清華數(shù)字電路課件第六章時(shí)序邏輯電路6.4時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)方法.ppt

1、2020/12/5,數(shù)電,5.4 時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)方法,5.4.1 同步時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)方法,步驟：,一 邏輯抽象，得出電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖或狀態(tài)轉(zhuǎn)換表,1.分析給定的邏輯問(wèn)題，確定輸入變量、輸出變量以及電路的狀態(tài)數(shù)。通常取原因（或條件）作為輸入邏輯變量，取結(jié)果作輸出邏輯變量；,2.定義輸入、輸出邏輯狀態(tài)和每個(gè)電路狀態(tài)的含義，并將電路狀態(tài)順序編號(hào)；,3.按照題意列出電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表或畫(huà)出電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。,二 狀態(tài)化簡(jiǎn),若兩個(gè)電路狀態(tài)在相同的輸入下有相同的輸出，并且轉(zhuǎn)換到同樣的一個(gè)狀態(tài)去，則稱這兩個(gè)狀態(tài)為等價(jià)狀態(tài)。等價(jià)狀態(tài)可以合并，這樣設(shè)計(jì)的電路狀態(tài)數(shù)少，電路越簡(jiǎn)。,2020/12/5,數(shù)電,

2、三 狀態(tài)分配,狀態(tài)分配也叫狀態(tài)編碼,a.確定觸發(fā)器的數(shù)目；b.確定電路的狀態(tài)數(shù),應(yīng)滿足2n1M2n; c.進(jìn)行狀態(tài)編碼，即將電路的狀態(tài)和觸發(fā)器狀態(tài)組合對(duì)應(yīng)起來(lái)。,四 選定觸發(fā)器的類型，求出電路的狀態(tài)方程、驅(qū)動(dòng)方程和輸出方程,a. 選定觸發(fā)器的類型；b. 由狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖（或狀態(tài)轉(zhuǎn)換表）和選定的狀態(tài)編碼、觸發(fā)器的類型，寫(xiě)出電路的狀態(tài)方程、驅(qū)動(dòng)方程和輸出方程。,五 根據(jù)得到的方程式畫(huà)出邏輯圖,六 檢查設(shè)計(jì)的電路能否自啟動(dòng),若電路不能自啟動(dòng)，則應(yīng)采取下面措施：a. 通過(guò)預(yù)置數(shù)將電路狀態(tài)置成有效循環(huán)狀態(tài)中；b. 通過(guò)修改邏輯設(shè)計(jì)加以解決。,2020/12/5,數(shù)電,同步時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)過(guò)程框圖如圖5.4.

3、1所示。,例5.4.1 試設(shè)計(jì)一個(gè)帶有進(jìn)位輸出端的十三進(jìn)制計(jì)數(shù)器。,解：,由于電路沒(méi)有輸入變量，故屬于穆?tīng)栃屯綍r(shí)序電路。設(shè)進(jìn)位輸出信號(hào)為C，有進(jìn)位輸出為C1,無(wú)進(jìn)位輸出時(shí)C0。,根據(jù)題意，M13,其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖可示意為圖5.4.2所示。,2020/12/5,數(shù)電,由于M13,故應(yīng)取n=4，取其中的13個(gè)狀態(tài)，不能再簡(jiǎn)化。按十進(jìn)制數(shù)取00001100十三個(gè)狀態(tài),其狀態(tài)表為,2020/12/5,數(shù)電,其各輸出次態(tài)的卡諾圖如下,各輸出端的卡諾圖如下,2020/12/5,數(shù)電,則可寫(xiě)出電路的狀態(tài)方程和輸出方程為,若選用JK觸發(fā)器，則由于其特性方程為,故應(yīng)把上述狀態(tài)方程化為JK觸發(fā)器特性方程的標(biāo)準(zhǔn)形式，

4、即,2020/12/5,數(shù)電,則可得出各觸發(fā)器的驅(qū)動(dòng)方程為,2020/12/5,數(shù)電,由驅(qū)動(dòng)方程可畫(huà)出十三進(jìn)制計(jì)數(shù)器的邏輯電路，如圖5.4.2所示,2020/12/5,數(shù)電,最后，檢查能否自啟動(dòng)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如下,故電路可以自啟動(dòng)。,2020/12/5,數(shù)電,例5.4.2 設(shè)計(jì)一個(gè)串行數(shù)據(jù)檢測(cè)器。對(duì)它的要求是：連續(xù)輸入3個(gè)或3個(gè)以上的1時(shí)輸出為1,其它情況下輸出為0.,解：設(shè)輸入數(shù)據(jù)為輸入變量，用X表示；檢測(cè)結(jié)果為輸出變量，用Y表示，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換表為,其中S0為沒(méi)有1輸入的以前狀態(tài)，S1為輸入一個(gè)1以后的狀態(tài)，S2為輸入兩個(gè)1以后的狀態(tài)，S3為連續(xù)輸入3個(gè)或3個(gè)以上1的狀態(tài)。,由狀態(tài)表可以看出，

