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1、数字电子电路,第六章 时序逻辑电路,授课人：庄友谊,第六章 时序逻辑电路,6.1 时序逻辑电路的基本概念,6.2 同步时序逻辑电路的分析,6.3 同步时序逻辑电路的设计,6.4 异步时序逻辑电路的分析,6.5 若干典型的时序逻辑集成电路,6.6 用Verilog HDL描述时序逻辑电路,6.7 时序可编程逻辑器件,一、时序逻辑电路的基本结构及特点：,6.1 时序逻辑电路的基本概念,组合逻辑电路:,串行加法器,0,1,0,1,0,0,1,1,0,1,1,1,1,1,1,1,0,0,1,0,时序逻辑电路:,电路某一时刻的输出仅与该时刻的输入有关.,电路某一时刻的输出除与该时刻输入有关外， 还与电路
2、原来的状态有关。,1、电路结构：,0110+0111,=1101,输出方程,状态方程,驱动方程,2、三条方程:,二、时序逻辑电路的分类:,按状态变化的特点分：,按有无输入信号分：,三、时序逻辑电路功能的描述:,逻辑方程式、,同步和异步时序电路。,米里型（有）和摩尔型（无）。,状态转换表、,状态转换图、,时序图,计数器:,按计数的增减规律：,按循环模数,加法、减法和可逆计数器,一、分析同步时序逻辑电路的一般步骤：,1由逻辑图写每个触发器的驱动方程和输出方程。,2把驱动方程代入每个触发器的特性方程，得到状态方程。,3根据状态方程及输出方程，画出状态转换表、状态转换图和时序图。,4分析逻辑功能。,6
3、.2 同步时序逻辑电路的分析,二、同步时序逻辑电路分析举例：,例1：分析下图的逻辑功能（输入端悬空表示接1）,解：1、驱动方程：,输出方程：,2、状态方程：,JK触发器的特性方程：,故得状态方程为：,3、状态转换表：,把电路的输入和各个初态代入状态方程和输出方程，算出电路的次态和输出，列出表格。,如初态为000，代入状态方程，得到：,由上表可知：在电路的一个循环中，缺少111，只有七个状态。,0,0,0 0 0,1 1 1,1,1,2,3,4,5,6,7,0 0 1,0 1 0,0 1 1,1 0 0,1 0 1,1 1 0,0 0 0,0,0,0,0,0,0,1,0,1,0 0 0,0,4、
4、状态转换图：,/0,/0,/0,/0,/0,/0,/1,/1,入/出,5、时序图：,6、功能分析：,CP,Q1,Q2,Y,Q3,1,2,3,4,5,6,7,8,电路实现7进制加法计数,是同步七进制加法计数器,例2：分析下图的逻辑功能（输入端悬空为1）：,解：1、驱动方程：,输出方程：,2、状态方程：,JK触发器的特性方程：,故得状态方程为：,3、状态转换表：,依次计算出各个次态，列出表格。,把电路的输入和各个初态代入状态方程和输出方程，算出电路的次态和输出，列出表格。 如初态为00：,当X=0：,当X=1：,4、状态转换图：,0/0,0/0,0/0,0/1,1/0,1/0,1/0,1/1,5、
5、时序图：,6、功能分析：二进制可逆计数器。,Q0,Q1,Z,一、分析异步时序逻辑电路的一般步骤：,1由逻辑图写每个触发器的CP方程、驱动方程和输出方程。,2把驱动方程代入每个触发器的特性方程，得到状态方程。,3根据CP方程、状态方程及输出方程，画出状态转换表、状态转换图和时序图。,4分析逻辑功能。,6.4 异步时序逻辑电路的分析,二、异步时序逻辑电路分析举例：,例1：分析下图的逻辑功能（输入端悬空为1）：,解：1、驱动方程：,2、状态方程：,D触发器的特性方程：,故得状态方程为：,输出方程：,CP方程:,3、状态转换表：,0 0,4、状态转换图：,0 1,1 0,1 1,1,1,0,0,0,0
