數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)三

《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》（第五版）教學(xué)課件

清華大學(xué)

閻石王紅聯(lián)系地址：清華大學(xué)自動(dòng)化系郵政編碼：100084電子信箱：wang_hong@聯(lián)系電話(huà)：(010)62792973第六章時(shí)序邏輯電路6.1概述一、時(shí)序邏輯電路的特點(diǎn)功能上：任一時(shí)刻的輸出不僅取決于該時(shí)刻的輸入，還與電路原來(lái)的狀態(tài)有關(guān)。例：串行加法器，兩個(gè)多位數(shù)從低位到高位逐位相加

2.電路結(jié)構(gòu)上

①包含存儲(chǔ)電路和組合電路 ②存儲(chǔ)器狀態(tài)和輸入變量共同決定輸出二、時(shí)序電路的一般結(jié)構(gòu)形式與功能描述方法可以用三個(gè)方程組來(lái)描述：三、時(shí)序電路的分類(lèi)1.同步時(shí)序電路與異步時(shí)序電路同步：存儲(chǔ)電路中所有觸發(fā)器的時(shí)鐘使用統(tǒng)一的clk,狀態(tài)變化發(fā)生在同一時(shí)刻異步：沒(méi)有統(tǒng)一的clk,觸發(fā)器狀態(tài)的變化有先有后2.Mealy型和Moore型Mealy型：Moore型：6.2時(shí)序電路的分析方法6.2.1同步時(shí)序電路的分析方法分析：找出給定時(shí)序電路的邏輯功能 即找出在輸入和CLK作用下，電路的次態(tài)和輸出。一般步驟：①?gòu)慕o定電路寫(xiě)出存儲(chǔ)電路中每個(gè)觸發(fā)器的驅(qū)動(dòng)方程（輸入的邏輯式），得到整個(gè)電路的驅(qū)動(dòng)方程。②將驅(qū)動(dòng)方程代入觸發(fā)器的特性方程，得到狀態(tài)方程。③從給定電路寫(xiě)出輸出方程。例：TTL電路6.2.2時(shí)序電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖、狀態(tài)機(jī)流程圖和時(shí)序圖一、狀態(tài)轉(zhuǎn)換表0000010001010001001100111000100101010111001100001111000100000100102010030110410005101061101700000111110000二、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖三、狀態(tài)機(jī)機(jī)流程圖（（StateMachineChart））四、時(shí)序圖圖例：（4）列狀狀態(tài)轉(zhuǎn)換表表：（5）狀態(tài)態(tài)轉(zhuǎn)換圖00011011001/010/011/000/1111/100/001/010/0*6.2.3異步步時(shí)序邏輯輯電路的分分析方法各觸發(fā)器的的時(shí)鐘不同同時(shí)發(fā)生例：TTL電路路6.3若若干常用的的時(shí)序邏輯輯電路6.3.1寄存器器和移位寄寄存器一、寄存器器①用于寄存一一組二值代代碼，N位位寄存器由由N個(gè)觸發(fā)發(fā)器組成，，可存放一一組N位二二值代碼。。②只要求其其中每個(gè)觸觸發(fā)器可置置1，置0。例1：例：用維-阻觸發(fā)器器結(jié)構(gòu)的74HC175二、移位寄寄存器（代代碼在寄存存器中左/右移動(dòng)））具有存儲(chǔ)+移位位功能器件實(shí)例：：74LS194A，左/右移，，并行輸入入，保持，，異步置零零等功能R’DS1S0工作狀態(tài)0XX置零100保持101右移110左移111并行輸入擴(kuò)展應(yīng)用（（4位8位）6.3.2計(jì)數(shù)數(shù)器用于計(jì)數(shù)、、分頻、定定時(shí)、產(chǎn)生生節(jié)拍脈沖沖等分類(lèi)：按時(shí)時(shí)鐘分，同同步、異步步按計(jì)數(shù)過(guò)程程中數(shù)字增增減分，加加、減和可可逆按計(jì)數(shù)器中中的數(shù)字編編碼分，二二進(jìn)制、二二-十進(jìn)制制和循循環(huán)碼…按計(jì)數(shù)容量量分，十進(jìn)進(jìn)制，六十十進(jìn)制…一、同步計(jì)計(jì)數(shù)器同步二進(jìn)制制計(jì)數(shù)器①同步二進(jìn)進(jìn)制加法計(jì)計(jì)數(shù)器原理：根據(jù)據(jù)二進(jìn)制加加法運(yùn)算規(guī)規(guī)則可知：：在多位二二進(jìn)制數(shù)末末位加1，，若第i位位以下皆為為1時(shí)，則則第i位應(yīng)應(yīng)翻轉(zhuǎn)。由此得出規(guī)規(guī)律，若用用T觸發(fā)器器構(gòu)成計(jì)數(shù)數(shù)器，則第第i位觸發(fā)發(fā)器輸入端端Ti的邏邏輯式應(yīng)為為：器件件實(shí)實(shí)例例：：74161工作狀態(tài)X0XXX置0（異步）10XX預(yù)置數(shù)（同步）X1101保持（包括C）X11X0保持（C=0）1111計(jì)數(shù)②同步步二二進(jìn)進(jìn)制制減減法法計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器原理理：：根根據(jù)據(jù)二二進(jìn)進(jìn)制制減減法法運(yùn)運(yùn)算算規(guī)規(guī)則則可可知知：：在在多多位位二二進(jìn)進(jìn)制制數(shù)數(shù)末末位位減減1，，若若第第i位位以以下下皆皆為為0時(shí)時(shí)，，則則第第i位位應(yīng)應(yīng)翻翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)。。