第6讲 触发器与时序电路设计方法
第六章 时序逻辑电路的设计方法
①确定输入变量和输出变量。输入变量X，为串行输入余3码序列， 高位在前，低位在后；输出变量Z=1为误码输出。 ②设置状态。 该电路属于串行码组检测，
0/0 S1 0/0 S3 0/0 S5 0/1 1/1 1/0 S6 0/1 1/0 0/0 S7 0/0 1/0 1/0 S4 1/0 S8 0/0 1/0 0/0 S11 0/0 1/0 0/0 S9 1/0 S12 0/0 1/0 0/0 S13 0/0 1/1 S0 1/0 S2 1/0 S10 1/0 S14 0/1 1/1 X/ Z Si
y2
y1( n 1)
x y 2 y1 x y 2 y1 x y 2 y1 xy2 y1 x y 2 y1 xy2
Y1
根据J-K触发器的次态方程 y ( n1) J y K y ，变换上式得：
( n 1) y2 ( x y 1 ) y 2 ( x) y 2
第二步：确定输出函数表达式。 Z=y2y1+xy1
Z
试设计一个101序列检测器，该同步电路由一根输入线X，一根
输出线Z，对应与输入序列的101的最后一个“1”，输出Z=1。其 余情况下输出为“0”。101序列可以重叠，
如：X：010101101
0/0
例、某同步时序电路，其输入x1x2，输出为Z，在同一时间内输入x1和x2，不能 同时为1，只有x1输入3个或3个以上1，然后x2输入1个1时，电路输出为1，否则 z为0。 01/0 10/0 状态图 00/0
00/0 A 01/0 01/1 01/0 10/0 B
00/0 10/0
D 10/0
S2：收到序列前2位“10”。
（1）可重叠
0/0
X/Z
触发器和时序逻辑电路电子技术课件ppt知识介绍
• D触发器：具有一个数据输入端D和一个时钟信号输入端CP。在CP的上升沿或 下降沿到来时，会将D端的输入数据锁存到输出端Q。具有数据锁存功能，适用 于数据传输和存储等应用场合。
组合逻辑控制信号产生
通过组合逻辑电路产生控制信号，实 现对时序逻辑电路的控制，如计数器 、寄存器等。
时序逻辑状态转换
在时序逻辑电路中，通过组合逻辑电 路实现状态转换，控制数据的流动和 处理。
状态机设计原理及实例分析
状态机基本概念
介绍状态机的定义、分类、状态转换图等基本概念。
状态机设计步骤
详细阐述状态机设计的步骤，包括状态编码、状态转 换表、状态转换图、控制逻辑设计等。
特性分析
触发器具有以下特性
记忆功能
能够保持输出状态不变，直到下一个触发信号的到来。
触发方式多样
可根据不同的触发方式进行设计，如电平触发、边沿触发 等。
逻辑功能灵活
可实现多种逻辑功能，如与、或、非等。
时序配合方便
可与其它时序逻辑电路方便地进行配合，实现复杂的时序 逻辑功能。
常见类型及其特点
• 基本RS触发器：具有两个输入端R和S，以及两个输出端Q和Q'。当R和S的输入 信号不同时，Q和Q'的输出状态会发生变化。具有直接置位和复位的功能，但 存在约束条件，即R和S不能同时为1。
触发器分类
根据触发方式的不同，触发器可分为电平触发器和边沿触发器两大类。其中，电平触发器又可分为基 本RS触发器、同步RS触发器、D触发器等；边沿触发器可分为正边沿触发器和负边沿触发器等。
时序逻辑电路的设计方法
时序逻辑电路的设计方法时序逻辑电路是一类通过内部的记忆元件来实现存储功能的数字电路，它能够根据输入信号的时序变化来决定输出信号的状态。
常见的时序逻辑电路包括时钟发生器、时钟分配器、触发器、计数器等。
在设计时序逻辑电路时，需要考虑到电路的功能要求、时序要求、稳定性和可靠性。
本文将介绍时序逻辑电路的设计方法。
