数字电子技术基础 chapt05.ppt

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1、第五章 时序逻辑电路,5.1 概述 5.2 时序逻辑电路的分析方法 5.3 时序逻辑电路的设计方法 5.4 若干常用的时序逻辑电路,一、定义,电路任意时刻的输出信号不仅取决于该时刻的输入信号，还电路的原来状态有关。,5.1 概述（1）,组合逻辑电路,x1,xn,y1,z1,ym,q1,二、方框图：,存储电路,ql,zk,输入逻辑变量,输出逻辑变量,驱动变量,状态变量,5.1 概述（2）,y1=f1(x1,x2 , , xn , q1 , q2 , , ql) y2=f2(x1,x2 , , xn , q1 , q2 , , ql) . ym=fm(x1,x2 , , xn , q1 , q2

2、, , ql),Y=F(X,Q),三、逻辑方程 1、输出方程,5.1 概述（3）,z1=g1(x1,x2 , , xn , q1 , q2 , , ql) z2=g2(x1,x2 , , xn , q1 , q2 , , ql) . zk=gk(x1,x2 , , xn , q1 , q2 , , ql),Z=G(X,Q),2、驱动方程,5.1 概述（4）,q1n+1=h1(z1,z2 , , zn , q1n , q2n , , qln) q2n+1 =h2 (z1,z2 , , zn , q1n , q2n , , qln) . qln+1 =hl (z1,z2 , , zn , q1n

3、, q2n , , qln),Qn+1=H(Z, Qn),3、状态方程,5.1 概述（5）,四、时序逻辑电路的分类,1、根据存储电路中触发器的动作特点： 同步时序逻辑电路：所有触发器的状态在同一时刻发生变化 异步时序逻辑电路：触发器的状态不是在同一时刻发生变化,2、根据输出变量的特点： 米利型(Mealy)： 摩尔型(Moore) ：,Y=F(X,Q),Y=F(Q),5.1 概述（6）,一、分析方法的任务： 给定时序逻辑电路，找出其变化规律 二、步骤： 1、写出驱动方程 2、写出输出方程 3、求状态方程（把驱动方程代入触发器的特性方程） 4、计算状态转换表 5、画状态转换图 6、画时序图 7、

4、说明其逻辑功能,5.2 同步时序逻辑电路的分析方法(1),&,1,&,CP,Y,F1,F3,F2,1、写驱动方程,K1=1,J2=Q1,J3=Q1Q2,K3=Q2,例如、试分析如图所示时序逻辑电路,2、写输出方程,Y=Q2Q3,5.2 同步时序逻辑电路的分析方法(2),3、求状态方程（把驱动方程代入触发器的特性方程）,5.2 同步时序逻辑电路的分析方法(3),5.2 同步时序逻辑电路的分析方法(4),000,0010,001,0100,010,0110,011,1000,100,1010,101,1100,110,0001,111,0001,Y=Q2Q3,4、计算状态转换表,000,0010,

5、001,0100,010,0110,011,1000,100,1010,101,1100,110,0001,111,0001,0,0000,1,0010,2,0100,3,0110,4,1000,5,1010,6,1100,7,0001,5.2 同步时序逻辑电路的分析方法(5),000,0,001,0,010,0,011,0,100,0,101,0,110,1,111,1,5、画状态转换图,5.2 同步时序逻辑电路的分析方法(6),CP,0 0 0,1 0 0,0 1 0,1 1 0,0 0 1,1 0 1,0 1 1,0 0 0,1 0 0,0 1 0,6、画时序图,一、寄存器,寄存器是由触

6、发器组成的用来暂存一组二进制数码的逻辑部件，它是构成计算机CPU中最基本的逻辑部件,1、寄存器的功能： 清除数码 接收数码 暂存数码 输出数码 移位功能,5.3 若干常用时序逻辑电路(1),2、寄存器的工作模式,1）两拍接收工作模式 发清零脉冲 准备数据 发接收脉冲,5.3 若干常用时序逻辑电路(2),2）单拍接收工作模式 准备数据 发接收脉冲,5.3 若干常用时序逻辑电路(3),5.3 若干常用时序逻辑电路(4),D Q F0,D Q F1,D Q F2,D Q F3,CP,D0 D1 D2 D3,Q0 Q1 Q2 Q3,并入,并出,3）多位数码接收工作模式,4）串行移位接收工作模式,D Q

