数字电路-时序
数电基础：时序逻辑电路
数电基础：时序逻辑电路虽然每个数字电路系统可能包含有，但是在实际应⽤中绝⼤多数的系统还包括，我们将这样的系统描述为时序电路。
时序电路是由最基本的加上反馈逻辑回路（输出到输⼊）或器件组合⽽成的电路，与最本质的区别在于时序电路具有记忆功能。
1. 简介是数字逻辑电路的重要组成部分,时序逻辑电路⼜称,主要由 存储电路 和 组合逻辑电路 两部分组成。
它和我们熟悉的其他电路不同,其在任何⼀个时刻的输出状态由当时的输⼊信号和电路原来的状态共同决定,⽽它的状态主要是由存储电路来记忆和表⽰的。
同时时序逻辑电路在结构以及功能上的特殊性,相较其他种类的数字逻辑电路⽽⾔,往往具有难度⼤、电路复杂并且应⽤范围⼴的特点 。
在数字电路通常分为和时序逻辑电路两⼤类，组合逻辑电路的特点是输⼊的变化直接反映了输出的变化，其输出的状态仅取决于输⼊的当前的状态，与输⼊、输出的原始状态⽆关，⽽是⼀种输出不仅与当前的输⼊有关，⽽且与其输出状态的原始状态有关，其相当于在组合逻辑的输⼊端加上了⼀个反馈输⼊，在其电路中有⼀个存储电路，其可以将输出的状态保持住，我们可以⽤下图的框图来描述时序电路的构成。
从上⾯的图上可以看出，其输出是输⼊及输出前⼀个时刻的状态的函数，这时就⽆法⽤组合逻辑电路的函数表达式的⽅法来表⽰其输出函数表达式了，在这⾥引⼊了现态（Present state)和次态（Next State)的概念,当现态表⽰现在的状态（通常⽤Qn来表⽰），⽽次态表⽰输⼊发⽣变化后其输出的状态 （通常⽤Qn+1表⽰），那么输⼊变化后的输出状态表⽰为Qn+1=f(X,Qn)，其中：X为输⼊变量。
组合电路和存储元件互联后组成了时序电路。
存储元件是能够存储信息的电路。
存储元件在某⼀时刻存储的⼆进制信息定义为该时刻存储元件的状态。
时序电路通过其输⼊端从周围接受⼆进制信息。
时序电路的输⼊以及存储元件的当前状态共同决定了时序电路输出的⼆进制数据，同时它们也确定了存储元件的下⼀个状态。
时序逻辑电路-数字部分
根据输入信号的变化进行状态的转移。常见的触发器有RS触发器、D触
发器和JK触发器等。
02
寄存器
寄存器是时序逻辑电路中的一种存储元件，它能够存储多位二进制代码，
并根据时钟信号的变化进行数据的读取和存储。常见的寄存器有移位寄
存器和计数器等。
03
组合逻辑电路
组合逻辑电路是时序逻辑电路中的一种电路形式，它由门电路组成，根
微处理器
微处理器的控制逻辑部分 通常由时序逻辑电路实现， 如指令译码器、控制逻辑 电路等。
内存控制器
内存控制器中包含时序逻 辑电路，用于协调CPU与 内存之间的数据传输。
在通信系统中的应用
调制解调器
01
调制解调器中的数据解调部分通常由时序逻辑电路实现，用于
将信号解调为原始数据。
数字信号处理器
02
数字信号处理器中包含时序逻辑电路，用于处理数字信号，如
时序逻辑电路是一种具有记忆功能的电路，它由组合逻辑电路和存储元件组成， 能够根据输入信号的变化，按照一定的时序状态进行状态转移，并产生相应的输 出信号。
时序逻辑电路的特点是具有状态记忆功能，能够根据输入信号的变化，实现状态 的转移和输出信号的变化。
时序逻辑电路的组成
01
触发器
触发器是时序逻辑电路中的基本单元，它能够存储一位二进制代码，并
据输入信号的变化进行逻辑运算，产生相应的输出信号。
时序逻辑电路的分类
同步时序逻辑电路
同步时序逻辑电路的各个状态转 移都是在同一个时钟信号的控制 下进行的。
异步时序逻辑电路
异步时序逻辑电路的状态转移不 受时钟信号的控制，而是由输入 信号的变化直接驱动。
03