6、,1,0,0,0,1,1,5、时序图：,6、功能分析：二进制减法计数器。,Q0,Q1,Z,CP,1,2,3,4,5,6,例2：分析图示时序电路,解：,该电路是异步,注：异步电路的分析应考虑时钟信号,1.驱动方程和时钟方程,2.状态方程,当时钟脉冲 跳变沿 到来时，方程成立 无时钟，保持原态,3、状态转换表：,计数脉冲CP,0,1,0,0,1,2,0,1,0,3,0,1,1,4,1,0,0,5,0,0,0,0,模5异步 计数器,4、时序图,五进制异步加法计数器,5、逻辑功能：,设初态 为：,000,6.3 同步时序逻辑电路的设计方法,一、设计时序逻辑电路的原则和一般步骤：,一般步骤：,原则：最简
7、（即使用的器件个数和种类最少）,1.逻辑抽象，得出状态转换图：,(1)分析逻辑问题，确定输入、输出变量及电路状态数。,(2)定义输入、输出变量含义，并将状态顺序编号。,(3)按要求画状态转换图。,如果状态转换图中有两个状态，在同样的输入下，转换到同一个次态，并有同样的输出，这两个状态为等价状态，等价状态可以合并为一个状态。,5.由驱动方程画逻辑图。,6.检查自启动。,2.状态化简：,3. 状态分配并选择触发器：,4. 写出状态方程、输出方程，再求驱动方程,如有M个状态，触发器个数n，应满足：,直到没有等价状态为止,对各个状态进行编码，列状态转换表。,二、同步时序逻辑电路设计举例：,例1：设计一
8、个序列脉冲检测器，要求：当连续输入信号110时，该电路输出为1。,解：1、逻辑抽象：电路有一个输入信号X，一个输出信号Z。,状态：未输入，输入一 个1，连续输入二个1， 输入110。分别用S0、 S1、S2、S3表示。,状态转换图：,2、状态化简：,容易看出：S0和S3等价，可合并。,3、状态分配：,由于只有3个状态，只要2个 二进制位表示即可。 以00表示S0，01表示S1，10表示S2。 列出状态转换表：,4、选择JK触发器:,由于JK触发器的特性方程为:,因此驱动方程为：,输出方程为:,需要2个JK触发器，其状态方程为：,5.由驱动方程画逻辑图:,6.检查自启动:,当X=0，Q1nQ0n
9、为11时，下一个CP脉冲之后，Q1Q0变为00， 当X=1，Q1nQ0n为11时，下一个CP脉冲之后，Q1Q0变为10。 因此，电路能自启动。,例2：设计一个自动售货机逻辑电路：一种商品1.5元，投币口可投入1元和0.5元硬币。投入1.5元给出该商品，投入2元给出该商品同时找0.5元。,解：1、逻辑抽象：取投入硬币的状态为输入变量：当投入一枚1元硬币时，A=1，否则，A=0当投入一枚0.5元硬币时，B=1，否则，B=0以给出商品和找钱为输出：给出商品时，X=1，否则，X=0找0.5元时，Y=1，否则，Y=0,投币前的状态为S0，投入0.5元硬币的状态为S1，投入1元硬币（包括2枚0. 5元硬币
10、）的状态为S2; S1时再投入0.5元硬币，则进入S1，X=0，Y=0；S1时再投入1元硬币或S2时投入0.5元硬币，则返回S0，且X=1，Y=0；S2时再投入1元硬币，则返回S0，且X=1，Y=1,状态转换图：,S0/00,S1/00,S2/00,S0/10,S1/00,S2/00,S0/11,S0/10,S0/10,S2/00,x/xx,状态转换表：,x/xx,2、状态分配：,由于只有3个状态，要2个二进制位来表示。用00表示S0， 01表示S1， 10表示S2 。列出状态转换表：,3、选择JK触发器:,1,1,1,Q1n+1,x,x,x,x,x,x,1,1,x,x,x,x,Q0n+1,x
