时序逻辑电路数字部分

时序逻辑电路数字部分第1页，共56页，2023年，2月20日，星期五概述一、时序电路的特点1.定义

任何时刻电路的输出，不仅和该时刻的输入信号有关，而且还取决于电路原来的状态。2.电路特点(1)与时间因素(CP)有关；(2)含有记忆性的元件(触发器)。组合逻辑电路存储电路…………x1…xiy1…yjw1wkq1ql输入输出第2页，共56页，2023年，2月20日，星期五二、时序电路逻辑功能表示方法1.逻辑表达式(1)输出方程(3)状态方程(2)驱动方程2.状态表、卡诺图、状态图和时序图组合逻辑电路存储电路…………x1…xiy1…yjw1wkq1qlx1y1y2JKQ1Q2x21J1KC1CP第3页，共56页，2023年，2月20日，星期五三、时序逻辑电路分类1.按逻辑功能划分：计数器、寄存器、读/写存储器、顺序脉冲发生器等。2.按时钟控制方式划分：同步时序电路触发器共用一个时钟CP，要更新状态的触发器同时翻转。异步时序电路电路中所有触发器没有共用一个CP。3.按输出信号的特性划分：Moore型Mealy型存储电路Y(tn)输出WQX(tn)输入组合电路CPY(tn)输出CPX(tn)输入存储电路组合电路组合电路第4页，共56页，2023年，2月20日，星期五5.1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1.分析步骤时序电路时钟方程驱动方程状态表状态图时序图CP触发沿特性方程输出方程状态方程计算第5页，共56页，2023年，2月20日，星期五2.分析举例写方程式时钟方程输出方程(同步)驱动方程状态方程特性方程(Moore型)[例5.1.1][解]1J1KC11J1KC11J1KC1&FF1FF0FF2CPY第6页，共56页，2023年，2月20日，星期五计算，列状态转换表CPQ2Q1Q0Y012345012000100110111111111010100010110110101画状态转换图000001/1011/1111/1110/1100/1/0有效状态和有效循环010101/1/1无效状态和无效循环能否自启动?能自启动：存在无效状态，但没有形成循环。不能自启动：无效状态形成循环。第7页，共56页，2023年，2月20日，星期五方法2

利用卡诺图求状态图11001100Q2n+1Q2nQ1nQ0n010001111001100110Q1n+1Q2nQ1nQ0n010001111000001111Q0n+1Q2nQ1nQ0n0100011110Q2n+1Q1n+1Q0n+1Q1nQ0nQ2n0100011110001011111101000010110100000001011111110100010101第8页，共56页，2023年，2月20日，星期五画时序图000001/1011/1111/1110/1100/1/0123456CPCP下降沿触发Q2Q1Q0000001011111110100000Y第9页，共56页，2023年，2月20日，星期五Mealy型[例5.1.2]时钟方程输出方程驱动方程状态方程[解]写方程式第10页，共56页，2023年，2月20日，星期五10110100Q2n+1SQ2nQ1nQ0n00011110010010010001111010101010Q1n+1SQ2nQ1nQ0n00011110101010000001111010011001Q0n+1SQ2nQ1nQ0n000111101001100100011110S=0Q2n+1Q1n+1Q0n+1Q1nQ0nQ2n0100011110001010100011101110000111S=1Q1nQ0nQ2n010001111000101010001110100000011111111111第11页，共56页，2023年，2月20日，星期五状态转换表输入现态次态输出SQ2nQ1nQ0nQ2n+1Q1n+1Q0n+1Y1Y2000000001111111100000101001110010111011100000101001110010111011100101001110010111011100000101001110010100011100000000000000000010000000000100011状态图000001/00010/00011/00100/00101/001100/001110/000/011/101101111/00能自启动S/Y1Y21/11第12页，共56页，2023年，2月20日，星期五000001/00010/00011/00100/00101/001100/001110/000/011/101101111/00画时序图当S=0时，每8个CP一个循环；当S=1时，每6个CP一个循环。第13页，共56页，2023年，2月20日，星期五[例5.1.3]异步时序电路1DC11DC11DC1&FF1FF0FF2CP&[解]时钟方程驱动方程状态方程(CP有效)(Q0有效)(CP有效)写方程式第14页，共56页，2023年，2月20日，星期五求状态转换表CP↑CP↑10CP↑1CP↑0CP↑0CP↑CP↑000CP↑Q0↑0Q0↓1Q0↑1Q0↓0Q0↑0Q0↓1Q0↑1Q0↓0CP↑CP↑00CP↑0CP↑1CP↑0CP↑CP↑001CP↑000001010