由此此得得出出規(guī)規(guī)律律，，若若用用T觸觸發(fā)發(fā)器器構(gòu)構(gòu)成成計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器，，則則第第i位位觸觸發(fā)發(fā)器器輸輸入入端端Ti的的邏邏輯輯式式應(yīng)應(yīng)為為：：③同步步加加減減計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器加/減減計(jì)數(shù)數(shù)器器加/減計(jì)數(shù)數(shù)結(jié)結(jié)果果加/減減計(jì)數(shù)數(shù)器器計(jì)數(shù)數(shù)結(jié)結(jié)果果兩種種解解決決方方案案a.單單時(shí)時(shí)鐘鐘方方式式加/減減脈脈沖沖用用同同一一輸輸入入端端，，由加加/減減控控制制線(xiàn)線(xiàn)的的高高低低電電平平?jīng)Q決定定加加/減減器件件實(shí)實(shí)例例：：74LS191（（用用T觸觸發(fā)發(fā)器器））工作狀態(tài)X11X保持XX0X預(yù)置數(shù)(異步)010加計(jì)數(shù)011減計(jì)數(shù)b.雙雙時(shí)時(shí)鐘鐘方方式式器件件實(shí)實(shí)例例：：74LS193（（采采用用T’’觸觸發(fā)發(fā)器器，，即即T=1））2.同同步步十十進(jìn)進(jìn)制制計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器①加加法法計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器基本本原原理理：：在在四四位位二二進(jìn)進(jìn)制制計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器基基礎(chǔ)礎(chǔ)上上修修改改，，當(dāng)當(dāng)計(jì)計(jì)到到1001時(shí)時(shí)，，則則下下一一個(gè)個(gè)CLK電電路路狀狀態(tài)態(tài)回回到到0000。。能自自啟啟動(dòng)動(dòng)器件件實(shí)實(shí)例例：：74160工作狀態(tài)X0XXX置0（異步）10XX預(yù)置數(shù)（同步）X1101保持（包括C）X11X0保持（C=0）1111計(jì)數(shù)②減減法法計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器基本本原原理理：：對(duì)對(duì)二二進(jìn)進(jìn)制制減減法法計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器進(jìn)進(jìn)行行修修改改，，在在0000時(shí)時(shí)減減““1””后后跳跳變變?yōu)闉?001，，然然后后按按二二進(jìn)進(jìn)制制減減法法計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)就就行行了了。。能自自啟啟動(dòng)動(dòng)③十十進(jìn)進(jìn)制制可可逆逆計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器基本本原原理理一一致致，，電電路路只只用用到到0000~1001的的十十個(gè)個(gè)狀狀態(tài)態(tài)實(shí)例例器器件件單時(shí)時(shí)鐘鐘：：74190,168雙時(shí)時(shí)鐘鐘：：74192二.異異步步計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器1.二二進(jìn)進(jìn)制制計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器①異異步步二二進(jìn)進(jìn)制制加加法法計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器在末末位位+1時(shí)時(shí)，，從從低低位位到到高高位位逐逐位位進(jìn)進(jìn)位位方方式式工工作作。。原則則：：每每1位位從從““1””變變““0””時(shí)時(shí)，，向向高高位位發(fā)發(fā)出出進(jìn)進(jìn)位位，，使使高高位位翻翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)②異異步步二二進(jìn)進(jìn)制制減減法法計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器在末末位位-1時(shí)時(shí)，，從從低低位位到到高高位位逐逐位位借借位位方方式式工工作作。。原則則：：每每1位位從從““0””變變““1””時(shí)時(shí)，，向向高高位位發(fā)發(fā)出出進(jìn)進(jìn)位位，，使使高高位位翻翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)2、、異異步步十十進(jìn)進(jìn)制制加加法法計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器原理理：：在4位位二二進(jìn)進(jìn)制制異異步步加加法法計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器上上修修改改而而成成，，要跳跳過(guò)過(guò)1010~1111這這六六個(gè)個(gè)狀狀態(tài)態(tài)12345678910J=0J=1J=0J=K=1J=1J=0器件件實(shí)實(shí)例例：：二二－－五五－－十進(jìn)進(jìn)制制異異步步計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器74LS290三、、任任意意進(jìn)進(jìn)制制計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器的的構(gòu)構(gòu)成成方方法法用用已已有有的的N進(jìn)進(jìn)制制芯芯片片，，組組成成M進(jìn)進(jìn)制制計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器，，是是常常用用的的方方法法。。