电子技术数字第五章时序逻辑电路

第五章

时序逻辑电路§5.1概述§5.2寄存器

§5.4计数器的设计

§5.5计数器的应用举例

§5.3计数器的分析

时序电路必然具有记忆功能，因而组成时序电路的基本单元是触发器。在数字电路中，凡是任一时刻的稳定输出不仅取决于该时刻的输入，而且还和电路原来的状态有关者，叫做时序逻辑电路，简称时序电路。§5.1概述

触发器多为采用边沿触发方式的JK触发器和D触发器。分析基础是其特征方程。Qn+1=JQn+KQnJK触发器Qn+1=DD触发器§5.2寄存器

5.2.1数据寄存器

寄存器是计算机的主要部件之一，用来暂时存放数据或指令。四位数据寄存器Q3Q2Q1Q0&&&&QDQDQDQDA0A1A2A3CLR取数脉冲存数据冲(CP)RDRDRDRD数据输入端数据输出端00001011101110115.2.2移位寄存器

所谓“移位”，就是将寄存器所存各位数据，在每个移位脉冲（CP）的作用下，向左或向右移动一位。根据移位方向，常把它分成左移寄存器、右移寄存器和双向移位寄存器三种：寄存器左移(a)寄存器右移(b)寄存器双向移位(c)根据移位数据的输入－输出方式

,可分为串入－串出、串入－并出、并入－串出、三种电路结构：FFFFFFFF串入－串出入出FFFFFFFF串入－并出入出FFFFFFFF并入－串出出串出1、四位串入-串出的左移寄存器QQDQQDQQDQQDCP03210移位脉冲Q3n+1

=Q2n

Q2n+1

=Q1n

Q1n+1

=Q0n

Q0n+1

=０状态转换方程Q3n+1

=D3

Q2n+1

=D2

Q1n+1

=D1

Q0n+1

=D0

触发器特征方程D0

＝0D1＝Q0nD2＝Q1nD3＝Q2n触发器激励方程输入数据为0设初始状态：Q3Q2Q1Q0

＝1011

QQDQQDQQDQQDCP03210Q3n+1

=Q2n

Q2n+1

=Q1n

Q1n+1

=Q0n

Q0n+1

=０状态转换方程Q3n

Q2n

Q1n

Q0nQ3n+1

Q2n+1

Q1n+1

Q0n+1CP10110110

10110

1100

21100

1000

31000

000040000

00005状态转换表0000波形图表示Q3Q2Q1Q0CP110100110011000100000000Q3n

Q2n

Q1n

Q0nQ3n+1

Q2n+1

Q1n+1

Q0n+1CP10110110

10110

1100

21100

1000

31000

000040000

00005通过CP脉冲可以将存储在寄存器中的数据串行输出串行输出QQDQQDQQDQQDCP3210移位脉冲串入串行数据高位在前设初态为0000，串行输入数据为X3X2X1X0=1001Q3n+1

=Q2n

Q2n+1

=Q1n

Q1n+1

=Q0n

Q0n+1

=Xi

状态转换方程00000001

1Q3n

Q2n

Q1n

Q0nQ3n+1

Q2n+1

Q1n+1

Q0n+1CP0001

0010

20010

0100

30100

10014Q3n+1

=Q2n

Q2n+1

=Q1n

Q1n+1

=Q0n

Q0n+1

=Xi

状态转换方程X3X2X1X0=1001X3X2X1X0Q3n+1

=Q2n

Q2n+1

=Q1n

Q1n+1

=Q0n

Q0n+1

=Q3n

状态转换方程Q3n+1

=D3

Q2n+1

=D2

Q1n+1

=D1

Q0n+1

=D0

触发器特征方程D0

＝Q3nD1＝Q0nD2＝Q1nD3＝Q2n触发器激励方程2、四位串入-串出的循环左移寄存器QQDQQDQQDQQDCP3210QQDQQDQQDQQDCP321010110111