1.确定功能要求：首先需要明确时序逻辑电路的功能要求，即输入信号和输出信号之间的逻辑关系。
可以通过真值表、状态转换图、状态方程等方式进行描述。
根据功能要求，可以确定电路中需要使用到的逻辑门、触发器等元件。
2.确定时序要求：在时序逻辑电路中，输入信号的变化必须满足一定的时序要求，通常需要使用时钟信号来进行同步控制。
时钟信号是一个周期性的信号，控制电路在时钟的上升沿或下降沿进行状态的改变。
时序要求还包括时序逻辑电路在不同输入组合下的稳态和状态转换时的时间要求。
3.设计电路结构：根据功能要求和时序要求，可以确定时序逻辑电路的整体结构。
电路结构的设计包括将逻辑元件(例如逻辑门、触发器)按照特定的方式连接起来，以实现所需的功能。
常见的电路结构包括级联结构、并行结构、环形结构等。
4.选择逻辑元件：根据电路的功能和时序要求，选择合适的逻辑元件来实现电路的功能。
常见的逻辑元件包括与门、或门、非门、异或门等。
触发器是时序逻辑电路的核心元件，常用的触发器包括D触发器、JK触发器、T触发器等。
5.进行逻辑功能实现：将所选择的逻辑元件按照电路结构进行连接，并完成时序逻辑电路的逻辑功能实现。
这一步可以使用绘图工具进行电路图的绘制，也可以通过硬件描述语言(HDL)进行电路的逻辑设计。
6.时序优化：对设计的时序逻辑电路进行时序优化。
时序优化可以通过调整逻辑元件的连接方式、引入时序优化电路等方式来提高电路的性能和可靠性。
时序优化的目标是尽可能满足时序要求，减少信号传输延迟和功耗。
7.进行电路仿真和验证：对设计的时序逻辑电路进行仿真和验证。
第6章 时序逻辑电路
J 和 K 接为互反，相当于一个D触发器。时钟相连 是同步时序电路。
电路功能： 有下降沿到来时，所有Q端更新状态。
2、移位寄存器 在计算机系统中，经常要对数据进行串并转换，移 位寄存器可以方便地实现这种转换。
左移移位寄存器
•具有左右移位功能的双向移位寄存器
理解了前面的左移移位寄存器，对右移移位寄存器 也就理解了，因位左右本身就是相对的。实际上，左右 移位的区别在于：N触发器的D端是与 Q N+1相连，还是 与Q N-1相连。
第六章 时序逻辑电路
如前所述，时序逻辑电路的特点是 —— 任一时刻 的输出不仅与当前的输入有关，还与以前的状态有关。
时序电路以触发器作为基本单元，使用门电路加以 配合，完成特定的时序功能。所以说，时序电路是由组 合电路和触发器构成的。
与学习组合逻辑电路相类似，我们仍从分析现成电 路入手，然后进行时序逻辑电路的简单设计。
状态化简 、分配
用编码表示 给各个状态
选择触发器 的形式
确定各触发器 输入的连接及 输出电路
NO 是否最佳 ？
YES
设计完成
下面举例说明如何实现一个时序逻辑的设计：
书例7-9 一个串行输入序列的检测电路，要求当序
列连续出现 4 个“1”时，输出为 1，作为提示。其他情 况输出为 0。
如果不考虑优化、最佳，以我们现有的知识可以很
第二步： 状态简化
前面我们根据前三位可能的所有组合，设定了 8 个
状态A ~ H，其实仔细分析一下，根本用不了这么多状态。
我们可以从Z=1的可能性大小的角度，将状态简化为
4 个状态：
a
b
c
d
A 000
B 100
D 110
时序逻辑电路的设计方法
时序逻辑电路的设计方法一、同步时序规律电路的设计方法同步时序规律电路的设计是分析的逆过程,其任务是依据实际规律问题的要求，设计出能实现给定规律功能的电路。
主要介绍用触发器和门电路设计同步时序规律电路的方法。
设计步骤：1、依据设计要求和给定条件，进行规律抽象，得出电路的原始状态转换图或转换表。