7、 F0,D Q F1,D Q F2,D Q F3,CPi=CP Di=Qi-1 D0=X,CP,Q0 Q1 Q2 Q3,X,串入并出,5.3 若干常用时序逻辑电路(5),5）环形移位工作模式,D Q F0,D Q F1,D Q F2,D Q F3,CPi=CP Di=Qi-1 D0=Qn-1,CP,5.3 若干常用时序逻辑电路(6),6）扭环形移位工作模式,D Q F0,D Q F1,D Q F2,D Q F3 Q,CPi= CP Di=Qi-1 D0=Qn-1,CP,5.3 若干常用时序逻辑电路(7),5.3 若干常用时序逻辑电路(8),1）数码寄存器,寄存数据输出端,并行数据输入端,送数脉

8、冲端,异步（直接）清零端,5.3 若干常用时序逻辑电路(9),74LS175功能表及说明,5.3 若干常用时序逻辑电路(10),寄存数据输出端,并行数据输入端,送数电平端,异步（直接）清零端,2）锁存器,5.3 若干常用时序逻辑电路(11),74LS116功能表及说明,5.3 若干常用时序逻辑电路(12),右移串行数码输入端,左移串行数码输入端,控制端,3）双向移位寄存器,5.3 若干常用时序逻辑电路(13),74LS194功能表及说明,5.3 若干常用时序逻辑电路(14),1）串行输入数据, ,01,1,1 ,1 1 ,0,0 1 1 ,1,1 0 1 1,4、寄存器的应用（1）,5.3 若

9、干常用时序逻辑电路(15),2）乘2运算,1 0 0 0,01,0,0 1 0 0,0 0 1 0,5.3 若干常用时序逻辑电路(16),3）除2运算, ,11,0,0 0 1 1,0 0 1 1,10,0 1 1 0,5.3 若干常用时序逻辑电路(17),4）环形移位寄存器,01,0001,0010,0100,1000,5.3 若干常用时序逻辑电路(18),5）扭环形移位寄存器,01,1,0000,5.3.2 计数器,计数器是用来记录脉冲数目的数字电路，它是构成数字设备的基本的逻辑部件，可用于定时、延时、分频等逻辑功能,二、计数器的分类： 按工作方式分：异步计数器，同步计数器 按编码方式分：

10、二进制计数器，二-十进制计数器，任意进制计数器 按工作特点分：加法计数器，减法计数器，可逆计数器,一、计数器的作用,5.3 若干常用时序逻辑电路(19),5.3 若干常用时序逻辑电路(20),CP0=CP，CP1=Q0，CP2=Q1 J=K=1，所有触发器均接成TF,三、异步计数器 1、二进制计数器 1）加法,0 0 0,1 0 0,0 1 0,1 1 0,0 0 1,1 0 1,0 1 1,1 1 1,0 0 0,1 0 0,fCP,异步,分频,fCP/2,fCP/4,fCP/8,5.3 若干常用时序逻辑电路(21),5.3 若干常用时序逻辑电路(22),J=K=1，所有触发器均接成TF,2

11、）减法,5.3 若干常用时序逻辑电路(23),3）异步二进制计数器的构造方法 二进制的位数与触发器的个数相同 触发器均接成TF CP0=CP,Qi-1,Qi-1,试用维持阻塞DF构成四位二进制加法计数器，画出电路图及状态转换图,5.3 若干常用时序逻辑电路(24),5.3 若干常用时序逻辑电路(25),2、十进制,0000,5.3 若干常用时序逻辑电路(26),中规模集成异步二-五-十进制计数器（74LS290）,5.3 若干常用时序逻辑电路(27),5.3 若干常用时序逻辑电路(28),*逻辑图与管脚,计数脉冲输入端 下降沿触发,异步清零端,异步置9端,5.3 若干常用时序逻辑电路(29),

