时序电路的基本分析与设计方法
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时序分析教程范文时序分析（Timing Analysis）是指对数字电路或系统进行时间性能评估和验证的过程。
它主要关注信号在电路中的传播延迟、时钟频率、时序关系等参数，帮助设计者确保电路或系统工作在正确的时序要求下。
时序分析在数字电路的设计和验证中具有重要的作用，特别是对于高速电路和复杂系统来说更为关键。
下面是一些常用的时序分析技术和方法：1.时钟分析：时钟是数字电路中最重要的信号之一，时钟的频率和时钟偏斜对电路的性能有着直接影响。
时钟分析主要关注时钟的频率、时钟偏斜、时钟分配和时钟网络等方面。
通过时钟分析可以评估时钟网络的性能，优化时钟分配方案，减少时钟偏斜等。
2.时序约束：时序约束是指在设计过程中对电路或系统的时序要求进行规定和约束的过程。
时序约束涉及到输入信号和时钟之间的关系，以及输出信号在一些时钟边沿之后的稳态时间等要求。
正确的时序约束有助于设计者确保电路或系统可以在正确的时序要求下运行。
3.时序分析工具：时序分析工具可以帮助设计者对电路或系统进行时序分析和验证。
常用的时序分析工具包括静态时序分析工具和动态时序分析工具。
静态时序分析工具主要通过对电路的逻辑和时钟分析，检查时序约束是否满足。
动态时序分析工具则通过模拟电路行为，计算信号的传播延迟和时序关系。
4.时序优化：时序优化是指通过改变电路结构和布局，减少路径延迟、降低时钟偏斜等手段，提高电路的时序性能。
常用的时序优化技术包括逻辑编码、时钟优化、布局布线优化等。
时序优化需要结合时序分析工具进行验证，确保优化后的电路满足时序要求。
时序分析对数字电路的正确性和性能具有重要的影响，它能帮助设计者在设计和验证过程中找到潜在的问题和改进方案。
因此，时序分析是数字电路设计和验证中必不可少的一部分。
通过学习和掌握时序分析的基本原理和方法，可以提高数字电路设计的质量和效率。
时序电路的基本分析与设计方法
时序电路的基本分析与设计方法时序逻辑电路时序逻辑电路——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，还与电路的原状态有关。
时序电路中务必含有具有经历能力的存储器件。
时序电路的逻辑功能可用逻辑表达式、状态表、卡诺图、状态图、时序图与逻辑图6种方式表示，这些表示方法在本质上是相同的，能够互相转换。
一、时序电路的基本分析与设计方法 （一）分析步骤1．根据给定的时序电路图写出下列各逻辑方程式： （1）各触发器的时钟方程。
（2）时序电路的输出方程。
（3）各触发器的驱动方程。
2．将驱动方程代入相应触发器的特性方程，求得各触发器的次态方程，也就是时序逻辑电路的状态方程。
3．根据状态方程与输出方程，列出该时序电路的状态表，画出状态图或者时序图。
4．根据电路的状态表或者状态图说明给定时序逻辑电路的逻辑功能。
【例1】分析时序电路（1）时钟方程：CP CP CP CP ===012输出方程：nnQ Q Y 21=驱动方程：⎪⎩⎪⎨⎧======n n n nnn Q K Q J Q K Q J Q K Q J 202001011212（2）求状态方程JK 触发器的特性方程：n n n Q K Q J Q+=+1将各触发器的驱动方程代入，即得电路的状态方程：⎪⎩⎪⎨⎧=+=+==+=+==+=+=+++n n n n n n n n n n n n n n n n n nn n n n n n Q Q Q Q Q Q K Q J Q Q Q Q Q Q Q K Q J Q Q Q Q Q Q Q K Q J Q 202020000100101011111112121222212（3）计算、列状态表nn nn nn n n Q Q Y Q Q Q Q Q Q 21210011112=⎪⎩⎪⎨⎧===+++（4）画状态图及时序图（5）逻辑功能有效循环的6个状态分别是0～5这6个十进制数字的格雷码，同时在时钟脉冲CP 的作用下，这6个状态是按递增规律变化的，即：000→001→011→111→110→100→000→…因此这是一个用格雷码表示的六进制同步加法计数器。
《电子技术基础》第6章时序逻辑电路的分析与设计-1
6.1 时序逻辑电路的基本概念
1. 时序电路的一般化模型
I1 Ii
O1
Oj
Sm 特点： Ek 1）时序逻辑电路由组合电路（逻辑门）和存储电路( 一般由触 发器构成) 组成。 2）电路的输出由输入信号和原来的输出状态共同决定.