011100101110111能自启动第15页，共56页，2023年，2月20日，星期五画时序图000001010

011

100不画无效状态12345CPQ0Q0Q1Q2第16页，共56页，2023年，2月20日，星期五5.1.2时序电路的基本设计方法1.设计的一般步骤时序逻辑问题逻辑抽象状态转换图（表）状态化简最简状态转换图（表）电路方程式（状态方程）求出驱动方程选定触发器的类型逻辑电路图检查能否自启动第17页，共56页，2023年，2月20日，星期五1/1[例1]设计一个串行数据检测电路，要求输入3或3个以上数据1时输出为1，否则为0。[解]逻辑抽象，建立原始状态图S0—原始状态(0)S1—输入1个1S2—连续输入2个1S3—连续输入3或3个以上1S0S1S2S3X—输入数据Y—输出入数据0/01/00/01/00/00/01/1状态化简S0S1S20/01/00/01/00/01/10/00/02.设计举例第18页，共56页，2023年，2月20日，星期五状态分配、状态编码、状态图S0S1S20/01/00/01/00/01/1M=3，取n=2S0

=00S1

=01S2

=110001110/01/00/01/00/01/1选触发器、写方程式选JK()触发器,同步方式输出方程Q1nQ0nX0100011110Y000001Q11Q01状态方程第19页，共56页，2023年，2月20日，星期五驱动方程约束项&逻辑图CPX1Y1J1KC1FF0Q0(Mealy型)无效状态

10000010000/01111111/1能自启动Q11KC1FF1&1J第20页，共56页，2023年，2月20日，星期五[例2]设计一个自动售饮料机的逻辑电路。它的投币口每次只能投入一枚五角或一元的硬币。投入一元五角钱硬币后机器自动给出一杯饮料；投入两元（两枚一元）硬币后，在给出饮料的同时找回一枚五角的硬币。解：1、逻辑抽象，得出电路的状态转换图或状态转换表输入变量：取投币信号，用A和B表示输出变量：给出饮料和找钱，用Y和Z表示投入一枚一元硬币时A=1；未投入时A=0投入一枚五角硬币时B=1；未投入时B=0给出饮料时Y=1，不给时Y=0找回一枚五角硬币时Z=1，不找时Z=0状态转换表ABYZSn+1S0S0S1S2000110S0/00S1/00S2/00S1/00S2/00S0/10S2/00S0/10S0/11///11未投币前电路的初始状态投入五角硬币后电路的状态投入一元硬币后电路的状态第21页，共56页，2023年，2月20日，星期五状态转换表ABYZSn+1S0S0S1S2000110S0/00S1/00S2/00S1/00S2/00S0/10S2/00S0/10S0/11///11电路的状态M=3根据取触发器的位数n=2令触发器状态Q1Q0的00、01、10分别代表S0、S1、S2可得到表示电路次态/输出的卡诺图AB00/0001/00/10/0000011110()0001111010/0000/10/00/11/01/0010/00/00/10///2、状态分配第22页，共56页，2023年，2月20日，星期五3、选定触发器的类型，求出电路的状态方程、驱动方程和输出方程。

选择JK触发器组成这个逻辑电路。将之前所得的卡诺图分解为分别表示、、Y、Z的4个卡诺图。AB00/0001/00/10/00000111100001111010/0000/10/00/11/01/0010/00/00/10///状态方程输出方程AB00/0001/00/10/00000111100001111010/0000/10/00/11/01/0010/00/00/10///0101000001111000100011110Q1nQ0nABAB00/0001/00/10/00000111100001111010/0000/10/00/11/01/0010/00/00/10///0010100001111000000011110Q1nQ0nABAB00/0001/00/10/00000111100001111010/0000/10/00/11/01/0010/00/00/10///1000000001111011000011110Q1nQ0nABAB00/0001/00/10/00000111100001111010/0000/10/00/11/01/0010/00/00/10///0000000001111010000011110Q1nQ0nAB第23页，共56页，2023年，2月20日，星期五JK触发器的特性方程：状态方程故得到驱动方程：第24页，共56页，2023年，2月20日，星期五4、根据得到的方程式画出逻辑图。CP1KC1FF1&1JQ11KC1FF0&1JQ0B&≥1A≥111&&&≥1YZ第25页，共56页，2023年，2月20日，星期五5、检查设计的电路能否自启动无效状态11状态方程1111100AB=00时，110011011AB=01时，不能自启动；返回到S0状态，100110100输出方程1111100010但收费结果错误；AB=10时，返回到S2状态，011001010011111但收费结果错误。改进措施：可在电路中加上异步清零端RD，开始工作时在RD端加上低电平信号将电路清零。第26页，共56页，2023年，2月20日，星期五按如下状态图设计时序电路。000/0/0/0/0/0001010011100101/1[解]已给出最简状态图，若用同步方式：输出方程0001111001Y000001为方便，略去右上角标n。状态方程00011110011010100100011[例3]第27页，共56页，2023年，2月20日，星期五选用JK触发器驱动方程约束项逻辑图CP1KC1FF1&1JY1J1KC1FF01KC1FF2&1J1&检查能否自启动：110111000能自启动/0/1(Moore型)第28页，共56页，2023年，2月20日，星期五[例4]设计一个带进位输出的七进制加法计数器。解：1、逻辑抽象，得出电路的状态转换图或状态转换表。/1/0/0/0/0/0/0000010001101011100110电路的状态M=7，取触发器的个数n=32、状态分配Q2Q1Q0/C3、选定触发器的类型，求出电路的状态方程、驱动方程和输出方程。根据