12、1)R01=R02=1时，异步清零（Q3Q2Q1Q0=0000） 2）S91=S92=1时，异步置9（Q3Q2Q1Q0=1001） 3）CP0=CP，CP1悬空，Q0是一位二进制计数器（Q3Q2Q1保持不变） 4）CP1=CP，CP0悬空， Q3Q2Q1 是五进制计数器（ Q0保持不变）,Q3Q2Q1,*功能说明,4）CP0=CP，CP1=Q0， Q3Q2Q1 Q0是 一位十进制加法计数器,CP,5.3 若干常用时序逻辑电路(30),四、同步计数器 1、二进制计数器,1）加法 二进制的位数与触发器的个数相同 CPi=CP 触发器均接成TF T0=1,C=Q3Q2Q1Q0,5.3 若干常用时序逻

13、辑电路(31),2）减法,二进制的位数与触发器的个数相同 CPi=CP 触发器均接成TF T0=1,5.3 若干常用时序逻辑电路(32),5.3 若干常用时序逻辑电路(33),A、单时钟,3）可逆计数器,5.3 若干常用时序逻辑电路(34),触发器接成TF,B、双时钟,5.3 若干常用时序逻辑电路(35),1）逻辑图与管脚,计数脉冲输入端,计数状态输出端,进位脉冲输出端 C=Q3Q2Q1Q0,控制端,异步清零端,同步置数控制端,并行输入数据端,2、中规模集成同步四位二进制加法计数器,5.3 若干常用时序逻辑电路(36),0,异步清零,Qi=0，C=0,1,0,同步预置数,1 1 1 1,计数

14、二进制加法,1 1 1 0,保持,1 1 0 ,保持,2）功能表及说明,3）四位二进制计数器状态转换图,0000,5.3 若干常用时序逻辑电路(37),5.3 若干常用时序逻辑电路(38),1）逻辑图与管脚,进位脉冲输出端 C=Q3Q0,3、同步十进制加法计数器（74LS160）,5.3 若干常用时序逻辑电路(39),0,异步清零,Qi=0，C=0,1,0,同步预置数,1 1 1 1,计数 十进制加法,1 1 1 0,保持,1 1 0 ,保持,2）功能表及说明,3）计数器状态转换图（十进制加法）,0000,5.3 若干常用时序逻辑电路(40),5.3 若干常用时序逻辑电路(41),1）逻辑图与

15、管脚,进位/借位脉冲输出端,控制端,加/减计数控制端,异步置数控制端,级联输出端,4、同步十进制可逆计数器（74LS190）,5.3 若干常用时序逻辑电路(42),0 ,异步预置数,C=Q3Q0,1 0 0,同步十进制加法,1 0 1,同步十进制减法,1 1 ,保持,2）功能表及说明,3）计数器状态转换图（十进制减法）,0000,5.3 若干常用时序逻辑电路(43),五、用MSI构成N进制计数器的方法 1、基本原理：假设已有一M进制计数器，要得到一N进制计数器，只要NM，即可令M进制计数器在顺序计数过程中跳跃M-N个状态可得到N进制计数器,S0,S1,SN-1,SN,SM-1,5.3 若干常用

16、时序逻辑电路(44),例：试用74LS161设计一个十进制计数器,0000,1011,1010,1001,1000,0111,0110,0101,0100,0011,0010,0001,1111,1110,1101,1100,作用态 暂态,5.3 若干常用时序逻辑电路(45),5.3 若干常用时序逻辑电路(46),2、基本方法 1）异步清零法（异步置数法） 2）同步置数法（任意值、最大值、最小值） 3、级联构成任意进制计数器,5.3 若干常用时序逻辑电路(47),一、时序逻辑电路的设计的任务 要求设计者根据给出的具体逻辑问题，求出实现这一逻辑功能的逻辑电路。 二、时序逻辑电路的设计的原则 所得

17、到的设计电路结果应力求简单。 SSI设计：电路最简的标准是所用的触发器和门电路的数目最少，而且触发器和门电路的输入端数目也最少 MSI设计：电路最简的标准则是使用的集成电路数目最少，种类最少。而且互相间的连线也最少。,5.4 时序逻辑电路的设计方法(1),5.4 时序逻辑电路的设计方法,三、同步时序逻辑电路的设计步骤 1）逻辑抽象 a.分析给定的逻辑问题,确定输入变量、输出变量以及 电路的状态数。 b.定义输入、输出变量和状态的含义，并将电路状态顺序编号 c.按照题意列出电路的状态转换表或画出电路的状态转换图。 2）状态化简 若两个电路状态在相同的输入下有相同的输出，并且转换到同样一个次态。则