4/9/2019 12:58:22 PM
… … S1 …
… E1 … …
组合电路
1/0 1/0 1/0
01 01 0/0 10 10
00
11
10
01
0/1 11 11
1/1
0/0
电路进行减1计数 。 电路功能：可逆4进制计数器 Y可理解为进位或借位端。
4/9/2019 12:58:22 PM
D2 Q
n 1
(3) 根据状态方程组和输出方程列出状态表
Sn→Sn+1
S = Q2Q1Q0
Q
n 1 0
Q Q
n 1
n 0
Q
n 1 1
Q
n 0
n 1 Q2 Q1n
状态表
n 1 n n 1 n 1 n Q Q Q Q Q Q 0 1 0 1 2
n 2
(4) 画出状态图 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0
存储电路
时序电 路输入 信号
I1
Ii
O1 Oj
组合电路
时序电 路输出 信号
存储电路激 励信号(触发 器的输入)
… …
… …
存储电路输 出信号 (电路状态S) 各触发器的状态Q
S1 Sm …
E1
… Ek
存储电路
各信号之间的逻辑关系方程组为：
O = F1（I，Sn） E = F2
时序逻辑电路
第6章时序逻辑电路内容提要时序逻辑电路的特性是具有记忆功能，即电路在某一时刻的输出不仅仅取决于这一时刻当前的输入，而且还与电路历史状态有关。
时序逻辑电路在结构上由组合电路和存储电路两部分组成，而且存储电路至少有一个输出作为组合逻辑电路的输入，组合电路的输出至少有一个作为存储电路的输入。
本章主要介绍时序逻辑电路的组成原理、时序逻辑电路的分析和设计方法及常用时序逻辑功能器件等。
时序逻辑电路的分析就是根据给定的时序逻辑电路的结构，找出该时序逻辑电路在输入信号及时钟作用下，存储电路状态的变化规律以及电路的输出值，从而了解该时序逻辑电路所完成的逻辑功能。
描述时序逻辑电路的逻辑功能一般采用存储电路的状态转移方程和电路输出函数表达式；或者采用状态转移表、状态转移图；或者用时序图（工作波形）来描述。
本章重点分析了移位寄存器、同步计数器和异步计数器，介绍了VHDL描述时序逻辑电路的方法。
时序逻辑电路的设计就是根据逻辑命题的要求，设计出实现该命题功能要求的时序电路，并力求最简。
本章重点介绍了采用小规模器件设计同步计数器、异步计数器的方法，介绍了采用中规模功能器件设计任意模值计数器的方法以及序列信号发生器的方法。
并介绍了同步时序逻辑电路设计的一般步骤。
教学基本要求（1）掌握时序逻辑电路的基本分析方法。
（2）掌握同步时序逻辑电路（同步计数器）的设计方法。
（3）掌握常用时序功能部件（集成计数器、移位寄存器）的逻辑功能及应用。
（4）理解异步计数器的设计方法。
（5）理解VHDL描述方法。
（6）了解同步时序逻辑电路设计的一般步骤。
重点与难点本章重点：（1）时序逻辑电路的分析，正确画出时序图（工作波形）。
（2）同步计数器的设计。
本章难点：（1）异步时序逻辑电路的分析与设计。
（2）同步时序逻辑电路设计的一般步骤（原始状态流图建立、状态合并、状态编码等）。
主要教学内容6.1 时序逻辑电路的分析6.2 常用时序逻辑功能器件6.2.1 常用集成计数器6.2.2 常用集成寄存器和移位寄存器6.3 时序逻辑电路设计6.3.1 同步时序逻辑电路设计的一般步骤6.3.2 同步计数器的设计6.3.3 异步计数器的设计6.3.4 序列信号发生器6.4 采用中规模时序功能器设计时序逻辑电路6.4.1 采用中规模计数器实现任意模值计数（分频）器6.4.2 采用中规模集成移位寄存器6.5 VHDL描述时序逻辑电路6.1 时序逻辑电路的分析分析由小规模逻辑器件构成的时序逻辑电路一般步骤为：（1）根据给定的时序电路图，写出下列各逻辑表达式：①各触发器的时钟信号CP的逻辑表达式。
第4章 时序逻辑电路设计