选择JK触发器组成这个逻辑电路，且所需触发器的个数为3。第29页，共56页，2023年，2月20日，星期五由状态转换图可得到表示电路次态/输出的卡诺图如下所示。()/1/0/0/0/0/0/00000100011010111001100100011110100/0/001/0101/0010/0110/0011/0000/1计数器的输出进位信号由电路的110状态译出0100011110100/0/001/0101/0010/0110/0011/0000/101000111100100011状态方程0100011110100/0/001/0101/0010/0110/0011/0000/1010001111011100000100011110100/0/001/0101/0010/0110/0011/0000/101000111100010101输出方程第30页，共56页，2023年，2月20日，星期五JK触发器的特性方程：状态方程驱动方程第31页，共56页，2023年，2月20日，星期五4、根据得到的方程式画出逻辑图1KC1FF11JQ11KC1FF01JQ0CP≥1≥11&C1KC1FF2&1JQ2&第32页，共56页，2023年，2月20日，星期五5、检查设计的电路能否自启动无效状态111状态方程001输出方程0/1/0/0/0/0/0/0000010001101011100110111/0

能自启动1111111111111111第33页，共56页，2023年，2月20日，星期五CPC6、实际应用1KC1FF11JQ11KC1FF01JQ0≥1≥11&1KC1FF2&1JQ2&Ya+VCC显示译码器YbYcYdYeYfYgA3A2A1A000010010201030114100510161107000180010第34页，共56页，2023年，2月20日，星期五5.2计数器(Counter)一、计数器的功能及应用1.功能：对时钟脉冲CP计数。2.应用：分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列、进行数字运算等。二、计数器的特点1.输入信号：计数脉冲CPMoore型2.主要组成单元：时钟触发器第35页，共56页，2023年，2月20日，星期五三、计数器的分类按数制分：二进制计数器十进制计数器N进制(任意进制)计数器按计数方式分：加法计数器减法计数器可逆计数(Up-DownCounter)按时钟控制分：同步计数器(Synchronous)异步计数器(Asynchronous)按开关元件分：TTL计数器CMOS计数器第36页，共56页，2023年，2月20日，星期五74161的状态表

输入

输出

注CRLDCTP

CTTCPD3D2D1D0Q3n+1Q2n+1Q1n+1Q0n+1CO010

d3

d2

d1d0

111111011000000d3

d2

d1

d0

计数

保持

保

持

0清零置数CR

=

1,LD

=

1,CP，CTP=CTT=

1二进制同步加法计数CTPCTT=0CR

=

1，LD=

1，保持若CTT=0CO=0若CTT=174163四、集成二进制同步计数器1.集成4位二进制同步加法计数器第37页，共56页，2023年，2月20日，星期五1234567816151413121110974161(3)VCCCOQ0Q1Q2Q3CTTLDCR

CP

D0

D1D2D3

CTP地引脚排列图逻辑功能示意图74161Q0Q1Q2Q3CTTLDCOCPCTPCR

D0

D1D2D3000000110011CR=0Q3Q0=0000同步并行置数CR=1，LD=0，CP异步清零Q3Q0=D3D01)74LS161和74LS163第38页，共56页，2023年，2月20日，星期五2)

CC4520VDD2CR

2Q32Q22Q12Q02EN2CP1CP1EN1Q0

1Q1

1Q1Q31CRVSS12345678161514131211109CC4520CC4520Q0Q1Q2Q3ENCPCR使能端也可作计数脉冲输入计数脉冲输入也可作使能端异步清零

输入

输出CRENCPQ3n+1Q2n+1Q1n+1Q0n+110100

00010000加计数加计数

保持保

持

第39页，共56页，2023年，2月20日，星期五2.集成4位二进制同步可逆计数器1)74191（单时钟）74191Q0Q1Q2Q3U/DLDCO/BOCPCTD0

