输特性输入信号上升时对应的转换电平U+

，称为正向阈值电压；输入信号下降时对应的转换电平U－

，称为负向阈值电压；差值ΔU＝U+－U-，称为回差电压。一、用555定时器构成的施密特触发器1.电路组成是互补输出UCO可外加电压调节回差+VCCuO1TD83165724&&1uI2.工作原理

uItUOH

uOtUOLOO011010UCO+VDDuO21)、时，2)、

3)、3.滞回特性及主要参数(一)滞回特性UT–OuIuOUOHUOLUT+uI增大时与上限阈值比特点:uI减小时与下限阈值比1、上限阈值电压UT+(二)主要静态参数回差电压2、下限阈值电压UT-3、回差电压ΔUTU