10111

1110

21110

1101

31101

101141011

01115设初始状态：Q3Q2Q1Q0

＝1011

Q3n+1

=Q2n

Q2n+1

=Q1n

Q1n+1

=Q0n

Q0n+1

=Q3n

状态转换方程状态转换表Q3n

Q2n

Q1n

Q0nQ3n+1

Q2n+1

Q1n+1

Q0n+1CPCP0串行输出QDQQ3DQDQDQ1Q2Q03、四位串入-串出的右移寄存器：Q3n+1

=D3

Q2n+1

=D2

Q1n+1

=D1

Q0n+1

=D0

触发器特征方程D3

＝0D2＝Q3nD1＝Q2nD0＝Q1n触发器激励方程Q0n+1

=Q1n

Q1n+1

=Q2n

Q2n+1

=Q3n

Q3n+1

=0状态转换方程设初始状态：Q3Q2Q1Q0

＝1011

Q3n

Q2n

Q1n

Q0nQ3n+1

Q2n+1

Q1n+1

Q0n+1CP10110101

10101

0010

20010

0001

30001

000040000

00005状态转换表Q0n+1

=Q1n

Q1n+1

=Q2n

Q2n+1

=Q3n

Q3n+1

=0状态转换方程0QDQQ3DQDQDQ1Q2Q0Q3n+1

=D3

Q2n+1

=D2

Q1n+1

=D1

Q0n+1

=D0

触发器特征方程D3

＝Q0nD2＝Q3nD1＝Q2nD0＝Q1n触发器激励方程CPQDQQ3DQDQDQ1Q2Q0Q0n+1

=Q1n

Q1n+1

=Q2n

Q2n+1

=Q3n

Q3n+1

=Q0n状态转换方程4、四位串入-串出的循环右移寄存器：设初始状态：Q3Q2Q1Q0

＝1011

Q3n

Q2n

Q1n

Q0nQ3n+1

Q2n+1

Q1n+1

Q0n+1CP10111101

11101

1110

21110

0111

30111

101141011

11015状态转换表Q0n+1

=Q1n

Q1n+1

=Q2n

Q2n+1

=Q3n

Q3n+1

=Q0n状态转换方程CPQDQQ3DQDQDQ1Q2Q0右移串行输入左移串行输入并行输入5、集成移位寄存器芯片74LS194VCCQAQBQCQDS1S0CP1615141312111091345782QAQBQCQDCPS1S0CLRLDCBARABCDRLCLRGND74LS1946VCCQAQBQCQDS1S0CP1615141312111091345782QAQBQCQDCPS1S0CLRLDCBARABCDRLCLRGND74LS19460111100011011直接清零保持右移(从QA向右移动)左移(从QD向左移动)并入CLRCPS1S0功能fff5.2.3寄存器应用举例例：数据传送方式变换电路D6D5D4D3D2D1D0并行输入串行输出数据传送方式变换电路1.实现方法:(1).因为有7位并行输入，故需使用两片74LS194；(2).用最高位QD2作为它的串行输出端。2.具体电路:&G1S0S1CP1QA1QB1QC1QD1S0S1CP2QA2QB2QC2QD2R1R2A1B1C1D1A2B2C2D2D0D1D2D3D4D5D6+5V+5VCP启动脉冲移位脉冲&G2串行输出并行输入74LS194(1)74LS194(2)寄存器各输出端状态QA1QB1QC1QD1QA2QB2QC2QD2寄存器工作方式0D0D1D2D3D4D5D6

10D0D1D2D3D4D5

110D0D1D2D3D4

1110D0D1D2D3

11110

D0D1D2

11111

0D0D1

11111

10D0

CP并行输入(S1S0=11)并行输入(S1S0=11)右移(S1S0=01)右移(S1S0=01)右移(S1S0=01)右移(S1S0=01)右移(S1S0=01)3.工作效果:提醒：在电路中，“右移输入”端接＋5V。§5.3计数器的分析

5.3.1计数器的功能和分类1.功能

记忆输入脉冲的个数；用于定时、分频、产生节拍脉冲及进行数字运算等等。2.分类同步计数器和异步计数器。加法计数器、减法计数器、可逆计数器。可以用计数器的计数容量(或称模数)来区分各种不同的计数器，如二进制计数器、十进制计数器等。5.3.2异步计数器的分析Q0D0Q1D1Q2D2Q0Q1Q2CP计数脉冲

在异步计数器中，有的触发器直接受输入计数脉冲控制，有的触发器则是把其它触发器的输出信号作为自己的时钟脉冲，因此各个触发器状态变换的时间先后不一，故被称为“异步计数器”。例1.三位二进制异步加法计数器。101010101001011

11000010Q0D0Q1D1Q2D2Q0Q1Q2CPQnQn+1=00011Q2Q1Q0

Q0CP11Q2345678910001010101011001100110从技术脉冲CP端开始，对各触发器状态单独分析。由于各触发器触发脉冲不同，所以必须找出各触发器的触发脉冲，以确定各触发器的翻转时刻。10

1设初始状态为0000010波形图CPQ0Q0Q1Q1Q2可用于分频例2.用JK触发器构成四位二进制异步加法计数器。J4K4Q4Q4J3K3Q3Q3J2K2Q2Q2CP计数脉冲J1K1Q1Q1QnQn+1=Q4Q3Q2Q1CPQ4Q3Q2Q1CP0

00001

00012

00103

00114

01005

01016

01107

01118

10009

100110

101011

101112

110013

110114

111015

111116

0000Q4Q3Q2Q1CPQ4Q3Q2Q1CP0

00001

11112

11103

11014

11005

10116

10107

10018

10009

011110

011011

010112

010013

001114

001015

000116

0000例3.用JK触发器构成四位二进制异步减法计数器。QnQn+1=J4K4Q4Q4CP计数脉冲J3K3Q3Q3J2K2Q2Q2J1K1Q1Q15.3.3同步计数器的分析