时序逻辑电路的分析
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
数字电路与逻辑设计第5章时序逻辑电路
(b) 74194构成扭环形计数器
Q and A Q ：电路是否具备自启动特性？请检验。
77
➢ 检验扭环形计数器的自启动特性
模值M＝2n=2×4=8 状态利用率稍高；环 形计数器和扭环形计 数器都具有移存型的 状态变化规律，但它 们都不具有自启动性
10
分析工具 常见电路
状态转移真值表 状态方程 状态转移图 时序图
数码寄存器 移位寄存器 同步计数器 异步计数器
11
5.2.1 时序逻辑电路的分析步骤
12
例1:分析图示时序逻辑电路
解 ➢ 1. 写激励方程:
13
➢ 2. 写状态方程和输出方程:
根据JK触发器特性方程：Qn1 J Qn K Qn
LD
置入控制输入
CP
时钟输入
CR
异步清0输入
CTT ，CTP 计数控制输入
输出端子
Q0～Q3 数据输出
CO
进位输出
CO
Q3n
Q
n 2
Q1n
Q0n
26
➢ 功能表:
27
2.十进制同步计数器（异步清除）74160
➢ 逻辑符号: ➢ 功能表:
CO Q3n Q0n
28
3.4位二进制同步计数器（同步清除）74163
51
1.二-五-十进制异步计数器7490
52
CT7490： 2-5-10进制异步计数器
4个触发器（CP1独立触发FF0实现二分频，
CP2独立触发FF1、FF2、FF3构成的五分频计数器）
异步清0输入 R01、 R02
异步置9输入 S91、S92
可实现 8421BCD 和 5421BCD计数
数电-时序逻辑电路 计数器
——依照一般同步时序电路的设计步骤
例题
用D触发器设计同步十进制加法计数器 用JK触发器设计同步六进制减法计数器
（1）异步二-十进制计数器 74HC/HCT390
FF0 二进制计数器 CP0输入，Q0输出
FF1——FF3
异步五进制计 数器（P277）
CP1输入，Q3、Q2、Q1输出
CP1 1
1000~1111 8进制
异步计数器
方法二 整体反馈清0法实现72进制加法计数器
1 CP
××××
CR D0 D1 D2 D3
CET
CEP 74161(0) TC CP Q0 Q1 Q2 Q3 PE 1
××××
CR D0 D1 D2 D3
CET
CEP 74161(1) TC
CP Q0 Q1 Q2 Q3 PE 1
TC
CEP
74161
PE
>CP Q0 Q1 Q2 Q3
CR: 异步清零端
CP:
有效
PE: 同步并行置数使能端
D0 - D3 ：预置数据输入端 CET、CEP: 计数使能端
TC:进位输出端，用于级连（TC = CET·Q3·Q2·Q1·Q0）
74161逻辑功能表
输入
输出
清预 零置
使能
时 钟
预置数据输入
连接方式1 Q2 Q1 Q0 000 001 010 011 100 101 110 111 000 001
（5421码）
连接方式2 Q0 Q3 Q2 Q1 0 000 0 001 0 010 0 011 0 100 1 000 1 001 1 010 1 011 1 100
二-五-十进制加法计数器
数字电路时序设计
数字电路时序设计时序设计是数字电路设计中的重要部分，它负责处理和控制电路中的时序信号。
时序设计不仅涉及到时钟信号的产生和传播，还包括时序逻辑电路的设计和时序约束的建立。
本文将介绍数字电路时序设计的基本原理和常用技术手段。
一、时序设计的基本原理时序设计是指在数字电路中，通过合理地控制信号的时间顺序和时机，实现对电路的各种操作和功能的精确控制。
