同步时序电路的设计步骤
同步时序逻辑电路逻辑电路可分为组合逻辑电路和时...
根据时序电路的输出是否与输入x1 , …, xn有关可以把同步 时序逻辑电路分为Mealy型和Moore型。Mealy型同步时序 逻辑电路的输出由输入x1 , …, xn和现态决定：
Z i f i ( x1 , , xn , y1 , , yr ) Y j g j ( x1 , , xn , y1, , yr ) Z i f i ( y1 , , yr )
4.1 同步时序逻辑电路模型
同步时序逻辑电路具有统一的时钟信号。时钟信号通常是 周期固定的脉冲信号。同步时序逻辑电路在时钟信号的控 制下工作，其电路中的各个单元、器件在时钟信号到来时 读取输入信号、执行响应动作。
4.1.1 同步时序逻辑电路结构 同步时序逻辑电路在结构上可分为组合逻辑电路部分 和存储电路部分，并且存储电路受时钟信号控制。
而存储元件的输出y1, …, yr也作为组合逻辑部分的内部输入， y1, …, yr称为同步时序逻辑电路的状态。当新的时钟信号没 有到来的时候，同步时序逻辑电路的状态y1, …, yr不会发生 改变，即使输入x1 , …, xn有变化状态y1, …, yr也不会改变； 对于新的时钟信号到来之前的状态y1, …, yr称为现态，记作 记作y (n)或y；当新的时钟信号到达后，存储电路会根据激 励信号Y1, …, Yr而改变其输出y1, …, yr ，此时的状态称为次 态，记作y (n + 1)。当时钟信号没有到达时，电路处于现态， 次态是电路未来变化的走向；当时钟信号到来后，先前的 次态成为当前的现态。
4.2.3 JK触发器
JK触发器除时钟信号输入端外有J、K两个输入端，具有置 0，置1，翻转及保持四种功能，是一种功能较强的触发器。 JK触发器的状态方程为：
Q( n1) JQ KQ
同步时序逻辑电路设计的一般步骤
同步时序逻辑电路设计的一般步骤
设计同步时序逻辑电路的一般步骤如下：
1. 确定问题需求：明确电路的功能和性能要求，了解电路所需的输入和输出信号。
2. 分析问题需求：分析输入信号的特性和逻辑关系，了解所需实现的逻辑功能。
3. 确定电路的逻辑结构：根据问题需求，确定所需逻辑模块（如触发器、计数器、状态机等）的类型和数量，并确定它们之间的连接关系。
4. 设计逻辑电路图：根据确定的逻辑结构和所需逻辑功能，绘制逻辑电路图，包括逻辑模块的输入输出端口和信号线的连接方式。
5. 进行逻辑时序设计：根据问题需求，确定逻辑元件的时序性质，如时钟频率、延迟要求等，以及逻辑元件的输入输出关系。
6. 进行逻辑优化：分析设计电路的性能指标和优化需求，可尝试对电路进行逻辑简化、速度优化或面积优化等。
7. 进行电路模拟验证：使用电路模拟器对设计的电路进行验证，确保电路的功能和性能满足设计要求。
8. 进行电路布局布线：将设计的逻辑电路转化为物理电路，在
布局设计中，要考虑电路布局的最小化、布线的最短路径和最小功耗等因素。
9. 进行静态时序分析：进行静态时序分析，检查电路中的时序相关问题，如时钟走时、数据到达时间等，以确保电路的正确性和稳定性。
10. 进行时序验证和测试：对设计的电路进行时序验证和测试，以确保电路的功能和性能满足设计要求。
11. 进行电路仿真和验证：通过仿真和验证，确认电路的正确
性和性能，以便进一步进行优化和改进。
12. 进行后续维护和优化：根据实际应用情况，进行电路的后
续维护和优化，以适应新的功能需求或改进电路的性能。
用“一对一”法设计同步时序电路
数字逻辑电路分析与设计课外实践项目报告题目：用“一对一”法设计同步时序电路组号：B-7组员：注：*为组长。
2015年1月报告目录一、实验方案二、实验原理三、完成过程四、设计心得与体会五、工作分配一、实验方案电路用发光二极管分别显示输出状态Z，以及工作状态S1、S2、S3、S4。
灯亮表示输出为高电平，灯暗表示输出为低电平。
具体操作流程如下：1）打开电源开关，使电路处于工作状态，此时默认处于S1状态。