11、,x,1,1,1,1,1,状态方程为:,输出方程为:,驱动方程为:,4、由驱动方程画逻辑图:,5、检查自启动:,例3：设计一个十三进制加法计数器，要求：13个计数脉冲输出1个高电平。,解：1、逻辑抽象：电路有一个输出信号Z。,有13个状态：S0、S1、S2、S3 、 S4、S5、S6、S7 、 S8、S9、S10、 S11、S12表示。,状态转换图：,2、状态分配：,由于有13个状态，要4个二进制位来表示。用0000到 1100分别表示S0到S12。并列出状态转换表：,3、选择JK触发器:,需要4个JK触发器，其状态方程为：,由于JK触发器的特性方程为:,因此驱动方程为：,输出方程为:,状态方
12、程为:,4、由驱动方程画逻辑图:,5、检查自启动:,Q3Q2Q1Q0为1110和1101时，下一个CP脉冲之后，都变为0010 ， Q3Q2Q1Q0为1111时，下一个CP脉冲之后，变为0000。 因此，电路能自启动。,例4：用D触发器设计一个五进制加法计数器，要求：5个计数脉冲输出1个高电平。,解：1、逻辑抽象：电路有一个输出信号Z。,2、写出状态方程、输出方程:,状态转换表：,状态方程为:,输出方程为:,由于D触发器的特性方程为:,因此驱动方程为：,3、由驱动方程画逻辑图:,4、检查自启动:,Q2Q1Q0为101时，下一个CP脉冲之后，变为010 ， Q2Q1Q0为110时，下一个CP脉冲
13、之后，变为010 ， Q2Q1Q0为111时，下一个CP脉冲之后，变为100。 因此，电路能自启动。,例5：设计电路控制红R、绿G、黄Y三个交通信号灯，使一个 工作循环内依次点亮：绿灯亮30秒、黄灯亮5秒、红灯亮30秒。,解：1、逻辑抽象：,只要输入CP=0.2Hz，则红灯占6个状态， 黄红灯占1个状态，绿红灯占6个状态，共计13个状态，故可以用一个13进制计数器来实现。,2、选择JK触发器:,需要4个JK触发器，其状态方程为：,其输出方程为：,由于JK触发器的特性方程为:,因此驱动方程为：,状态方程为:,4、由驱动方程画逻辑图:,5、检查自启动:,Q3Q2Q1Q0为1110和1101时，下一
14、个CP脉冲之后，都变为0010 ， Q3Q2Q1Q0为1111时，下一个CP脉冲之后，变为0000。 因此，电路能自启动。,1、 寄存器,寄存器是计算机或其他数字系统的主要部件之一，它用来暂时存放数据或代码。,四位数码寄存器,一、寄存器和移位寄存器,6.5 若干典型的时序逻辑集成电路,D0-D3：待存数据,Q0-Q3：输出数据,工作过程：CP脉冲到达后，将待存数据送至各D触发器。,集成寄存器74LS175的主要结构即是这样,p280介绍了74373,2、 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
15、存器 和 双向移位寄存器三种：,根据移位数据的输入输出方式，又可将它分为串行输入串行输出、串行输入并行输出、并行输入串行输出和并行输入并行输出四种电路结构：,串入串出,串入并出,并入串出,并入并出,四位并入 - 串出的左移寄存器,设A3A2A1A0 1011，在存数脉冲作用下，并行输入数据，使 Q3Q2Q1Q0 1011 。,下面将重点讨论 兰颜色的 那部分电路的工作原理。,D0 0,D1 Q0,D2 Q1,D3 Q2,1 0 1 1,0 1 1 0,0 1 1 0,1 1 0 0,1 1 0 0,1 0 0 0,1 0 0 0,0 0 0 0,0 0 0 0,0 0 0 0,0 0 0 0,0 0 0 0,并入初态 Q3Q2Q1Q0 1011,左移过程,用波形图表示如下：,并入初态Q3Q2Q1Q0 1011,四位串入 - 串出的左移寄存器：,“L”即需左移的输入数据.,数据由Q3 串行输出,四位串入 - 串出的右移寄存器：,“R”即需右移的输入数据,数据由Q0 串行输出,典型集成电路（p282）：74164,构成原理：既能左移又能右移。,给移位寄存器设置一个控制端如S，令S0 时左移；S1时右移即可。,典型集成电路(p285)：74194,双向移位寄存器,右移串行输入,左移串行输入,工作方式 控制,
