數(shù)字電路教案-閻石-第七章-時序邏輯電路_第1頁
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第7章時序邏輯電路7.1概述時序電路在任何時刻的穩(wěn)定輸出,不僅與該時刻的輸入信號有關(guān),而且還與電路原來的狀態(tài)有關(guān)。圖時序邏輯電路的結(jié)構(gòu)框圖2、時序電路的分類〔1〕根據(jù)時鐘分類同步時序電路中,各個觸發(fā)器的時鐘脈沖相同,即電路中有一個統(tǒng)一的時鐘脈沖,每來一個時鐘脈沖,電路的狀態(tài)只改變一次。異步時序電路中,各個觸發(fā)器的時鐘脈沖不同,即電路中沒有統(tǒng)一的時鐘脈沖來控制電路狀態(tài)的變化,電路狀態(tài)改變時,電路中要更新狀態(tài)的觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)有先有后,是異步進行的?!?〕根據(jù)輸出分類米利型時序電路的輸出不僅與現(xiàn)態(tài)有關(guān),而且還決定于電路當(dāng)前的輸入。穆爾型時序電路的其輸出僅決定于電路的現(xiàn)態(tài),與電路當(dāng)前的輸入無關(guān);或者根本就不存在獨立設(shè)置的輸出,而以電路的狀態(tài)直接作為輸出。7.2時序邏輯電路的分析方法時序電路的分析步驟:電路圖時鐘方程、輸出方程、驅(qū)動方程狀態(tài)方程計算狀態(tài)表〔狀態(tài)圖、時序圖〕判斷電路邏輯功能分析電路能否自啟動。7.2.1同步時序電路的分析方法分析舉例:[例]7.2.2異步時序電路的分析方法分析舉例:[例7.2.3]7.3計數(shù)器概念:在數(shù)字電路中,能夠記憶輸入脈沖CP個數(shù)的電路稱為計數(shù)器。計數(shù)器累計輸入脈沖的最大數(shù)目稱為計數(shù)器的“?!?,用M表示。計數(shù)器的“?!睂嶋H上為電路的有效狀態(tài)。計數(shù)器的應(yīng)用:計數(shù)、定時、分頻及進行數(shù)字運算等。計數(shù)器的分類:(1)按計數(shù)器中觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)是否同步分:異步計數(shù)器、同步計數(shù)器。(2)按計數(shù)進制分:二進制計數(shù)器、十進制計數(shù)器、N進制計數(shù)器。(3)按計數(shù)增減分:加法計數(shù)器、減法計數(shù)器、加/減法計數(shù)器。7.3.1異步計數(shù)器一、異步二進制計數(shù)器1、異步二進制加法計數(shù)器分析圖由JK觸發(fā)器組成的4位異步二進制加法計數(shù)器。分析方法:由邏輯圖到波形圖〔所有JK觸發(fā)器均構(gòu)成為T/觸發(fā)器的形式,且后一級觸發(fā)器的時鐘脈沖是前一級觸發(fā)器的輸出Q〕,再由波形圖到狀態(tài)表,進而分析出其邏輯功能。2、異步二進制減法計數(shù)器減法運算規(guī)那么:0000-1時,可視為〔1〕0000-1=1111;1111-1=1110,其余類推。由JK觸發(fā)器組成的4位異步二進制減法計數(shù)器的工作情況分析略。二、異步十進制加法計數(shù)器由JK觸發(fā)器組成的異步十進制加法計數(shù)器的由來:在4位異步二進制加法計數(shù)器的根底上經(jīng)過適當(dāng)修改獲得。有效狀態(tài):0000——1001十個狀態(tài);無效狀態(tài):1010~1111六個狀態(tài)。三、集成異步計數(shù)器CT74LS290為了到達多功能的目的,中規(guī)模異步計數(shù)器往往采用組合式的結(jié)構(gòu),即由兩個獨立的計數(shù)來構(gòu)成整個的計數(shù)器芯片。如:74LS90〔290〕:由模2和模5的計數(shù)器組成;74LS92:由模2和模6的計數(shù)器組成;74LS93:由模2和模8的計數(shù)器組成。