2) S1状态下由逻辑电平开关输入00信号时保持S1状态不变，输入为01时转变为S4，输入10时状态转变为S23）S2状态下由逻辑电平开关输入00,10信号时都保持S2状态不变，输入为01时状态转变为S34）S3状态下由逻辑电平开关输入00时状态转换为S1，输入为01,10时状态保持S3不变5）S4状态下由逻辑电平开关输入00，01时保持S4状态不变，输入为10时转为S3状态6）CLR为复位脉冲开关，若按下CLR开关，则复位到S1状态。
二、实验原理（1）、电子线路图（2）、芯片使用介绍：▲ 74LS00 四2输入与非门▲ 74LS10 三3输入与非门▲ 74LS04 六反相器▲ 74LS175 四D触发器A B Y0 0 10 1 11 0 1 1 1 0A B C Y X X 0 1 X 0 X 10 X X 11 1 1 0A Y0 11 074LS175 四上升沿D触发器的引脚图和真值表（3）、逻辑原理A．状态转换电路状态图和状态表S 1/0 S4/1S2/1 S3/1000000 0110100101001010012.触发器状态的直接分配在这个电路中有S1、S2、S3、S4共4个状态。
规定分别与4个触发器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的Q1、Q2、Q3、Q4端直接对应。
在74175中每个触发器端，以Q端表示触发器的状态，即0和1两个状态。
为便于用开机复位的方式启动电路，触发器Ⅰ的有效状态是0状态：触发器Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的有效状态是1状态。
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。
实验四集成触发器和用SSI的设计同步时序电路-PPT文档资料
74LS74
2片
74LS00
1片
微动开关 4只
1台
74LS112 2片 74LS04 1片
器件引脚图
74LS112 双下降沿JK 触发器
1CP 1 1K 2 1J 3 1SD 4 1Q 5 1Q 6 2Q 7 GND 8
16 VCC 15 1RD 14 2RD
74LS112 13 2CP
12 2K 11 2J 10 2SD 9 2Q
实验四 集成触发器和用SSI设计同步时序电路
一、实验目的
1.掌握触发器的原理、作用及调试方法； 2.学习简单时序逻辑电路的设计和调试方法。
二、预习要求
根据实验内容，设计出电路，并画出逻辑图，标出管脚。
三、实验原理
1.触发器
SD
S
J
1J
Q
CP
C1
K
1K
Q
RD
R
边沿JK触发器
Qn1JQnKQn
CP下降沿时刻有效
74LS74 双上升沿D 触发器
1RD 1 1D 2 1CP 3 1SD 4 1Q 5 1Q 6 GND 7
74LS74
14 VCC 13 2RD 12 2D 11 2CP 10 2SD 9 2Q 8 2Q
74LS04 六反相器
1A 1 1Y 2 2A 3 2Y 4 3A 5 3Y能测试。
按下表要求观察和记录Q与Q 的状态
表1
SD RD J K CP
Qn+1
Qn=0
Qn=1
1
1
1100 1101 21 1 1 0
31 1 1 1
2. 3人智力抢答电路
QA Q A
QB QB
同步时序逻辑电路的设计步骤
时序逻辑电路的设计，就是从给定的逻辑功能入手，通过一系列的设计过程，最终得到电路的实现方案，即逻辑电路图。
当然，最终得到的时序电路也分两种，即同步时序电路和异步时序电路。
一般来讲，完成相同的逻辑功能，异步时序电路的整体结构要比同步时序电路简单一些，但是，其设计过程也明显较后者复杂，难以掌握。
组合逻辑电路的设计过程，基本可看做分析的逆过程，类似的，同步时序路的设计过程和分析过程之间，也有互逆的特点。
★ 同步时序逻辑电路的设计步骤◆ 逻辑抽象根据逻辑要求，进行逻辑抽象，明确该电路的状态量的含义，并确定输入、输出变量和状态数；根据电路的逻辑功能，明确状态迁移关系，从而建立原始状态图。
