清華數(shù)字電子技術(shù)

清華數(shù)字電子技術(shù)第1頁/共65頁6.1概述一、時序邏輯電路的特點功能上：任一時刻的輸出不僅取決于該時刻的輸入，還與電路原來的狀態(tài)有關(guān)。例：串行加法器，兩個多位數(shù)從低位到高位逐位相加

2.電路結(jié)構(gòu)上

①包含存儲電路和組合電路 ②存儲器狀態(tài)和輸入變量共同決定輸出第2頁/共65頁二、時序電路的一般結(jié)構(gòu)形式與功能描述方法第3頁/共65頁可以用三個方程組來描述：第4頁/共65頁三、時序電路的分類1.同步時序電路與異步時序電路同步：存儲電路中所有觸發(fā)器的時鐘使用統(tǒng)一的clk,狀態(tài)變化發(fā)生在同一時刻異步：沒有統(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：第5頁/共65頁6.2時序電路的分析方法6.2.1同步時序電路的分析方法分析：找出給定時序電路的邏輯功能 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從給定電路寫出存儲電路中每個觸發(fā)器的驅(qū)動方程（輸入的邏輯式），得到整個電路的驅(qū)動方程。②將驅(qū)動方程代入觸發(fā)器的特性方程，得到狀態(tài)方程。③從給定電路寫出輸出方程。第6頁/共65頁例：TTL電路第7頁/共65頁6.2.2時序電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖、狀態(tài)機流程圖和時序圖一、狀態(tài)轉(zhuǎn)換表0000010001010001001100111000100101010111001100001111000100000100102010030110410005101061101700000111110000第8頁/共65頁二、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖第9頁/共65頁三、狀態(tài)機流程圖（StateMachineChart）第10頁/共65頁四、時序圖第11頁/共65頁例：第12頁/共65頁（4）列狀態(tài)轉(zhuǎn)換表：（5）狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖00011011001/010/011/000/1111/100/001/010/0第13頁/共65頁*6.2.3異步時序邏輯電路的分析方法各觸發(fā)器的時鐘不同時發(fā)生例：TTL電路第14頁/共65頁6.3若干常用的時序邏輯電路6.3.1寄存器和移位寄存器一、寄存器①用于寄存一組二值代碼，N位寄存器由N個觸發(fā)器組成，可存放一組N位二值代碼。②只要求其中每個觸發(fā)器可置1，置0。例1：第15頁/共65頁例：用維-阻觸發(fā)器結(jié)構(gòu)的74HC175第16頁/共65頁二、移位寄存器（代碼在寄存器中左/右移動）具有存儲+移位功能第17頁/共65頁第18頁/共65頁器件實例：74LS194A，左/右移，并行輸入，保持，異步置零等功能第19頁/共65頁R’DS1S0工作狀態(tài)0XX置零100保持101右移110左移111并行輸入

第20頁/共65頁擴展應(yīng)用（4位8位）第21頁/共65頁6.3.2計數(shù)器用于計數(shù)、分頻、定時、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖等分類：按時鐘分，同步、異步 按計數(shù)過程中數(shù)字增減分，加、減和可逆 按計數(shù)器中的數(shù)字編碼分，二進制、二-十進制和 循環(huán)碼…

按計數(shù)容量分，十進制，六十進制…第22頁/共65頁一、同步計數(shù)器同步二進制計數(shù)器①同步二進制加法計數(shù)器原理：根據(jù)二進制加法運算規(guī)則可知：在多位二進制數(shù)末位加1，若第i位以下皆為1時，則第i位應(yīng)翻轉(zhuǎn)。由此得出規(guī)律，若用T觸發(fā)器構(gòu)成計數(shù)器，則第i位觸發(fā)器輸入端Ti的邏輯式應(yīng)為：第23頁/共65頁第24頁/共65頁器件實例：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計數(shù)第25頁/共65頁②同步二進制減法計數(shù)器原理：根據(jù)二進制減法運算規(guī)則可知：在多位二進制數(shù)末位減1，若第i位以下皆為0時，則第i位應(yīng)翻轉(zhuǎn)。由此得出規(guī)律，若用T觸發(fā)器構(gòu)成計數(shù)器，則第i位觸發(fā)器輸入端Ti的邏輯式應(yīng)為：第26頁/共65頁③同步加減計數(shù)器加/減計數(shù)器加/減計數(shù)結(jié)果加/減計數(shù)器計數(shù)結(jié)果兩種解決方案第27頁/共65頁a.單時鐘方式加/減脈沖用同一輸入端，由加/減控制線的高低電平?jīng)Q定加/減器件實例：74LS191（用T觸發(fā)器）工作狀態(tài)X11X保持XX0X預(yù)置數(shù)(異步)010加計數(shù)011減計數(shù)第28頁/共65頁b.雙時鐘方式器件實例：74LS193（采用T’觸發(fā)器，即T=1）第29頁/共65頁2.同步十進制計數(shù)器①加法計數(shù)器