① 分析给定的规律问题，确定输入变量、输出变量及该电路应包含的状态，并用字母a、b、c…或S0、S1、S2 …等表示；② 分别以上述状态为现态，考察在每一个可能的输入组合作用下，应转入哪个状态及相应的输出；2、状态化简---如有等价状态则合并之等价状态—在原始状态图中，如有两个或两个以上的状态，在相同的条件下，不仅有相同的输出，而且向同一个状态转换，则这些状态是等价的，可以合并。
3、状态安排（状态编码）依据电路包含的M个状态，确定触发器的类型和数目N。
∵N个触发器共有2n种状态组合，∵取2n-1＜M＜2n其次，要给每个电路状态规定对应的触发器状态组合，每组触发器的状态组合都是一组二值代码，所以，该过程又称状态编码。
4、求出电路的状态方程、激励方程和输出方程。
5、依据得到的方程式画出规律图。
6、检查设计的电路能否自启动。
例. 设计一个带有进位输出端的十三进制计数器.①建立原始状态图、②状态化简、③状态安排：n=4、④选触发器，求时钟、输出、状态、驱动方程：Q3*=Q3Q2'+Q2Q1Q0,Q2*=Q3'Q2Q1'+Q3'Q2Q0'+Q2'Q1Q0,Q1*=Q1'Q0+ Q1Q0'，Q0*=Q3'Q0'+Q2'Q0',C=Q3Q2、⑤画电路图、⑥检查电路能否自启动若选用4个JK触发器，需将状态方程变换成JK触发器特性方程的标准形式，即Q*=JQ′+K′Q,找出驱动方程。
比较得到触发器的驱动方程：J3=Q2Q1Q0,K3=Q2；J2=Q1Q0,K2=(Q3'(Q1Q0)')'；J1=Q0,K1=Q0；J0=(Q3Q2)',K0=1。
总结使用触发器、移位寄存器设计时序逻辑电路和方法。
总结使用触发器、移位寄存器设计时序逻辑电路和方法。
在数字电路设计中，时序逻辑电路是指需要考虑时间因素的电路，其输出取决于当前和之前的输入信号。
触发器和移位寄存器是时序逻辑电路中常用的组件，它们可以被用来存储信息和同步信号，从而帮助我们构建更加复杂的电路。
触发器是一种时序逻辑电路，它可以存储一个比特位，并且只能被时钟信号触发来改变存储状态。
触发器的最常见类型是D触发器，它有一个数据输入(D)和时钟输入(C)，当C的上升沿到来时，D触发器会将D的数据存入内部寄存器中。
移位寄存器是一种特殊的触发器组合，其可以在多个触发器之间进行移位操作。
移位寄存器通常用于存储多个比特位，并且可以用于串行通信和数字信号处理等应用中。
当时钟信号触发时，移位寄存器会将每个触发器的输出传递给下一个触发器，从而实现数据的移位操作。
时序逻辑电路的设计需要考虑各种电路的延迟和时序关系，以确保电路的正确功能。
此外，还需要注意电路中的时钟频率，以确保电路能够快速响应输入信号并进行适当的处理。
在实际的电路设计中，我们可以使用Verilog或VHDL等硬件描述语
言来描述时序逻辑电路和组件，从而可以通过模拟和仿真来验证电路
的正确性。
同时，我们还可以使用EDA工具来帮助我们自动化设计流程，从而提高设计效率和准确性。
总之，触发器和移位寄存器是时序逻辑电路中非常重要的组件，它们可以帮助我们存储和处理数字信号，并构建更加复杂的数字电路。
在电路设计过程中，我们需要注意各种时序关系和延迟，并使用适当的硬件描述语言和EDA工具来实现设计目标。
总结使用触发器、移位寄存器设计时序逻辑电路和方法
总结使用触发器、移位寄存器设计时序逻辑电路和方法1. 什么是触发器和移位寄存器触发器是数字电路中最为重要的元件之一，它是一种能够切换输出状态的器件，能够将输入信号锁存起来并产生输出信号。
移位寄存器则是由多个触发器组成的一种结构，它具有一定的存储能力和移位功能。
2. 设计时序逻辑电路的基本原则在设计时序逻辑电路时需要遵循以下原则：（1）时序逻辑电路与组合逻辑电路结合使用。
（2）采用合适的触发器和移位寄存器元件。