1.CT74LS290的情況如下?!?〕電路結(jié)構(gòu)框圖和邏輯功能示意圖〔2〕邏輯功能如下表7所示。注:5421碼十進制計數(shù)時,從高位到低位的輸出為。2、利用反應(yīng)歸零法獲得N〔任意正整數(shù)〕進制計數(shù)器方法如下:〔1〕寫出狀態(tài)SN的二進制代碼?!?〕求歸零邏輯〔寫出反應(yīng)歸零函數(shù)〕,即求異步清零端〔或置數(shù)控制端〕信號的邏輯表達式?!?〕畫連線圖。舉例:試用CT74LS290構(gòu)成模小于十的N進制計數(shù)器。CT74LS290那么具有異步清零和異步置9功能。講解教材P215的[例7.3.1]。注:CT74LS90的功能與CT74LS290根本相同。7.3.2同步計數(shù)器一、同步二進制計數(shù)器2、同步二進制減法計數(shù)器3、集成同步二進制計數(shù)器CT74LS161〔1〕CT74LS161的引腳排列和邏輯功能示意圖注:74LS163的引腳排列和74LS161相同,不同之處是74LS163采用同步清零方式。 〔2〕CT74LS161的邏輯功能①=0時異步清零。C0=0②=1、=0時同步并行置數(shù)。③==1且CPT=CPP=1時,按照4位自然二進制碼進行同步二進制計數(shù)。④==1且CPT·CPP=0時,計數(shù)器狀態(tài)保持不變。4、反應(yīng)置數(shù)法獲得N進制計數(shù)器方法如下:·寫出狀態(tài)SN-1的二進制代碼?!で髿w零邏輯,即求置數(shù)控制端的邏輯表達式?!ぎ嬤B線圖?!布捎嫈?shù)器中,清零、置數(shù)均采用同步方式的有74LS163;均采用異步方式的有74LS193、74LS197、74LS192;清零采用異步方式、置數(shù)采用同步方式的有74LS161、74LS160;有的只具有異步清零功能,如CC4520、74LS190、74LS191;74LS90那么具有異步清零和異步置9功能。等等〕試用CT74LS161構(gòu)成模小于16的N進制計數(shù)器5、同步二進制加/減計數(shù)器二、同步十進制加法計數(shù)器8421BCD碼同步十進制加法計數(shù)器電路分析三、集成同計數(shù)器1、集成十進制同步加法計數(shù)器CT74LS160〔1〕CT74LS160的引腳排列和邏輯功能示意圖圖7.3.3CT74LS160的引腳排列圖和邏輯功能示意圖〔2〕CT74LS160的邏輯功能①=0時異步清零。C0=0②=1、=0時同步并行置數(shù)。③==1且CPT=CPP=1時,按照BCD碼進行同步十進制計數(shù)。④==1且CPT·CPP=0時,計數(shù)器狀態(tài)保持不變。/減計數(shù)器CT74LS190其邏輯功能示意圖如教材圖所示。功能如教材表所示。集成計數(shù)器小結(jié):集成十進制同步加法計數(shù)器74160、74162的引腳排列圖、邏輯功能示意圖與74161、74163相同,不同的是,74160和74162是十進制同步加法計數(shù)器,而74161和74163是4位二進制〔16進制〕同步加法計數(shù)器。此外,74160和74162的區(qū)別是,74160采用的是異步清零方式,而74162采用的是同步清零方式。74190是單時鐘集成十進制同步可逆計數(shù)器,其引腳排列圖和邏輯功能示意圖與74191相同。74192是雙時鐘集成十進制同步可逆計數(shù)器,其引腳排列圖和邏輯功能示意圖與74193相同。7.3.3利用計數(shù)器的級聯(lián)獲得大容量N進制計數(shù)器計數(shù)器的級聯(lián)是將多個計數(shù)器串接起來,以獲得計數(shù)容量更大的N進制計數(shù)器。1、異步計數(shù)器一般沒有專門的進位信號輸出端,通??梢杂帽炯壍母呶惠敵鲂盘栻?qū)動下一級計數(shù)器計數(shù),即采用串行進位方式來擴展容量。