5、S2和S3為等價(jià)狀態(tài)，可以合并成一個(gè)。,2020/12/5,數(shù)電,其化簡(jiǎn)后狀態(tài)圖為,由于電路的狀態(tài)為3個(gè)，故M3,應(yīng)取觸發(fā)器的數(shù)目為n2.,取00、01和10分別對(duì)應(yīng)S0、S1和S3,若選定的觸發(fā)器為JK觸發(fā)器，則其輸出端的卡諾圖為,分開(kāi)的卡諾圖為,2020/12/5,數(shù)電,化簡(jiǎn)后電路的狀態(tài)方程為,可得驅(qū)動(dòng)方程為,輸出方程為,其對(duì)應(yīng)的邏輯電路如圖5.4.3所示,2020/12/5,數(shù)電,其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖為,由狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖可知，此電路可以自啟動(dòng)。由于電路有輸入信號(hào)，故為米利型時(shí)序邏輯電路。,例5.4.3 設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)售貨飲料機(jī)的邏輯電路。它的投幣口每次只能投入一枚五角或一元的硬幣。投入一元五角錢(qián)硬幣后

6、機(jī)器自動(dòng)給出一杯飲料；投入兩元（兩枚一元）硬幣后，在給出飲料的同時(shí)找回一枚五角的硬幣。,解：設(shè)投幣信號(hào)為輸入變量A和B，投入一枚一元硬幣時(shí)為A1.否則為A0;投入一枚五角硬幣時(shí)為B1,否則為B0；輸出為Y和Z，給出飲料為Y1,否則為Y0;找回一枚五角硬幣時(shí)為Z1,否則為Z0.,2020/12/5,數(shù)電,則其狀態(tài)轉(zhuǎn)換表為,設(shè)S0為未投幣電路的初始狀態(tài)，S1為投入五角硬幣后的狀態(tài)，S2為投入一元硬幣（包括一枚一元硬幣和兩枚五角硬幣）后的狀態(tài)。,對(duì)應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖為,注：由于實(shí)際中不可能同時(shí)投入一枚一元硬幣和五角硬幣，故AB11的情況不出現(xiàn)，做約束項(xiàng)處理。,2020/12/5,數(shù)電,設(shè)S0、S1和S2

7、分別用00、01和10表示，則取觸發(fā)器的位數(shù)為M3,則電路的次態(tài)/輸出的卡諾圖為,分解成觸發(fā)器輸出狀態(tài)和輸出端的卡諾圖為,2020/12/5,數(shù)電,若選用D觸發(fā)器，則電路的狀態(tài)方程為,驅(qū)動(dòng)方程為,輸出方程為,根據(jù)驅(qū)動(dòng)方程和輸出方程可畫(huà)出實(shí)現(xiàn)的邏輯電路，如書(shū)286圖5.4.17所示.,2020/12/5,數(shù)電,電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖為,注：當(dāng)電路進(jìn)入到無(wú)效狀態(tài)11時(shí)，不能自動(dòng)進(jìn)入有效循環(huán)，故此電路不能自啟動(dòng)。另外對(duì)于AB01或AB10雖然能進(jìn)入到有效循環(huán)中，但收費(fèi)結(jié)果是錯(cuò)的。故電路應(yīng)加入異步置零端 將電路置為00狀態(tài)。,2020/12/5,數(shù)電,* 5.4.2 時(shí)序邏輯電路的自啟動(dòng)設(shè)計(jì),前一節(jié)的時(shí)序電

8、路設(shè)計(jì)中，電路的自啟動(dòng)檢查是在最后一步進(jìn)行的，如果不能自啟動(dòng)，還要返回來(lái)從新修改設(shè)計(jì)。如果在設(shè)計(jì)過(guò)程中能夠考慮自啟動(dòng)的問(wèn)題，就可以省略檢查自啟動(dòng)這一步驟了。,例5.4.4 設(shè)計(jì)一七進(jìn)制計(jì)數(shù)器，要求它能夠自啟動(dòng)。已知該計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖及狀態(tài)編碼如圖5.4.4所示。,解：,由所給的狀態(tài)圖得出電路次態(tài)的卡諾圖為,2020/12/5,數(shù)電,各個(gè)輸出端的卡諾圖為,則輸出端的狀態(tài)方程為,由于進(jìn)位信號(hào)是在011狀態(tài)譯出，故輸出方程為,2020/12/5,數(shù)電,注意：,在上述合并1中，如果將項(xiàng)圈入，則當(dāng)作1處理；否則作0處理。這就是無(wú)形中給無(wú)效狀態(tài)（）指定了次態(tài)。如果想電路自啟動(dòng)，必須是無(wú)效狀態(tài)的次態(tài)應(yīng)改為