D1D2D3RC加计数时CO/BO=Q3nQ2nQ1nQ0n并行异步置数减计数时CO/BO=Q3nQ2nQ1nQ0nCT

=

1,CO/BO

=

1时，1234567816151413121110974191D1

Q1

Q0

CT

U/D

Q2Q3

地VCCD0CPRC

CO/BOLDD2D3LDCTU/DCPD3D2D1D0Q3n+1Q2n+1Q1n+1Q0n+10d3

d2

d1d0

10010111d3

d2

d1

d0加法计数

减法计数保持

第40页，共56页，2023年，2月20日，星期五1234567816151413121110974193D1

Q1

Q0

CPDCPUQ2Q3

地VCCD0CRBOCO

LDD2D32)74193(双时钟)CO74193Q0Q1Q2Q3LDCPUCRD0

D1D2D3BOCPDCRLDCPU

CPDD3D2D1D0Q3n+1Q2n+1Q1n+1Q0n+1注100d3

d2

d1d0

01101101110000d3

d2

d1

d0

加法计数

减法计数

保持异步清零异步置数BO=CO=1第41页，共56页，2023年，2月20日，星期五123456714131211109874197CT/LDQ2D2D0

Q0

CP1地VCCCRQ3D3D1Q1CP074197Q0Q1Q2Q3CRCP1D0

D1D2D3CP0CT/LD五、集成二进制异步计数器74197、74LS197计数/置数异步清零异步置数加法计数二—八—十六进制计数第42页，共56页，2023年，2月20日，星期五二-八-十六进制计数器的实现M=2计数输出：M=8计数输出：Q1Q1Q21J1KC1FF2Q21Q31J1KC1FF3Q3111J1KC1FF1CP1CP011J1KC1FF0Q0Q0M=16计数输出：其它：74177、74LS177、74293、74LS293等。第43页，共56页，2023年，2月20日，星期五六、集成十进制同步计数器74160、741621234567816151413121110974160(2)VCCCOQ0Q1Q2Q3CTTLDCR

CP

D0

D1D2D3

CTP地(引脚排列与74161相同)异步清零功能：(74162同步清零)同步置数功能：同步计数功能：保持功能：进位信号保持进位输出低电平1.集成十进制同步加法计数器第44页，共56页，2023年，2月20日，星期五2.集成十进制同步可逆计数器(1)74190(单时钟，引脚与74191相同)异步并行置数功能：同步可逆计数功能：加法计数减法计数保持功能：1234567816151413121110974191D1

Q1

Q0

CT

U/D

Q2Q3

地VCCD0CPRCCO/BOLDD2D3第45页，共56页，2023年，2月20日，星期五(2)74192(双时钟，引脚与74193相同)1234567816151413121110974193D1

Q1

Q0

CPDCPUQ2Q3

地VCCD0CRBOCO

LDD2D3异步清零功能：异步置数功能：同步可逆计数功能：加法计数减法计数保持功能第46页，共56页，2023年，2月20日，星期五123456714131211109874290S9AS9BQ2Q1地VCCR0BR0ACP1CP0Q0

Q3七、集成十进制异步计数器异步清零功能S9AS9BQ0Q1Q2Q3R0BR0AM1=2M1=5CP0CP1110000异步置“9”功能111001异步计数功能M=

2M

=

5M

=

10CPCPCPCP第47页，共56页，2023年，2月20日，星期五5.2.4N进制计数器方法用触发器和门电路设计用集成计数器构成清零端置数端(同步、异步)第48页，共56页，2023年，2月20日，星期五一、利用同步清零或置数端获得N进制计数思路：当M进制计数到

SN

–1后使计数回到

S0

状态2.求归零逻辑表达式；1.写出状态SN

–1的二进制代码；3.画连线图。步骤：[例]

用4位二进制计数器74163构成十二进制计数器。解：1.=10112.归零表达式：3.连线图74163Q0Q1Q2Q3CTTLDCOCPCTPD0

D1D2D3CR1&同步清零同步置零第49页，共56页，2023年，2月20日，星期五二、利用异步清零或置数端获得N进制计数

当计数到SN

时，立即产生清零或置数信号，使返回S0状态。（瞬间即逝）思路：步骤：1.写出状态SN

的二进制代码；2.求归零逻辑表达式；3.画连线图。[例]

用二-八-十六进制异步计数器74197构成十二进制计数器。74197Q0Q1Q2Q3CP0D0D1D2D3CRCPCP1LDCT/&状态S12的作用：产生归零信号异步清零异步置零第50页，共56页，2023年，2月20日，星期五三计数容量的扩展1.集成计数器的级联74161(1)Q0Q1Q2Q3CTTLDCOCPCTPD0D1D2D3CRQ4Q5Q6Q774161(0)Q0Q1Q2Q3CTTLDCOCPCTPD0D1D2D3CRQ0Q1Q2Q3CP11111CO016

16

=

25674290(个位)Q0Q1Q2Q3S9AS9BR0BR0ACP0CP1CP74290(十位)Q0Q1Q2Q3S9AS9BR0BR0ACP0CP1Q0Q1Q2Q3Q0Q1Q2Q3124810204080