其基本原理包括以下几点：1. 时钟信号的产生和传播：时钟信号是数字电路中重要的时序信号，它的产生和传播需要考虑到时钟频率、时钟相位、时钟的稳定性等因素。
时钟信号的产生可以通过晶体振荡器、计数器等电路来实现；时钟信号的传播则需要通过时钟树网络和时钟分配策略来保证时钟信号的稳定性和准确性。
2. 时序逻辑电路的设计：时序逻辑电路是指在数字电路中，根据时钟信号的触发沿或边沿来控制电路中的状态变化和信号传输的电路。
时序逻辑电路的设计需要考虑到寄存器、计数器、状态机等电路的选择和配置，以及触发器的使用和时序逻辑的优化等方面。
3. 时序约束的建立：时序约束是指在时序设计中，对时钟信号的频率、占空比、时钟关系等要求进行具体规定和约束。
时序约束的建立需要根据实际应用需求和电路特性来确定，以确保电路的时序性能符合设计要求，例如保证数据的正确性、减少功耗等。
二、常用的时序设计技术手段1. 同步时序设计：同步时序设计是指通过时钟信号来同步电路的工作，即电路中的状态变化和信号传输仅在时钟边沿或触发沿上发生。
同步时序设计具有时钟稳定性好、抖动较小、电路布局布线灵活等优点，适用于大多数数字电路设计。
2. 异步时序设计：异步时序设计是指电路中的状态变化和信号传输在时钟信号之外的其他条件下发生，不依赖于时钟信号的同步控制。
异步时序设计适用于对响应时间要求较高或者对功耗控制较为重要的应用场景，但也存在着电路复杂、设计布线难度大、状态和信号的稳定性难以保证等缺点。
3. 管脚映射和物理布局：在时序设计中，管脚映射和物理布局是影响时序性能的重要因素。
数字电路第6章(1时序逻辑电路分析方法)
数字电路第6章(1时序逻辑电路分析方法)1、第六章时序规律电路本章主要内容6.1概述6.2时序规律电路的分析方法6.3若干常用的时序规律电路6.4时序规律电路的设计方法6.5时序规律电路中的竞争-冒险现象1.时序规律电路的特点2.时序规律电路的分类3.时序规律电路的功能描述方法§6.1概述一、时序规律电路的特点1、功能：任一时刻的输出不仅取决于该时刻的输入；还与电路原来的状态有关。
例:串行加法器:两个多位数从低位到高位逐位相加一、时序规律电路的特点2.电路结构①包含存储电路和组合电路，且存储电路必不行少；②存储电路的输出状态必需反馈到组合电路输入端，与输入变量共同确定组合规律的输出。
yi:输出信号xi:输2、入信号qi:存储电路的状态zi:存储电路的输入可以用三个方程组来描述：Z=G(X,Q)二、时序电路的分类1.依据存储电路中触发器的动作特点不同时序电路存储电路里全部触发器有一个统一的时钟源;触发器状态改变与时钟脉冲同步.同步：异步：没有统一的时钟脉冲，电路中要更新状态的触发器的翻转有先有后，是异步进行的。
二、时序电路的分类2.依据输出信号的特点不同时序电路输出信号不仅取决于存储电路的状态，而且还取决于输入变量。
Y=F(X,Q)米利(Mealy)型：穆尔(Moore)型：输出状态仅取决于存储电路的状态。
犹如步计数器Y=F(Q)三、时序规律电路的功能描述方法描述方法3、规律方程式状态转换表状态转换图时序图三、时序规律电路的功能描述方法(1)规律方程式：写出时序电路的输出方程、驱动方程和状态方程。
输出方程反映电路输出Y与输入X和状态Q之间关系表达式；驱动方程反映存储电路的输入Z与电路输入X和状态Q之间的关系状态方程反映时序电路次态Qn+1与驱动函数Z和现态Qn之间的关系三、时序规律电路的功能描述方法(2)状态〔转换〕表：反映输出Z、次态Qn+1和输入X、现态Qn间对应取值关系的表格。