1模型
时序电路按其状态的改变方式不同，可分为同 步时序逻辑电路和异步时序逻辑电路两种，在 图4.5中，当CLK1与CLK2为相同信号时，该 电路为同步电路；当CLK1与CLK2为不同信号 时，该电路为异步电路。
output q;
reg
q;
always@(posedge clk or posedge rst)
begin
if(rst==1’b1)
q<=1’b0;
else if(en==1’b1)
q<=data;
else ;
end
endmodule
带同步复位、上升沿触发的触发器
module dff_synrst(data,rst,clk,q); input data,rst,clk; output q; reg q; always@(posedge clk) begin if(rst==1’b1) q<=1’b0; else q<=data; end
本设计要求用仿真和测试两种手段来验证 计数器的功能。实验时，可以通过修改十进 制计数器的设计得到六进制、100进制计数器。
三、设计要求
(1) 完成各模块的Verilog HDL设计编码； (2) 进行功能仿真； (3) 下载并验证计数器功能； (4) 如果60进制计数器要求用6进制和10进制
计数器搭建电路，请画出设计连接图，并 完成设计编码和验证。
else q<=data; end endmodule
带异步复位和置位、上升沿触发的触发器
module dff_asynrst(data,rst,set,clk,q);
数字电子技术基础-第六章_时序逻辑电路(完整版)
T0 1
行修改，在0000 时减“1”后跳变 T1 Q0 Q0(Q3Q2Q1)
为1001，然后按
二进制减法计数
就行了。T2 Q1Q0 Q1Q0 (Q1Q2Q3 )
T3 Q2Q1Q0
50
能自启动
47
•时序图 5
分 频
10 分 频c
0
t
48
器件实例：74 160
CLK RD LD EP ET 工作状态 X 0 X X X 置 0（异步） 1 0 X X 预置数（同步） X 1 1 0 1 保持（包括C） X 1 1 X 0 保持（C=0） 1 1 1 1 计数
49
②减法计数器
基本原理：对二进 制减法计数器进
——74LS193
异步置数 异步清零
44
（采用T’触发器，即T=1）
CLKi
CLKU
i 1
Qj
j0
CLKD
i 1
Qj
j0
CLK0 CLKU CLKD
CLK 2 CLKU Q1Q0 CLK DQ1Q0
45
2. 同步十进制计数器 ①加法计数器
基本原理：在四位二进制 计数器基础上修改，当计 到1001时，则下一个CLK 电路状态回到0000。
EP ET 工作状态
X 0 X X X 置 0（异步）
1 0 X X 预置数（同步）
X 1 1 0 1 保持（包括C）
X 1 1 X 0 保持（C=0）
1 1 1 1 计数
39
同步二进制减法计数器 原理：根据二进制减法运算 规则可知：在多位二进制数 末位减1，若第i位以下皆为 0时，则第i位应翻转。
Y Q2Q3
实验时序电路实验报告
实验时序电路实验报告摘要：时序电路是数字电路中的一种重要电路，它负责控制系统中各个部件和信号的时序关系。
本实验旨在通过设计和实现一个简单的时序电路，加深对时序电路原理的理解，并掌握时序电路设计的基本方法和步骤。
在实验中，我们采用了JK触发器和计数器等器件，通过逻辑电平的高低和输入信号的输入顺序来实现不同的时序控制功能。
通过实验我们发现，在正确配置和连接时序电路的各个部件后，时序电路可以准确地按照预定的时序顺序进行工作，实现了预期的控制效果。
一、实验目的1. 了解时序电路的基本概念和工作原理；2. 掌握JK触发器和计数器的基本特性和设计方法；3. 设计和实现一个简单的时序电路。