舉例:74LS290〔1〕100進制計數(shù)器〔2〕64進制計數(shù)器2、同步計數(shù)器有進位或借位輸出端,可以選擇適宜的進位或借位輸出信號來驅(qū)動下一級計數(shù)器計數(shù)。同步計數(shù)器級聯(lián)的方式有兩種,一種級間采用串行進位方式,即異步方式,這種方式是將低位計數(shù)器的進位輸出直接作為高位計數(shù)器的時鐘脈沖,異步方式的速度較慢。另一種級間采用并行進位方式,即同步方式,這種方式一般是把各計數(shù)器的CP端連在一起接統(tǒng)一的時鐘脈沖,而低位計數(shù)器的進位輸出送高位計數(shù)器的計數(shù)控制端。舉例:74161〔1〕60進制〔2〕12位二進制計數(shù)器〔慢速計數(shù)方式〕12位二進制計數(shù)器〔快速計數(shù)方式〕7.4存放器和移位存放器存放器是由具有存儲功能的觸發(fā)器組合起來構(gòu)成的。一個觸發(fā)器可以存儲1位二進制代碼,存放n位二進制代碼的存放器,需用n個觸發(fā)器來構(gòu)成。按照功能的不同,可將存放器分為根本存放器和移位存放器兩大類。根本存放器只能并行送入數(shù)據(jù),需要時也只能并行輸出。移位存放器中的數(shù)據(jù)可以在移位脈沖作用下依次逐位右移或左移,數(shù)據(jù)既可以并行輸入、并行輸出,也可以串行輸入、串行輸出,還可以并行輸入、串行輸出,串行輸入、并行輸出,十分靈活,用途也很廣。根本存放器概念:在數(shù)字電路中,用來存放二進制數(shù)據(jù)或代碼的電路稱為存放器。1、單拍工作方式根本存放器無論存放器中原來的內(nèi)容是什么,只要送數(shù)控制時鐘脈沖CP上升沿到來,加在并行數(shù)據(jù)輸入端的數(shù)據(jù)D0~D3,就立即被送入進存放器中,即有:〔1〕清零。CR=0,異步清零。即有:〔2〕送數(shù)。CR=1時,CP上升沿送數(shù)。即有:〔3〕保持。在CR=1、CP上升沿以外時間,存放器內(nèi)容將保持不變。7.4.2移位存放器四位右移存放器:時鐘方程:驅(qū)動方程:狀態(tài)方程:右移位存放器的狀態(tài)表:輸入現(xiàn)態(tài)次態(tài)說明DiCP1↑1↑1↑1↑00001000110011101000110011101111連續(xù)輸入4個1單向移位存放器具有以下主要特點:單向移位存放器中的數(shù)碼,在CP脈沖操作下,可以依次右移或左移。n位單向移位存放器可以存放n位二進制代碼。n個CP脈沖即可完成串行輸入工作,此后可從Q0~Qn-1端獲得并行的n位二進制數(shù)碼,再用n個CP脈沖又可實現(xiàn)串行輸出操作。假設(shè)串行輸入端狀態(tài)為0,那么n個CP脈沖后,存放器便被清零。M=0時右移M=1時左移CT74LS194的引腳排列圖和邏輯功能示意圖:CT74LS194的功能表:工作狀態(tài)0×××100×101↑110↑111×異步清零保持右移左移并行輸入7.4.3移位存放器的應(yīng)用一、環(huán)形計數(shù)器1、環(huán)形計數(shù)器是將單向移位存放器的串行輸入端和串行輸出端相連,構(gòu)成一個閉合的環(huán)。結(jié)構(gòu)特點:,即將FFn-1的輸出Qn-1接到FF0的輸入端D0。工作原理:根據(jù)起始狀態(tài)設(shè)置的不同,在輸入計數(shù)脈沖CP的作用下,環(huán)形計數(shù)器的有效狀態(tài)可以循環(huán)移位一個1,也可以循環(huán)移位一個0。即當(dāng)連續(xù)輸入CP脈沖時,環(huán)形計數(shù)器中各個觸發(fā)器的Q端或端,將輪流地出現(xiàn)矩形脈沖。