此过程中，重点在于找到电路的状态量，理解其含义。
◆ 状态化简在原始状态图中，若两个电路状态在相同的输入条件下，得到相同的次态结果和输出结果（即状态迁移关系相同），就称这两个状态为等价状态。
显然，等价状态是可以合并的，合并后，得到该电路的最简状态图。
◆ 状态编码根据最简状态图中，状态的数量，确定需要使用的触发器的数量，并用二进制代码表示各个状态，即对状态进行编码。
至此，最初的设计要求已完全数学化，得到了一个完全数学化的状态图。
设最简状态图中，状态个数为 ，需要使用的触发器个数为，则两者数量关系上满足： 。
同时，如果 ，则意味着是从 种状态中选取 个，对电路的状态图进行赋值，这样的选择方案是不唯一的。
如果选择的编码方案得当，则可以很大程度上简化设计过程和最终得到的电路结构，反之，如果选择不当，设计出来的电路就会比较复杂。
因此，选择编码方案是有一定技巧性的。
此外，这也意味着电路存在无效状态，那么，设计完成后，需要检查电路的自启动能力。
◆ 推导逻辑表达式根据编码后的状态图，得到逻辑表达式，即电路的输出方程和触发器的状态方程。
n n M 221≤<-n M 2≠n 2M n M这一步工作中，一般是将状态图转化为表示输出信号和次态的卡诺图，并进行卡诺图法化简，从而得到对应的输出方程和状态方程。
同步时序逻辑电路设计的一般步骤
同步时序逻辑电路设计的一般步骤1.确定需求：首先，需要明确电路的功能和性能需求。
这包括输入和输出的规格，时钟频率，输入和输出的时序关系以及其他约束条件。
2.确定设计规范：根据需求，制定电路设计的一般规范，包括数据通路、控制器、状态机等的规范。
这些规范有助于设计过程的准确性和一致性。
3.划分功能模块：将整个电路设计划分为不同的功能模块，每个模块负责实现一个具体的功能。
根据设计规范，确定各个模块的边界和功能。
4.设计每个功能模块：对于每个功能模块，进行详细的设计。
这包括选择适当的逻辑元件，如逻辑门、触发器等，进行逻辑电路设计。
根据需要，可能需要使用编码器、解码器、计数器等组件。
5.进行时序分析：对于整个电路，进行时序分析以确保时序正确性。
这包括设计验证、时序约束分析、时钟域划分和检查等步骤。
时序分析可通过模拟、仿真或形式化验证实现。
6.进行综合与布局布线：将设计转化为物理实现。
这包括综合工具的使用，将设计转换为标准单元表述。
然后进行布局布线，将标准单元放置在芯片上，并通过金属线端口互连。
这个过程需要综合工具和布局布线工具的支持。
7.进行时序优化：根据实际硬件资源和时序约束，对设计进行优化。
目标是满足时序要求并最小化资源使用。
优化方法包括逻辑重写、时钟树优化、功耗优化等。
8.进行后仿真和验证：对设计进行后仿真和验证，以确保设计的正确性和功能性。
这可以通过模拟或仿真来完成。
如果发现问题或错误，需要进行相应的调整和修改。
9.实现和测试：将优化后的设计转化为实际的电路板或芯片。
然后进行测试和验证以确保设计的正确性、可靠性和性能。
10.文档编写和更新：为了方便后续的维护和理解，对设计过程进行文档编写。
这包括设计规范、电路原理图、时序约束、布局布线规则等的文档。
同时，需要根据实际使用情况对设计进行更新和维护。
总之，同步时序逻辑电路设计是一个系统性的过程，涉及到多个步骤和环节。
这些步骤的顺序和重要性可能会因实际情况而有所不同，但总体原则是确保设计的正确性、功能性和可靠性。
同步时序逻辑电路的分析方法
时序逻辑电路的分析方法时序逻辑电路的分析：根据给定的电路，写出它的方程、列出状态转换真值表、画出状态转换图和时序图，而后得出它的功能。
同步时序逻辑电路的分析方法同步时序逻辑电路的主要特点：在同步时序逻辑电路中，由于所有触发器都由同一个时钟脉冲信号CP来触发，它只控制触发器的翻转时刻，而对触发器翻转到何种状态并无影响，所以，在分析同步时序逻辑电路时，可以不考虑时钟条件。