18、称这两个状态为等价状态。显然等价状态是重复的，可以合并为一个。,5.4 时序逻辑电路的设计方法(2),3）状态分配 用状态变量表示电路的状态的过程 首先，需要确定状态变量的数目n。因为n个状态变量共有2n种状态组合，所以为获得时序电路所需的M个状态，必须取 2n-1M2n 4）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 5）根据驱动方程和输出方程画出电路图 6）检查设计的电路能否自启动,5.4 时序逻辑电路的设计方法(3),举例：试设计一个自动售火柴的机器,1、逻辑抽象 A：0 末投入2分币 1 投入2分币 B：0 末投入1分币 1 投入1分币 Y：0 不给火柴 1 给火柴 Z：

19、0 不找1分钱 1 找1分钱,S0：末投1分钱 S1：已投1分钱 S2：已投2分钱,5.4 时序逻辑电路的设计方法(4),5.4 时序逻辑电路的设计方法(5),S0,S1,S2,列状态转换图,2、状态分配,Q1 Q0 S0: 0 0 S1: 0 1 S2: 1 0,5.4 时序逻辑电路的设计方法(6),5.4 时序逻辑电路的设计方法(7),3、列次态卡诺图,5.4 时序逻辑电路的设计方法(8),4、求状态方程、驱动方程（1）,5.4 时序逻辑电路的设计方法(9),4、求状态方程、驱动方程（2）,5.4 时序逻辑电路的设计方法(10),1,1,0,1,0,0,0,0,0,AB,Q1Q0,00 0

20、1 11 10,00 01 11 10,Y,5、求输出方程（1）,5.4 时序逻辑电路的设计方法(11),1,0,0,0,0,0,0,0,0,AB,Q1Q0,00 01 11 10,00 01 11 10,Z,5、求输出方程（2）,5.4 时序逻辑电路的设计方法(12),举例： 1、例541注意时序逻辑电路卡诺图的表示方法。 2、例542中逻辑抽象过程及状态转换表，特别是状态化简的处理是重点。 3、例543中自启动能力的分析。,5.4 时序逻辑电路的设计方法(13),数字系统的分析与设计(习题课) (1),1、异步时序逻辑电路的分析方法:使学生掌握多时钟数字系统的分析-时序图分析法. 异步时序

21、电路的分析方法和同步时序电路的分析方法有所不同。在异步时序电路中，每次电路状态发生转换时并不是所有触发器都有时钟信号。只有那些有时钟信号的触发器才需要用特性方程去计算次态，而没有时钟信号的触发器将保持原来的状态不变。因此，分析异步时序电路比分析同步时序电路要复杂。利用时序图法分析，有助于理解异步时序电路的工作过程，同时简化分析。 见P222 题4.2.1.,2、数字系统的分析方法：使学生掌握由时序MSI和组合MSI组成的数字系统的分析方法。 虽然时序逻辑电路与组合逻辑电路有各自不同的特点,但在数字系统中两类电路并非完全隔离，往往需要相互连接组成完整系统。因此，需要学生掌握综合性数字系统分析的能力。 1）时序逻辑电路MSI+组合逻辑电路MSI 如P305 图5.3.56.的 2）组合逻辑电路MSI+时序逻辑电路MSI 如P305 题5.20,数字系统的分析与设计(习题课) (2),3）数字系统的设计方法:使学生掌握用MSI设计数字系统的方法-模块化设计方法 数字系统往往功能要求复杂、组成器件繁多。设计数字系统除了用到前面讲过的设计步骤，而且需要使用一些系统设计的方法。模块化设计方法是一种较常用的方法，它首先是把大的数字系统分成若干功能模块，再单独设计各模块的电路，最后连接各模块电路。 见P305题5.23、题4.24,数字系统的分析与设计(习题课) (3),