(3)状态〔转换〕图：(4)时序图：反映时序规律电路状态转换规律及相应输入、输出取值关系的有向图形。
数字电子技术时序逻辑电路PPT
写驱动方程： J 0 K 0 1
J1 J2
Q3 K2
1
K1
1
J 3 Q1Q2
K3 1
写状态方程：
Q0n1 QQ1n2n11
n
Q0
Q3
n
Q2
n
Q1
（CP0 下降沿动作） （Q0 下降沿动作） （Q1下降沿动作）
Q3n 1
Q1Q2
画时序图： 该电路能够自启动。
5.1.2 异步时序逻辑电路的分析方法
异步时序电路的分析步骤：
① 写时钟方程； ② 写驱动方程； ③ 写状态方程； ④ 写输出方程。
[例5-2]试分析图示时序逻辑电路的逻辑功能，列出状态转换 表，并画出状态转换图。
解：图5-7所示电路为1个异步摩尔型时序逻辑电路。 写时钟方程：
Q3n（Q0
下降沿动作）
列状态转换表：
画状态转换图：
5.2 若干常用的时序逻辑电路 5.2.1寄存器
1. 基本寄存器
图5-2 双2位寄存器74LS75的逻辑图
图5-2所示为双2位寄存器74LS75的逻辑图。当 CPA = 1时，
送到数据输入端的数据被存入寄存器，当CPA =0时，存入
寄存器的数据将保持不变。
2n-1 M 2n
然后给电路的每一种状态分配与之对应的触发器状态组合。
4）确定触发器的类型，并求出电路的状态方程、驱动方程 和输出方程。 确定触发器类型后，可根据实际的状态转换图求出电路的状 态方程和输出方程，进而求出电路的驱动方程。
5）根据得到的驱动方程和输出方程，画出相应的逻辑图。
6) 判断所设计的电路能否自启动。
1.同步计数器 1)同步二进制计数器
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Q1n
T1n
X
Q1n
Xn Q1n X Q nQ1n1n Xn Q1n
Q2n1 T2n Q2n T2nQ2n
T Qn 将T1n、 T2n代入X则n得Q到1n Q2n X nQ1nQ2n
两个触发器的状态方程
填同3.作表步出方电法时路：序的状电现态入TT路描转转12nn述换Z换==分n输关表现XX=析入系nn及X态Q与的n状1Qn状表输发态2n现态格入器转Q控：的换1输态QnQ制输输图出及12入入入nn：组++1信及1=触合号现X次发输Xn、态n器出Q态触量1Qn的ZQ1n2次nn 现XnQ输1n出Q2n
同
写各触发器的控讲制义函数 如T、J、K、D。
步
写电路的输出函P数334 组合电路的输出
时
序 电
写触描发述器输的入状与态状方态程 转换关系的表格
特性方程
路
的
作状态转换表及状态转换图
分
画出时钟脉冲作用下
析
作时序波形图 的输入、输出波形图
方
法
描述电路的逻辑功能
同步时序电路分析
例 1： 某同步逻辑系统的逻辑模型如图5-3-4所示，试确定该系统
与电路的前一时刻的状态无关。
2. 时序电路：
电路在某一给定时刻的输出
取决于该时刻电路由的触输发入器保存 还取决于前一时刻电路的状态
时序电路： 组合电路 + 触发器
电路的状态与时间顺序有关
第一节 时序电路概述
时序电路的结构 输入信号
输出信号
输出方程：
X1
Z（tn） = F[X（tn），Y（tn）]Xn
的逻辑行为特性。
解： 根据时序逻辑的基本分析概念
&
Z
可知，分析时序逻辑系统时应先根 X 据电路模型建立逻辑模型，也就是
&
不考虑内部电路特性，只关系电路 的逻辑关系。然后根据逻辑模型列
1 &
1 Y
写出系统激励方程、输出方程和状
Q
态方程等。
Q
1D
C1
CP
（1）列写系统激励方程和输出方程。