1、基本分析步骤1）写方程式：输出方程：时序逻辑电路的输出逻辑表达式，它通常为现态和输入信号的函数。
驱动方程：各触发器输入端的逻辑表达式。
状态方程：将驱动方程代入相应触发器的特性方程中，便得到该触发器的状态方程。
2）列状态转换真值表：将电路现态的各种取值代入状态方程和输出方程中进行计算，求出相应的次态和输出，从而列出状态转换真值表。
如现态的起始值已给定时，则从给定值开始计算。
如没有给定时，则可设定一个现态起始值依次进行计算。
3）逻辑功能的说明：根据状态转换真值表来说明电路的逻辑功能。
4）画状态转换图和时序图：状态转换图：是指电路由现态转换到次态的示意图。
时序图：是在时钟脉冲CP作用下，各触发器状态变化的波形图。
5）检验电路能否自启动关于电路的自启动问题和检验方法，在下例中得到说明。
2、分析举例例、试分析下图所示电路的逻辑功能，并画出状态转换图和时序图。
解：由上图所示电路可看出，时钟脉冲CP加在每个触发器的时钟脉冲输入端上。
因此，它是一个同步时序逻辑电路，时钟方程可以不写。
①写方程式：输出方程：驱动方程：状态方程：②列状态转换真值表：状态转换真值表的作法是：从第一个现态“000”开始，代入状态方程，得次态为“001”，代入输出方程，得输出为“0”。
把得出的次态“001”作为下一轮计算的“现态”，继续计算下一轮的次态值和输出值。
依次类推，直到次态值又回到了第一个现态值“000”。
现态次态输出Y00101000110110010100010010101010001③逻辑功能说明：电路在输入第6个计数脉冲CP后，返回原来的状态，同时输出端Y 输出一个进位脉冲。
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6.讨论设计的电路能否自启动。在设计的电路中可能出现一些无关的状态，这些状态能否经过若干个时钟脉冲后进行有效的状态。
同步时序电路设计举例
例 按下图状态图设计同步时序电路。
1.根据状态数确定触发器的数目：由状态图可以看出，其每个状态由两个状态，故可用两个触发器。其变量可用Q1,Q0表示；
这里主要讨论给定状态图的情况下的同步时序电路的设计，对于具体的要求得到状态图的过程一般是一个较复杂的问题，这是暂不讲。根据已知状态图设计同步时序电路的过程一般分为以下几步：
1.确定触发器的个数。首先根据状态的个数来确定所需要触发器的个数，如给定的状态个数为n，由应满足n≤2K,K为实现这来状态所需要的触发器的个数。（实际使用时可能给定的状态中存在冗余项，这时一般还须对状态进行化简。）
1
0
1
0
0
0
1
1
1
1
0
1
0
0
1
0
0
1
1
1dΒιβλιοθήκη dd11
0
1
1
0
1
1
1
0
0
1
3.选择触发器并确定各触发器的输入方程：
以Q1n+1、Q0n+1、z分别为应变量，可根据上面状态表画出如下的卡诺图：
根据上面的卡诺图可写出各触发器的次态方程为：
Q1n+1=x/Q1n+(/x+/Q0n)Q1n
Q0n+1=xQ1n/Q0n+/xQ0n
例 设计一个按顺序000→001→010→100→101→111→000循环的自启动同步时序电路。
从题目上可以看出该时序电路有三个触发器，其共有8个状态，即:000,001,010,011,100,101,110,111,而现在使用了：000,001,010,100,101,111共六个状态，故011,110为无效，如果这两个状态的次态落在上面的有效状态上，那么该时序电路就可能自启动，解决的办法只须一开始就选定这两个状态的次状态，而不是将这两个状态作为任意状态进行处理，并且这两个状态的次状态必须是有效状态中的一个，这样一来就可以解决了。具体设计步骤如下：
2.列出状态转移真值表。根据状态列出状态转移真值表，也称状态表、状态转移表。
3.触发器选型。选择合适的触发器，通常可选的触发器有：JK-FF,D-FF,T-FF,一般使用较广的为JK-FF。根据状态图和给出的触发器的型号写出其输入方程，通常在写输入方程时须对其进行化简，以使电路更简单。
