时序逻辑电路在实际中的应用

时序逻辑电路在实际中的应用

时序逻辑电路是一种重要的数字逻辑电路，其特点是电路任何一个时刻的输出状态不仅取决于当时的输入信号，而且与电路的原状态有关，具有记忆功能。构成组合逻辑电路的基本单元是逻辑门，而构成时序逻辑电路的基本单元是触发器。时序逻辑电路在实际中的应用很广泛，数字钟、交通灯、计算机、电梯的控制盘、门铃和防盗报警系统中都能见到。主要介绍典型的时序逻辑部件：集成计数器的识别与应用，集成寄存器的识别与应用；时序逻辑电路的分析和设计。

计数器在计算机及各种数字仪表中应用广泛，具有记忆输入脉冲个数的功能，还可以实现分频、定时等。计数器种类繁多，按技术体制可分为二进制计数器和N进制计数器；按增减趋势可分为加计数器和减计数器；按技术脉冲引入方式可分为同步计数器和异步计数器。同步计数器的特点是构成计数器的所有触发器共用同一个时钟脉冲，触发器的状态同时更新，计数速度快；而异步计数的特点是构成计数器的触发器不共用同一个时钟脉冲，所有触发器更新状态的时刻不一致，计数速度相对较慢。在实际应用中，计数器是以集成电路形式存在的，主要有集成二进制计数器、集成十进制计数器两大类，其他进制计数器可由它们通过外电路设计来实现。在每一大类计数器中，又以同步与异步、加计数与可逆计数来细分。

寄存器具有接收数码、存放或传递数码的功能，由触发器和逻辑门组成。其中，触发器用来存放二进制数，逻辑门用来控制二进制数的接收、传送和输出。由于一个触发器只能存放1位二进制数，因此，存放n位二进制数的n位寄存器，需要n个触发器来组成。寄存器有数码寄存器和移位寄存器2种。输入输出方式有并入-并出、并入-串出、串入-并出、串入-串出4种。当寄存器的每一位数码由一个时钟脉冲控制同时接收或输出时，称为并入或并出。而每个时钟脉冲只控制寄存器按顺序逐位移入或移出数码时，称为串入或串出。移位寄存器除了具有存储数码的功能以外，还具有移位功能。所谓移位功能，是指寄存器里存储的数码能在时钟脉冲作用下依次左移或右移。因此，移位寄存器不仅可以用来寄存数码，而且可以用来实现数码的串行-并行转换。

时序逻辑电路的分析实际上是一个读图、识图的过程，就是根据给定的时序逻辑电路，通过分析其状态和输出信号在输入变量和时钟作用下的转换规律，理解其逻辑功能和工作特性。时序逻辑电路的设计是时序逻辑电路分析的逆过程，就是根据给定的逻辑问题，设计出满足要求的时序逻辑电路。设计时序逻辑电路的任务就是根据给定的逻辑问题，设计出满足要求的时序逻辑电路。在实际应用中，常用集成触发器和门电路配合来设计时序逻辑电路。通常，电路设计最简的标准是：所用的触发器和门电路的数量以及门的输入端数目尽可能少。

1. 时序逻辑电路分析的一般步骤

时序逻辑电路分析的一般步骤可归纳为：写方程式、求状态方程、进行计算、画状态转换图（或状态转换表）、确定电路的逻辑功能等。

1）写方程式

仔细观察、分析时序电路，然后再逐一写出以下3个方程。

①时钟方程：各个触发器时钟信号的逻辑表达式。

②输出方程：时序电路各个输出信号的逻辑表达式。

③驱动方程：各个触发器输入端信号的逻辑表达式。

2）求状态方程

把驱动方程代入相应触发器的特性方程，即可求出时序电路的状态方程。

3）进行计算

把电路输入和现态的各种可能取值，代入状态方程和输出方程进行计算，求出相应的次态和输出。

4）画状态转换图

5）确定电路的逻辑功能

根据状态转换图确定电路的逻辑功能，必要的话，可用文字详细描述。2. 时序逻辑电路设计的一般步骤

时序逻辑电路设计的一般步骤是：根据逻辑要求，确定电路状态转换规律，并由此求出各触发器的驱动方程和输出方程，最后画出相应的逻辑电路图。具体过程如下:

1）根据设计要求和给定条件，确定电路内部状态。

2）画出状态转换图或状态转换表，即建立原始状态转换图。

3）状态化简。即合并等价状态，画出最简状态转换图。等价状态是指输入相同、输出相同、转至次态也相同的重复状态。

4）状态分配，即对状态进行编码，给每个状态确定一个二进制编码。因为电路的状态是用触发器状态的不同组合表示的，所以状态分配前要确定触发器的数目n，为获得M个状态组合，应取2n-1

5）确定触发器的类型，根据状态转换图（或状态转换表）及触发器的特性，求出触发器的驱动方程和输出方程。

6）画出逻辑电路图。

7）检查所设计的电路是否具有自启动能力。如无自启动能力，则需要修改设计。