N進(jìn)進(jìn)制制M進(jìn)制制1.N>M原理理：：計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)循循環(huán)環(huán)過(guò)過(guò)程程中中設(shè)設(shè)法法跳跳過(guò)過(guò)N－－M個(gè)狀狀態(tài)態(tài)。。具體體方方法法：：置置零零法法置置數(shù)數(shù)法法例：：將將十十進(jìn)進(jìn)制制的的74160接接成成六六進(jìn)進(jìn)制制計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器異步步置置零零法法工作狀態(tài)X0XXX置0（異步）10XX預(yù)置數(shù)（同步）X1101保持（包括C）X11X0保持（C=0）1111計(jì)數(shù)例：：將將十十進(jìn)進(jìn)制制的的74160接接成成六六進(jìn)進(jìn)制制計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器異步步置置零零法法置數(shù)數(shù)法法(a)置置入入0000(b)置置入入10012.N<M①M(fèi)=N1×N2先用用前前面面的的方方法法分分別別接接成成N1和和N2兩兩個(gè)個(gè)計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器。。N1和和N2間間的的連連接接有有兩兩種種方方式式：：a.并并行行進(jìn)進(jìn)位位方方式式：：用用同同一一個(gè)個(gè)CLK，，低低位位片片的的進(jìn)進(jìn)位位輸輸出出作作為為高高位位片片的的計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)控控制制信信號(hào)號(hào)（（如如74160的的EP和和ET））b.串串行行進(jìn)進(jìn)位位方方式式：：低低位位片片的的進(jìn)進(jìn)位位輸輸出出作作為為高高位位片片的的CLK，，兩兩片片始始終終同同時(shí)時(shí)處處于于計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)狀狀態(tài)態(tài)例：：用用74160接接成成一一百百進(jìn)進(jìn)制制工作狀態(tài)X0XXX置0（異步）10XX預(yù)置數(shù)（同步）X1101保持（包括C）X11X0保持（C=0）1111計(jì)數(shù)例：：用用兩兩片片74160接接成成一一百百進(jìn)進(jìn)制制計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器并行進(jìn)位法串行進(jìn)位法②M不可可分分解解采用用整整體體置置零零和和整整體體置置數(shù)數(shù)法法：：先用用兩兩片片接成成M’’>M的計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器然后后再再采采用用置置零零或或置置數(shù)數(shù)的的方方法法例：：用用74160接接成成二二十十九九進(jìn)進(jìn)制制工作狀態(tài)X0XXX置0（異步）10XX預(yù)置數(shù)（同步）X1101保持（包括C）X11X0保持（C=0）1111計(jì)數(shù)例：：用用74160接接成成二二十十九九進(jìn)進(jìn)制制整體置零（異步）整體置數(shù)（同步）四、、移移位位寄寄存存器器型型計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器1.環(huán)環(huán)形形計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器2.扭扭環(huán)形計(jì)計(jì)數(shù)器五、計(jì)數(shù)數(shù)器應(yīng)用用實(shí)例例1，計(jì)計(jì)數(shù)器+譯碼器器→順序節(jié)節(jié)拍脈沖沖發(fā)生器器例2，計(jì)計(jì)數(shù)器+數(shù)據(jù)選選擇器→序列脈脈沖發(fā)生生器發(fā)生的序序列：000101116.4時(shí)時(shí)序邏邏輯電路路的設(shè)計(jì)計(jì)方法6.4.1同同步時(shí)序序邏輯電電路的設(shè)設(shè)計(jì)方法法設(shè)計(jì)的一一般步驟驟一、邏輯輯抽象，，求出狀狀態(tài)轉(zhuǎn)換換圖或狀狀態(tài)轉(zhuǎn)換換表1.確確定定輸入/輸出變變量、電電路狀態(tài)態(tài)數(shù)。2.定定義輸輸入/輸輸出邏輯輯狀態(tài)以以及每個(gè)個(gè)電路狀狀態(tài)的含含意，并并對(duì)電路路狀態(tài)進(jìn)進(jìn)行編號(hào)號(hào)。3.按按設(shè)計(jì)計(jì)要求列列出狀態(tài)態(tài)轉(zhuǎn)換表表，或畫(huà)畫(huà)出狀態(tài)態(tài)轉(zhuǎn)換圖圖。二、狀態(tài)態(tài)化簡(jiǎn)若兩個(gè)狀狀態(tài)在相相同的輸輸入下有有相同的的輸出，，并轉(zhuǎn)換換到同一一個(gè)次態(tài)態(tài)，則稱(chēng)稱(chēng)為等價(jià)價(jià)狀態(tài)；；等價(jià)狀狀態(tài)可以以合并。。三、狀態(tài)態(tài)分配（（編碼））1.確確定觸觸發(fā)器數(shù)數(shù)目。2.給給每個(gè)個(gè)狀態(tài)規(guī)規(guī)定一個(gè)個(gè)代碼。。（通常