（3）确保所有输入信号的稳定性。
（4）避免出现冒险信号。
（5）通过模拟仿真来验证设计的正确性。
3. 触发器的分类触发器可以根据触发方式分为同步触发器和异步触发器。
同步触发器输出信号的变化只会在时钟信号出现时才会进行；异步触发器则不依赖时钟信号，而是由一个或多个输入信号控制。
4. 移位寄存器的功能移位寄存器通过改变输入信号的先后顺序，实现数据的移位和存储，并且可以实现串行数据与并行数据的转换。
在实际应用中，移位寄存器通常用于数字通信系统中的调制解调、数据压缩和信息传输等方面。
5. 移位寄存器的分类按照移位寄存器的结构特点，可以将其分为串行移位寄存器和并行移位寄存器两大类。
串行移位寄存器中，数据位是按照位顺序依次经过各个触发器，实现每个数据位的单独存储和移位；并行移位寄存器中，所有数据位是同时存储和移位的，具有较高的处理效率。
6. 触发器的应用触发器广泛应用于数字信号处理领域，包括计算机、通信、控制、计量等领域。
在计算机内部，触发器用于构筑存储器单元、寄存器、计数器等数字电路；在通信系统中，触发器则主要用于解调和解码等信号处理功能。
7. 移位寄存器的应用移位寄存器主要应用于信息传输和数字信号处理中，如通信调制、数据压缩、图像处理等。
在通信调制中，移位寄存器通过改变数字信号的顺序，实现不同调制方式的转换；在数据压缩中，移位寄存器可以通过存储和移位数据位，实现信息的压缩；在图像处理中，移位寄存器可以通过对像素点的存储和移位，实现图像的旋转和平移等操作。
复习-触发器及时序电路
目 录
• 触发器的基本概念 • 触发器的应用 • 时序电路的基本概念 • 时序电路的应用 • 时序电路的设计与实现
触发器的基本概念
01
定义与分类
触发器是一种具有记忆功能的逻辑门 电路，能够在时钟信号的驱动下，将 输入信号的状态存储下来，并在下一 个时钟周期输出。
触发器可以分为RS触发器、D触发器 、JK触发器和T触发器等类型，根据不 同的应用需求选择不同类型的触发器 。
03
节拍器在计算机中广泛应用于控制CPU的时钟频率、内存读 写等操作。
序列检测器
01
序列检测器是一种时序电路，用于检测输入信号中是否出现特 定的序列。
02
序列检测器通常由多个触发器和门电路组成，根据需要检测不
同长度的序列。
序列检测器在计算机中广泛应用于数据传输、协议处理和故障
03
检测等操作。
时序电路的设计与实
实现方式与技巧
1. 选择合适的触发器
根据设计需求选择合适的触发器类型，如JK、 D、T等。
2. 优化逻辑门数量
通过减少不必要的逻辑门来降低电路复杂度 和功耗。
3. 合理利用时钟信号
正确使用时钟信号来控制状态转换，提高电 路的可靠性和稳定性。
4. 考虑同步与异步时序
根据需求选择同步或异步时序电路，确保电 路行为的正确性。
应用场景
边沿触发器广泛应用于时序逻辑电 路中，如寄存器和计数器等。
时序电路的基本概念
03
定义与分类
时序电路
是一种具有记忆功能的电路，其输出 不仅取决于当前的输入，还与之前的 输入状态有关。
分类
根据触发器的不同，时序电路可分为 同步时序电路和异步时序电路。
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circuit
symbol
Clocked inverter operation
PP. 256
= 0: both clocked transistors are off, output is floating. = 1: both clocked inverters are on, acts as an inverter to drive output.