二、实验器材和设备1. 实验台板2. 集成电路（IC）：7404、74107、741613. 电源、导线等三、实验原理1. 时序电路简介时序电路又称为序贯电路，是数字电路中按照一定的时序和顺序进行工作的电路。
它根据输入信号和内部时钟信号的时序关系来控制系统的输出，能够实现各种复杂的逻辑控制功能。
时序电路对时钟信号的边沿触发具有较高的要求，通常使用触发器作为时序电路的基本单元。
2. JK触发器JK触发器是一种常用的时序电路元件，具有两个正反馈输入端（J和K）和两个输出端（Q和Q'）。
JK触发器的工作原理是当时钟触发信号为上升沿时，J、K输入信号控制Q输出端的电平状态。
3. 计数器计数器是一种常用的时序电路模块，它可以根据时钟信号的输入进行计数，并输出对应的计数结果。
常见的计数器有二进制计数器、十进制计数器等。
四、实验内容和步骤1. 实验电路的设计根据实验要求和所学知识，设计一个简单的时序电路。
本实验中，我们设计一个由两个JK触发器和一个计数器构成的时序电路。
其中，JK触发器用于接收输入信号和时钟信号，并根据输入信号的顺序和时钟信号的边沿触发生成输出信号；计数器用于对输入信号的个数进行计数，并根据计数结果控制输出信号的状态。
时序实验实验报告
一、实验目的1. 掌握时序逻辑电路的基本原理和设计方法。
2. 熟悉常用时序逻辑电路器件的结构和功能。
3. 培养实际操作能力，提高电路设计水平。
二、实验原理时序逻辑电路是指输出不仅与当前输入有关，还与过去输入有关，即电路的输出状态具有记忆功能的电路。
本实验主要涉及同步计数器和寄存器的设计与测试。
三、实验设备1. 数字电子实验箱2. 示波器3. 信号发生器4. 74LS163、74LS00、74LS20等集成器件四、实验内容1. 设计一个4位同步计数器，实现二进制加法计数功能。
2. 设计一个8位同步寄存器，实现数据的暂存和传送功能。
五、实验步骤1. 4位同步计数器设计（1）根据计数器功能要求，列出状态转换表。
（2）根据状态转换表，画出状态转换图。
（3）根据状态转换图，画出电路图。
（4）将电路图连接到实验箱上，并进行调试。
（5）观察计数器输出，验证计数功能是否正确。
2. 8位同步寄存器设计（1）根据寄存器功能要求，列出数据输入、保持、清除和输出控制信号的真值表。
（2）根据真值表，画出电路图。
（3）将电路图连接到实验箱上，并进行调试。
（4）观察寄存器输出，验证寄存功能是否正确。
六、实验结果与分析1. 4位同步计数器实验结果经过调试，4位同步计数器能够实现二进制加法计数功能。
观察计数器输出，验证计数功能正确。
2. 8位同步寄存器实验结果经过调试，8位同步寄存器能够实现数据的暂存和传送功能。
观察寄存器输出，验证寄存功能正确。
七、实验总结本次实验，我们通过设计4位同步计数器和8位同步寄存器，掌握了时序逻辑电路的基本原理和设计方法。
在实际操作过程中，我们提高了电路设计水平，培养了实际操作能力。
八、实验心得1. 在设计时序逻辑电路时，要充分理解电路功能要求，合理选择器件，确保电路能够实现预期功能。
2. 在调试过程中，要仔细观察电路输出，发现问题及时解决。
3. 通过本次实验，我们对时序逻辑电路有了更深入的了解，为今后学习和实践打下了基础。
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时序电路的基本分析与设计方法
时序逻辑电路
时序逻辑电路——电路任何一个时刻的输出状态不但取决于当时的输入信号,还与电路的原状态有关。
时序电路中必须含有具有记忆能力的存储器件。
时序电路的逻辑功能可用逻辑表示式、状态表、卡诺图、状态图、时序图和逻辑图6种方式表示,这些表示方法在本质上是相同的,能够互相转换。
一、时序电路的基本分析和设计方法
(一)分析步骤
1．根据给定的时序电路图写出下列各逻辑方程式:
(1)各触发器的时钟方程。
(2)时序电路的输出方程。
(3)各触发器的驱动方程。
2．将驱动方程代入相应触发器的特性方程,求得各触发器的次态方程,也就是时序逻辑电路的状态方程。
3．根据状态方程和输出方程,列出该时序电路的状态表,画出状态图或时序图。
4．根据电路的状态表或状态图说明给定时序逻辑电路的逻辑功能。
【例1】分析时序电路
(1)时钟方程:CP CP CP CP ===012
输出方程:n n Q Q Y 21=
驱动方程:⎪⎩
⎪
⎨⎧======n n n n n n Q K Q J Q K Q J Q K Q J 202001011212
(2)求状态方程
JK 触发器的特性方程:n n n Q K Q J Q +=+1
将各触发器的驱动方程代入,即得电路的状态方程:
⎪⎩
⎪⎨⎧=+=+==+=+==+=+=+++n n n n n n n n n n n n n n n n n n
n n n n n n Q Q Q Q Q Q K Q J Q Q Q Q Q Q Q K Q J Q Q Q Q Q Q Q K Q J Q 202020000100101011111112121222212 (3)计算、列状态表
n
n n
n n
n n n Q Q Y Q Q Q Q Q Q 2
12
100
1
1112=⎪⎩⎪⎨⎧===+++
(4)画状态图及时序图
(5)逻辑功能
有效循环的6个状态分别是0～5这6个十进制数字的格雷码,而且在时钟脉冲CP 的作用下,这6个状态是按递增规律变化的,即:
000→001→011→111→110→100→000→…
因此这是一个用格雷码表示的六进制同步加法计数器。
当对第6个脉冲计数时,计数器又重新从000开始计数,并产生输出Y ＝1。
【例2】:分析图6.2.4电路的功能。
1．时钟方程:
CP CP =0 n
Q CP 0
1= CP CP =2
2．激励方程:
n Q J 2
0=
n
Q J 0
1=
n
n Q Q J 0
12=
=0K 1 11=K 12=K
Q
Q 0
J 0
K 0
J 1 K 1
Q 1
Q 1
J 2 K 2
Q 2 Q 2
CP
图6.2..4 逻辑电路图
3．状态方程:
)(CP 0210↓=+n n n Q Q Q )( n 01011↓=+Q Q Q Q n n n )(CP 21012↓=+n n n n Q Q Q Q
4．状态转换表:
表6.2.2 状态转换表
5．状态转换图:
图6.2.5
例状态图
6．逻辑功能说明:
为异步五进制加法计数器。
(二)同步时序逻辑电路的设计步骤
(1)根据设计要求,设定状态,导出对应状态图或状态表。
(2)状态化简。
原始状态图(表)一般不是最简的,往往能够消去一些多余状态。
消去多余状态的过程叫做状态化简。
(输入相同时、输出相
同、且转换的状态也相同的状态叫做等价状态)
(3)状态分配,又称状态编码。
(4)选择触发器的类型。
触发器的类型选得合适,能够简化电路结构。
(5)根据编码状态表以及所采用的触发器的逻辑功能,导出待设计电路的输出方程和驱动方程。
(6)根据输出方程和驱动方程画出逻辑图。
(7)检查电路能否自启动。
【例1】设计一时序电路,实现下图所示的状态图:
000→001→010→011
↓/0
110←101←100
/0 /0
/0 /0 /0
排列顺序：
/Y
n
n
n Q
Q
Q0
1
2
/1
由于已给出了二进制编码状态图,设计直接从第4步开始。
(1)选择触发器,求时钟方程、输出方程、状态方程
因需用3位二进制代码,选用3个CP下降沿触发的JK触发器,分别用FF0、FF1、FF2表示。
由于要求采用同步方案,故时钟方程为:CP
CP
CP
CP=
=
=
2
1
利用卡诺图得到输出方程:
n
n Q
Q
Y
2
1
=
利用次态卡诺图得到状态方程:。