基本原理：在四位二進制計數(shù)器基礎(chǔ)上修改，當(dāng)計到1001時，則下一個CLK電路狀態(tài)回到0000。第30頁/共65頁能自啟動第31頁/共65頁器件實例：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計數(shù)第32頁/共65頁②減法計數(shù)器基本原理：對二進制減法計數(shù)器進行修改，在0000時減“1”后跳變?yōu)?001，然后按二進制減法計數(shù)就行了。第33頁/共65頁能自啟動第34頁/共65頁③十進制可逆計數(shù)器基本原理一致，電路只用到0000~1001的十個狀態(tài)實例器件單時鐘：74190,168雙時鐘：74192第35頁/共65頁二.異步計數(shù)器1.二進制計數(shù)器①異步二進制加法計數(shù)器在末位+1時，從低位到高位逐位進位方式工作。原則：每1位從“1”變“0”時，向高位發(fā)出進位，使高位翻轉(zhuǎn)第36頁/共65頁②異步二進制減法計數(shù)器在末位-1時，從低位到高位逐位借位方式工作。原則：每1位從“0”變“1”時，向高位發(fā)出進位，使高位翻轉(zhuǎn)第37頁/共65頁2、異步十進制加法計數(shù)器原理：在4位二進制異步加法計數(shù)器上修改而成，要跳過1010~1111這六個狀態(tài)12345678910J=0J=1J=0J=K=1J=1J=0第38頁/共65頁器件實例：二－五－十進制異步計數(shù)器74LS290第39頁/共65頁三、任意進制計數(shù)器的構(gòu)成方法

用已有的N進制芯片，組成M進制計數(shù)器，是常用的方法。N進制M進制第40頁/共65頁1.N>M原理：計數(shù)循環(huán)過程中設(shè)法跳過N－M個狀態(tài)。具體方法：置零法置數(shù)法第41頁/共65頁例：將十進制的74160接成六進制計數(shù)器異步置零法工作狀態(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計數(shù)第42頁/共65頁例：將十進制的74160接成六進制計數(shù)器異步置零法第43頁/共65頁第44頁/共65頁置數(shù)法

(a)置入0000

(b)置入1001第45頁/共65頁2.N<M①M=N1×N2先用前面的方法分別接成N1和N2兩個計數(shù)器。N1和N2間的連接有兩種方式：a.并行進位方式：用同一個CLK，低位片的進位輸出作為高位片的計數(shù)控制信號（如74160的EP和ET）b.串行進位方式：低位片的進位輸出作為高位片的CLK，兩片始終同時處于計數(shù)狀態(tài)第46頁/共65頁例：用74160接成一百進制

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計數(shù)第47頁/共65頁例：用兩片74160接成一百進制計數(shù)器并行進位法串行進位法第48頁/共65頁②M不可分解采用整體置零和整體置數(shù)法：先用兩片接成M’>M的計數(shù)器然后再采用置零或置數(shù)的方法第49頁/共65頁例：用74160接成二十九進制

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計數(shù)第50頁/共65頁例：用74160接成二十九進制整體置零（異步）整體置數(shù)（同步）第51頁/共65頁四、移位寄存器型計數(shù)器1.環(huán)形計數(shù)器第52頁/共65頁2.扭環(huán)形計數(shù)器第53頁/共65頁五、計數(shù)器應(yīng)用實例例1，計數(shù)器+譯碼器→順序節(jié)拍脈沖發(fā)生器第54頁/共65頁例2，計數(shù)器+數(shù)據(jù)選擇器→序列脈沖發(fā)生器發(fā)生的序列：00010111第55頁/共65頁6.4時序邏輯電路的設(shè)計方法6.4.1同步時序邏輯電路的設(shè)計方法設(shè)計的一般步驟一、邏輯抽象，求出狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖或狀態(tài)轉(zhuǎn)換表1.確定輸入/輸出變量、電路狀態(tài)數(shù)。2.定義輸入/輸出邏輯狀態(tài)以及每個電路狀態(tài)的含意，并對電路狀態(tài)進行編號。3.按設(shè)計要求列出狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，或畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。二、狀態(tài)化簡若兩個狀態(tài)在相同的輸入下有相同的輸出，并轉(zhuǎn)換到同一個次態(tài)，則稱為等價狀態(tài)；等價狀態(tài)可以合并。第56頁/共65頁三、狀態(tài)分配（編碼）1.確定觸發(fā)器數(shù)目。2.給每個狀態(tài)規(guī)定一個代碼。（通常編碼的取法、排列順序都依照一定的規(guī)律）四、選定觸發(fā)器類型求出狀態(tài)方程，驅(qū)動方程，輸出方程。五、畫出邏輯圖六、檢查自啟動第57頁/共65頁例：設(shè)計一個串行數(shù)據(jù)檢測器，要求在連續(xù)輸入三個或三個以上“1”時輸出為1，其余情況下輸出為0。一、抽象、畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖二、狀態(tài)化簡用X（1位）表示輸入數(shù)據(jù)用Y（1位）表示輸出（檢測結(jié)果）第58頁/共65頁三、狀態(tài)分配取n=2，令的00、01、10為則，第59頁/