(3) 钟控CMOS反向器(C2MOS)
符号图
电路图
工作原理
= 0: p1 n1 都截止，输出悬空
= 1: p1 n1 都导通，实现反向器的功能
(4) Mux-Based Latches 基于选择器的锁存器 Positive latch(正锁存器) (transparent （赋值） When（CLK= 1)
(1) 基于传输门的Dynamic flip-flops b
master slave
内部的 Q
0：赋值 1：内部Q保存， slave输出改变 这是上边沿
（2）C2MOS
VDD VDD
M2 CLK D
CLK M3 M4 X
M6 CLK CL1
M8
Q
CLK M7
CL2
M1
M5
Master Stage
circuit
symbol
(3) Quasi-static Latches 准静态锁存器
存贮节点
PP. 255
Q
Operation
(D)
LD =1: Q=D LD =0: Q存贮
2 =0: 正反馈断开， 电路成动态Latch
2 =1:存贮节点形成正反馈， 电路成静态锁存器
四、Dynamic flip-flops (动态触发器)
锁存器的信号，主触发
器输出稳定，所以Q不
改变。
（1）基本CMOS组成的触发器
＝D’
＝D
CLOCK=0, CLOCK’＝1主触发器工作。
从触发器：CLOCK’由于先经过或门 ＝D （输出始终为１），封闭。 ＝D’ CLOCK=1, CLOCK’＝0从触发器工作。 主触发器：CLOCK’由于先经过与门 CMOS锁存器 （输出始终为0），封闭。
1、动态与静态
动态： 用寄生电容存数据 版图小，但存储在电容
器上的能量会随时间消
耗掉 静态： 用反相器反馈存数据 闭环锁存器，准静态锁 存器
2、功能
PP. 251
按功能分类：
D-type T-type SR-type JK-type
（1）、RS触发器
PP. 251
1)、特性表
S
0 0 1 1
与数电相同
三、设计实例
十进制计数器为例 作为自主学习作业 （PSPICE仿真）
1、状态图
0000
0
0001
0
0010
0
0011
1
1001
0
Q3Q 2Q1Q0 Y 0100
0
1000
0
0111
0
0110
0
0
0101
2、卡诺图
Q 1Q 0 Q 3Q 2
00 0 0
01 0 0
11
0
10 0 0
Q 1Q 0 Q 3Q 2
PP. 260
一、FSM
二、设计方法与特点
三、设计实例
PP. 261-264 一、FSM structure FSM --- finite state machine 有限状态机
1、FSM structure
输出 输入 驱动 （激励 信号)
状态 信号
2、FSM三个基本方程
１、输出方程
Y F ( X，Q )
+ + +
D
Q
性能比较
三、触发器
触发器基本原理 由基本CMOS门构成 基于传输门的触发器 C2MOS电路构成的触发器
TSPC
概述： Flip-flops
PP. 259
Not transparent—use multiple storage elements to isolate output from input
存贮节点
Cg: 存贮节点的寄生电容 主要由反相器的栅电容组成
1. Operation
PP. 252
=1: ？ =0: ？
= 0: transmission gate is off, inverter output is determined by storage node. = 1: transmission gate is on, inverter output follows D input.