9、有效狀態(tài)。,前面所得的電路狀態(tài)方程都是沒(méi)包含，也就是將它取成000,仍是無(wú)效狀態(tài)，電路則不會(huì)自啟動(dòng)。如果將取成有效狀態(tài)則電路就會(huì)自啟動(dòng)。若修改Q2n1的卡諾圖如下,那么電路的狀態(tài)方程改為,若由JK觸發(fā)器構(gòu)成，則應(yīng)將上述狀態(tài)方程改寫(xiě)成JK觸發(fā)器特性方程的標(biāo)準(zhǔn)形式，即,2020/12/5,數(shù)電,則驅(qū)動(dòng)方程為,根據(jù)驅(qū)動(dòng)方程和輸出方程可畫(huà)出七進(jìn)制計(jì)數(shù)器的邏輯電路如圖5.4.5所示。,2020/12/5,數(shù)電,它的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖為,故電路可以自啟動(dòng)。,注：修改輸出端邏輯式時(shí)，也可以修改其它兩端，這視得到的狀態(tài)方程最簡(jiǎn)而定。,2020/12/5,數(shù)電,例5.4.5 設(shè)計(jì)一個(gè)能自啟動(dòng)的3位環(huán)形計(jì)數(shù)器。要求它的有

10、效循環(huán)狀態(tài)為100010 001 100.,注意：在無(wú)效狀態(tài)不止一個(gè)的情況下，為保證電路能夠自啟動(dòng)，必須使每個(gè)無(wú)效狀態(tài)都能直接或間接地轉(zhuǎn)為某一有效狀態(tài)。,解：,根據(jù)題目要求可得電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和電路次態(tài)的卡諾圖為,分解卡諾圖，得出各輸出端的卡諾圖為,2020/12/5,數(shù)電,則最簡(jiǎn)的電路狀態(tài)方程為,按照上式得到的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖為,顯然按照上面的狀態(tài)方程設(shè)計(jì)的電路是不能自啟動(dòng)的。,2020/12/5,數(shù)電,由下面的狀態(tài)表可以看出,在化簡(jiǎn)狀態(tài)方程的同時(shí)，每個(gè)無(wú)效的次態(tài)已經(jīng)確定了，其卡諾圖變成：,2020/12/5,數(shù)電,應(yīng)該修改狀態(tài)方程，以實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng),為了保持移位寄存器內(nèi)部結(jié)構(gòu)不變，應(yīng)只修改第一位觸發(fā)

11、器的輸入，故通過(guò)修改每個(gè)無(wú)效的Q1的次態(tài)，使它們的次態(tài)進(jìn)入到有效狀態(tài)。,Q1n1的卡諾圖修改為,則電路的次態(tài)的卡諾圖變?yōu)?2020/12/5,數(shù)電,修改后電路的狀態(tài)方程為,若用D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)這個(gè)計(jì)數(shù)器，其驅(qū)動(dòng)方程為,根據(jù)上式畫(huà)出的邏輯電路如圖5.4.6所示,2020/12/5,數(shù)電,*5.4.3異步時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)方法,由于異步時(shí)序電路中的觸發(fā)器不是同時(shí)動(dòng)作的，所以在設(shè)計(jì)異步時(shí)序電路時(shí)除了需要完成設(shè)計(jì)同步時(shí)序電路所需步驟外，還要為每個(gè)觸發(fā)器選定合適的時(shí)鐘信號(hào)。,例5.4.6 試設(shè)計(jì)一個(gè)8421編碼的異步十進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器，并要求所設(shè)計(jì)的電路能自啟動(dòng)。,解：,根據(jù)題意8421編碼地異步十進(jìn)制減法計(jì)

12、數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表及狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖為,2020/12/5,數(shù)電,由于對(duì)應(yīng)十個(gè)狀態(tài)是必不可少的，因此不需進(jìn)行化簡(jiǎn)。,若選定觸發(fā)器的類型為JK觸發(fā)器，則需選定各個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)。為觸發(fā)器挑選時(shí)鐘信號(hào)的原則為：1.觸發(fā)器的狀態(tài)應(yīng)該翻轉(zhuǎn)時(shí)必須有時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生（上升沿或下降沿）；2.觸發(fā)器的狀態(tài)不應(yīng)翻轉(zhuǎn)時(shí)，“多余的”時(shí)鐘信號(hào)越少越好，有利于觸發(fā)器狀態(tài)方程和驅(qū)動(dòng)方程的化簡(jiǎn)。,由狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖畫(huà)出電路的時(shí)序圖為,由時(shí)序圖可得，第一個(gè)觸發(fā)器FF1的時(shí)鐘是和計(jì)數(shù)脈沖CP相聯(lián)；第二個(gè)觸發(fā)器實(shí)在Q0上升沿翻轉(zhuǎn)，故對(duì)于下降沿翻轉(zhuǎn)的JK觸發(fā)器，其時(shí)鐘CP1應(yīng)接在 ；同理第三個(gè)觸發(fā)器的CP2應(yīng)接在 ；第四個(gè)觸發(fā)器應(yīng)與 相接。,2020/12/5,數(shù)電,為了得到電路的狀態(tài)方程，應(yīng)做出電路次態(tài)的卡諾圖。由狀態(tài)轉(zhuǎn)換表可得,分解成各輸出端次態(tài)卡諾圖為,2020/12/5,數(shù)電,則由各輸出端次態(tài)的卡諾圖可得出電路的狀態(tài)方程為,注：在上面各次態(tài)的卡諾圖中，