4.求出输出方程。根据状态表，求出输出逻辑函数Z的输出方程，还过有些电路没有独立的输出，这一步就省了。
同步时序电路的设计步骤
同步时序电路的设计步骤
同步时序电路的分析是根据给定的时序逻辑电路，求出能反映该电路功能的状态图。状态图清楚地表明了电路在不同的输入、输出原状态时，在时钟作用下次态状态的变化情况。同步时序电路的设计的设计是分析的反过程，其是根据给定的状态图或通过对设计要求的分析得到的状态图，设计出同步时序电路的过程。
5.画出逻辑图。
6.检查该电路是否可以自启动。
在该设计中状态01没有出现，现在须验证状态01能否进入有效的循环，将x为0和1及状态10分别带代入上面电路可得到下图的状态转移图，从图上可能看出其可以实现自启动，故设计是可行的。
同步时序电路自启动设计方法
在上面的设计过程中我们是在最后一步对电路的自启动与否进行判断，如果不能自启动就重新进行设计，这是比较痛苦的事件，如果一开始进行设计时能知道你设计的电路能否自启动，到最后也就没有必要再进行判断是否能自启动了，那么是不是可以解决这个办法？答案是肯定的。下面通过例子加以说明其解决的办法：
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假设在这里选择JK触发器，则根据上式与JK触发器的特征方程进行比较可得其输入方程为：
J0=xQ1nK0=x
J1=x K1=xQ1n
4.求输出函数：由上图的卡诺图可写出输出函数为：
z=xQ0n
在上面的卡诺图的化简中，其结果不是唯一的，其也可以有其它的化简结果，其化简的原则是其使用的门尽可能少、连线最少等。
1.确定触发器的个数：从上面的状态可以看出其有3个变量，故只须三个触发器即可。
2.根据状态图写出状态表：在这个例子中没有输入、输出，其是一个典型的摩尔型时序电路，其状态表如下：
Q2n
Q1n
Q0n
Q2n+1
Q1n+1
Q0n+1
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
1
0
0
1
0
1
0
0
0
1
1
1
0
0
1
0
0
1
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
2.根据状态图列出状态表：状态表的自变量为输入变量x和触发器当前状态Q1n,Q0n，而应变量为触发器的次态Q1n+1Q0n+1、及输出z，列表时将自变量的所有组合全部列出来，其中当Q1nQ0n=01的状态为不出现，其输出可看作任意项处理。
x
Q1n
Q0n
Q1n+1
Q0n+1
z
0
0
0
0
0
0
0
0
1
d
d
d
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
3.根据状态表写出输入方程：
由状态表列出以次态为应变量的卡诺图经过化简后就得到次态方程：（在JK触发器来实现时序电路时，画卡诺圈时应注意在每一项中包含对应输出的原态，即Q2n+1中包含Q2n项，其可以是原变量或反变量的形式）
Q2n+1=/Q2nQ1n+(/Q1n+/Q0n)Q2n
Q1n+1=/Q1nQ0n+Q1nQ2n/Q0n
Q0n+1=(/Q1n+Q2n)/Q0n+Q2n/Q1nQ0n
假设使用JK触发器，根据JK触发器的特征方程Qn+1=J/Qn+/KQn可得到各触发器输入方程：
J2=Q1nK2=Q1nQ0n
J1=Q0nK1=/(Q2n/Q0n)
J0=/Q1n+Q2nK0=/(Q2n/Q1n)
4.根据上面的输入方程画出逻辑图：
根据输入方程您可以很方便画出逻辑电路图，请您自行画出。
进一步研究
通过上面自启动的设计你可以解决了自启动问题，但是其电路不是最简的电路，如果须得到最简的电路，只须在绘制卡诺图时重新调整任意项的取值，使其在有效状态中或经过几个无效状态后进入有效状态，这样得到的电路将是最简的电路，如上面设计中将：110的次态选在000，101的次态选在100将可得到最简的电路。