0 0
1000
0 0111
0
0110
0 0101
0
00 01
00 01
1 1Leabharlann 1 111
1
11
10 0 0
11
10
1
0
Q2
Q0
3、驱动方程
Q 1Q 0 Q 3Q 2
00 0 0
01 0 0
11
0
10 0 0
Q 1Q 0 Q 3Q 2
00 0 0
01
11
0 0
10
00 01
00 01
1 1
1
1
D3 Q3 Q2 Q1 Q0 Q3 Q 0
对Flip-flops赋值后，存贮值不立即输出，当时钟 边沿时输出存贮值
Major varieties:
– master-slave; 主从结构 – edge-triggered. 边沿触发
主从触发器
主 D 从
= 1: 主锁存器有效， 接收数据；从锁存器无 效，Q输出保持原来数 据
Q
= 0: 主锁存器无效； 从锁存器有效，传递主
基本D 触发器
（２）基于传输门的静态锁存器 ’ D Qb Q
’
=0: Q=D
=1: Q保持
基于传输门的静态锁存器工作过程 ’＝ 1 D Qb Q
＝0
’
=0: Q=D
基于传输门的静态锁存器工作过程 ’＝ 0 D Qb Q
＝1
’
=0: Q=D
=1: Q保持
CLK=1，D=1
(6) SSTC的锁存器工作原理
=0
0
=1
CLK=1，D=0 Clk=1，Q=D，从而实现了锁存器的功能
（7） TSPC
VDD
VDD
VDD
VDD
Out In CLK CLK In CLK CLK Out
Positive latch Negative latch (transparent when CLK= 1) (transparent when CLK= 0)
R
0 1 0 1
Qn+1
Qn 0 1 不定
2)、函数式（状态方程）
Q n 1 S RQ n SR 0(约束条件)
2、JK触发器
PP. 251
CP X J K X X 0 0 0 1 1 0 1 1 Qn+1 Qn Qn 0 1 Qn
Ｊ
Ｋ
Q
n1
J Q KQ
(3)、D触发器
PP. 251
Qb Q
PP. 260
D Db
(5) Static Latch based on RAM
Qb Q
VDD
PP. 260
M2
Q
M4
Q
D Db
CLK D
M6 M5
M1
M3
M8 M7
CLK Db
(6) SSTC的锁存器
CLK=1，Q=D
CLK=0，保持
(6) SSTC的锁存器工作原理
=1
0
=0
00 0 0
01
11
0 0
10
00 01
00 01
1 1
1
1
0000
0
0001
0
0010
0
0011
1
1
1001
0
Q3Q 2Q1Q0 Y 0100
11
10
11 1
0 Q3 01 0
10
0
0
Q1
11 1
0
10 0
Q 1Q 0 Q 3Q 2
0
10
Q 1Q 0 Q 3Q 2
00 0
00
01 0 0
11
D0 Q0 Q0
Q2 Q1 Q0
Q2 Q1 Q0 Q3 Q0
Q1 Q0
Q0
D0
Q0
D1
Q1
D2
Q2
D3
Q3
Q0
Q1
Q2
Q3
clk
5、晶体管级电路图
1)、D 触发器 2)、与非门（二输入，三输入） 3)、异或门（二输入）
Q2 Q1 Q0 Q1 Q0 Q2 Q1 Q0 Q2 Q1 Q0 Q3 Q0
2、驱动方程 D G( X，Q ) 3、状态方程
Q n1 H ( D，Q)
Q n 1 J ( X，Q)
组合逻辑
X
Y
Q
触发器特性方程
D
二、设计方法与特点
设计要求：完成给定的功能
设计的一般步骤
1、确定输入变量、输出变量、状态 （通过分析问题） 2、作出状态图 （根据问题含义） 3、状态简化。即消除冗余状态。 4、确定状态编码，画出卡诺图 5、写出三个方程；选定触发器，写出触发器的激励函数 6、画出逻辑电路图 7、电路用触发器(D, JK)和与非门 （用CMOS晶体管级，版图实现)