實現(xiàn)環(huán)形計數(shù)器時,必須設(shè)置適當(dāng)?shù)某鯌B(tài),且輸出Q3Q2Q1Q0端初始狀態(tài)不能完全一致(即不能全為“1”或“0”),這樣電路才能實現(xiàn)計數(shù),環(huán)形計數(shù)器的進制數(shù)N與移位存放器內(nèi)的觸發(fā)器個數(shù)n相等,即N=n2、能自啟動的4位環(huán)形計數(shù)器狀態(tài)圖:由74LS194構(gòu)成的能自啟動的4位環(huán)形計數(shù)器時序圖二、扭環(huán)形計數(shù)器1、扭環(huán)形計數(shù)器是將單向移位存放器的串行輸入端和串行反相輸出端相連,構(gòu)成一個閉合的環(huán)。實現(xiàn)扭環(huán)形計數(shù)器時,不必設(shè)置初態(tài)。扭環(huán)形計數(shù)器的進制數(shù)N與移位存放器內(nèi)的觸發(fā)器個數(shù)n滿足N=2n的關(guān)系結(jié)構(gòu)特點為:,即將FFn-1的輸出接到FF0的輸入端D0。狀態(tài)圖:2、能自啟動的4位扭環(huán)形計數(shù)器7.4.4順序脈沖發(fā)生器在數(shù)字電路中,能按一定時間、一定順序輪流輸出脈沖波形的電路稱為順序脈沖發(fā)生器。順序脈沖發(fā)生器也稱脈沖分配器或節(jié)拍脈沖發(fā)生器,一般由計數(shù)器〔包括移位存放器型計數(shù)器〕和譯碼器組成。作為時間基準的計數(shù)脈沖由計數(shù)器的輸入端送入,譯碼器即將計數(shù)器狀態(tài)譯成輸出端上的順序脈沖,使輸出端上的狀態(tài)按一定時間、一定順序輪流為1,或者輪流為0。前面介紹過的環(huán)形計數(shù)器的輸出就是順序脈沖,故可不加譯碼電路即可直接作為順序脈沖發(fā)生器。一、計數(shù)器型順序脈沖發(fā)生器計數(shù)器型順序脈沖發(fā)生器一般用按自然態(tài)序計數(shù)的二進制計數(shù)器和譯碼器構(gòu)成。舉例:用集成計數(shù)器74LS163和集成3線-8線譯碼器74LS138構(gòu)成的8輸出順序脈沖發(fā)生器。二、移位型順序脈沖發(fā)生器◎移位型順序脈沖發(fā)生器由移位存放器型計數(shù)器加譯碼電路構(gòu)成。其中環(huán)形計數(shù)器的輸出就是順序脈沖,故可不加譯碼電路就可直接作為順序脈沖發(fā)生器?!驎r序圖:◎由CT74LS194構(gòu)成的順序脈沖發(fā)生器見教材P233的圖和圖7.5同步時序電路的設(shè)計〔略〕7.6數(shù)字系統(tǒng)一般故障的檢查和排除〔略〕本章小結(jié)計數(shù)器是一種應(yīng)用十分廣泛的時序電路,除用于計數(shù)、分頻外,還廣泛用于數(shù)字測量、運算和控制,從小型數(shù)字儀表,到大型數(shù)字電子計算機,幾乎無所不在,是任何現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)中不可缺少的組成局部。計數(shù)器可利用觸發(fā)器和門電路構(gòu)成。但在實際工作中,主要是利用集成計數(shù)器來構(gòu)成。在用集成計數(shù)器構(gòu)成N進制計數(shù)器時,需要利用清零端或置數(shù)控制端,讓電路跳過某些狀態(tài)來獲得N進制計數(shù)器。存放器是用來存放二進制數(shù)據(jù)或代碼的電路,是一種根本時序電路。任何現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)都必須把需要處理的數(shù)據(jù)和代碼先存放起來,以便隨時取用。存放器分為根本存放器和移位存放器兩大類。根本存放器的數(shù)據(jù)只能并行輸入、并行輸出。移位存放器中的數(shù)據(jù)可以在移位脈沖作用下依次逐位右移或左移,數(shù)據(jù)可以并行輸入、并行輸出,串行輸入、串行輸出,并行輸入、串行輸出,串行輸入、并行輸出。存放器的應(yīng)用很廣,特別是移位存放器,不僅可將串行數(shù)碼轉(zhuǎn)換成并行數(shù)碼,或?qū)⒉⑿袛?shù)碼轉(zhuǎn)換成串行數(shù)碼,

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