在同步计数器中，各个触发器都受同一时钟脉冲（输入计数脉冲）的控制，因此，各触发器将同时发生状态翻转，故被称为“同步计数器”。例2.三位二进制同步加法计数器三位二进制同步加法计数器Q2Q2J2K2Q1Q1J1K1Q0Q0J0K0&计数脉冲CP分析步骤:1.先列写控制端的激励方程：J2=K2=Q1nQ0nJ1=K1=Q0nJ0=K0=1Q0：来一个CP，它就翻转一次；Q2：只有当Q1Q0＝11时，它才能翻转一次。Q2Q2J2K2Q1Q1J1K1Q0Q0J0K0&计数脉冲CPQ1：当Q0＝1时，它可翻转一次；2.再列写状态转换表，分析其状态转换过程2001001111010100000001100130100000110114011111111100

5100000011101

6101001111110

7110000011111

8111111111000CPQ2Q1Q0J2＝K2＝J1＝K1＝J0＝1K0＝1Q2Q1Q0

Q1Q0Q1Q0Q0Q0

原状态n控制端次态n+1J2=K2=Q1nQ0nJ1=K1=Q0nJ0=K0=1或者Q0nQ0n+1=Q1nQ1n+1=Q0n+Q0n=Q1nQ1nQ0n+Q1nQ1n+1=Q0n+Q0nQ1nQ2nQ2nCPQ2

Q1Q0

0000

1001

2010

3011

4100

5101

6110

7111

8000CP3.还可以用波形图显示状态转换表Q0J2=K2=Q1nQ0nJ1=K1=Q0nJ0=K0=1初态为000Q1Q1nQ0n000100010110001101011111000Q21005.3.5十进制加法计数器的分析J4K4Q4Q4J3K3Q3Q3J2K2Q2Q2CP计数脉冲J1K1Q1Q1J1=

K1=1J2=

Q4n

K2=1J3=

K3=1J4=

Q2nQ3n

K4=1激励方程Q1n+1=J1Q1n+K1Q1n=Q1nQn+1=JQn

+KQn特征方程Q3n+1=Q3nQ2n+1=Q4nQ2nQ4n+1=Q2nQ3nQ4nQ1n+1=Q1nQ3n+1=Q3nQ2n+1=Q4nQ2nQ4n+1=Q2nQ3nQ4nJ4K4Q4Q4J3K3Q3Q3J2K2Q2Q2CP计数脉冲J1K1Q1Q1CPQ4Q3

Q2Q1CPQ4Q3

Q2Q1

00000

10001

20010

30011

40100

50101

60110

70111

81000

91001

100000

1100015.3.5任意进制计数器的分析Q2Q2J2K2Q1Q1J1K1Q0Q0J0K0计数脉冲CPQn+1=JQn

+KQn特征方程Q1n+1=Q1nQ2n+1=Q0nQ1n

Q2n状态方程激励方程：J2=Q0nQ1n

K2=1

J1=K1=1

J0=Q2n

K0＝1

Q0n+1=Q2nQ0n00001001201030114100CPQ2Q1Q0

5000Q0n+1=Q2nQ0nQ1n+1=Q1nQ2n+1=Q0nQ1n

Q2nQ2Q2J2K2Q1Q1J1K1Q0Q0J0K0计数脉冲CP结论：该电路为异步

五进制

加法

计数器另有三种状态111、110、101不在计数循环内，如果这些状态经若干脉冲后能进入计数循环，称为能够自行启动。检验其能否自动启动？000010012010301141005000CPQ2Q1Q0

CPQ2Q1Q001111000CPQ2Q1Q001101010CPQ2Q1Q001001010能够自行启动000100011001010110101111状态转换图§5.4计数器的设计

计数器的设计方法很多，大抵可分为两类：一是根据要求用触发器(Flop-Flip)构成，二是就是利用具有特定功能的中规模集成组件适当连接而成。5.4.1利用触发器设计某计数电路

数字控制装置中常用的步进电动机有A、B、C三个绕组。电动机运行时要求三个绕组以AABBBCCCA

再回到A的顺序循环通电，试设计一个电路实现之。设计步骤如下：

(1).根据任务要求，确定计数器的模数（状态数目）和所需的触发器个数。

该任务所需计数器的模数为6，触发器的个数为3。

(2).确定触发器的类型。

最常用的触发器有D触发器和JK触发器，本任务中选用JK触发器。001011010110100101以QCQBQA为序排列：(3).列写状态转换表或转换图。

用三个触发器的输出端QA、QB、QC分别控制电动机的三个绕组A、B、C，并以“1”表示通电，“0”表示不通电。

(4).根据所选触发器的激励表，确定各个触发器在状态转换时对控制端的电平要求。JKQnQn+1JK触发器功能表

0000

0011

0100

0110

1001

1011

1101

1110Q

n

Qn+1JK驱动表000X011X10X111X0

“X”即可“0”可“1”

QCQBQAQCQBQAJCKCJBKBJA

KA

初态次态各触发器控制端电平

0010110X1XX0

0110100XX0X1

0101101XX00X

110100X0X10X

100101X00X1X

101001X10XX0步进电动机绕组通电激励表001011010110100101Q

n

Qn+1JK000X01