激励方程为 Y XQ n XQ n X Q n
电路属于米莱型、可控模4计数器电路。
例3：PLA和D触发器组成的同步时序电路如图所示，要求： （1）写出电路的驱动方程、输出方程。 （2）分析电路功能，画出电路的状态转换图。
第六章 时序逻辑电路
第一节 时序电路概述 第二节 同步时序电路的分析 第三节 同步时序电路的设计 第四节 异步时序电路 小结
第六章 时序逻辑电路
本章学习重点
1. 掌握同步时序逻辑电路的分析方法 2. 掌握同步时序逻辑电路的设计方法
第一节 时序电路概述
组合电路与时序电路的区别
P333
1. 组合电路： 电路的输出只与电路的输入有关，
0
0
1
Z
1 Y
1D
C1
CP
同步时序电路分析
（4）绘制状态转换图
输入 现态 次态 控制 输出
0/0 0
1/0 1 0/0
1/1 (X/Z)
X
Qn
Qn+1
Y
Z
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
0
0
1
（5）逻辑行为分析
分析可得到结论，该电路是模2计数器，由输入信 号控制计数器的工作。输入信号为1开始计数工作，否 则保持原态。
组合电路
状态方次程态：或新状态
现态Y，K或Y原1 状态
Y（tn+1）= G[W（tn），Y（tn）] 控制方程:
存储电路
Z1 Zn
W1 Wh 控制信号
W（tn） = H[X（tn），Y（tn）] 输出状态 式中：tn、tn+1表示相邻的两个离散时间
时钟信号 未注明
第一节 时序电路概述
时序电路的分类
Xn Q2n Q1n 所有组合
Xn Q2n Q1n T2n T1n Q2n+1 Q1n+1 Zn
0T1n = 0Xn 0 0 0 0 0
0
求T1nT2nZn
0T2n
0
Z=n01X=nQX101nnQ2n0Q0 1n
0 0
0 1
1 0
0 0
由状态方程 0 1 1 0 0 1 1
0
求Q2n+1 Q1n+1
1. 输出Z（tn）与现态Y（tn）及输入X（tn）的关系分：
Z（tn） =
F[Y（tn）]
穆尔型（Moore）电路
F[X（tn），Y（tn）] 米莱型（Mealy）
2. 从控制时序状态的脉冲源来分：
同步： 存储电路里所有触发器由一个统一
时序电路
的时钟脉冲源控制
异步：没有统一的时钟脉冲
第二节 同步时序电路分析 输入端的表达式，
同步时序电路分析
例2：已知某同步时序电路的逻辑图，试分析其逻辑功能。
解：1.写出各触发器的控制函数和电路的输出函数。
控制函数： T1n = Xn T2n = XnQ1n
输出函数: Zn = XnQ2nQ1n
2.写状态方程
T触发器的状态 方程为：
Qn1 TQn TQn
Q Q1n
1nQX12nΒιβλιοθήκη T1n同步时序电路分析
0/0
5. 逻辑功能描述（逻辑行为分析）
0/0
Xn/Zn
由状态图得电路的逻辑功能：
1/0
00
01
电路是一个可控模4计数器。
X端是控制端，时钟脉冲
1/1
1/0
作为计数脉冲输入。 X=1 初态为00时，
11
10
1/0
实现模4加计数;
0/0
0/0
X=0时 保持原 态。
输出不仅取决于电路本身的状态，而且也与输入变量X有关。
1 1
00 0 1 0 1 01 1 1 1 0
0 0
1 10 0 1 1 1
0
1 11 1 1 0 0
1
同步时序电路分析
0/0
0/0
转换条件 由状态转电表换路绘方状出向态状态图
Xn/Zn
0/0
1/0
00
01
1/1
1/0
11
10
1/0
0/0
现 入 现 态 现控制入 次 态 现输出
Xn Q2n Q1n T2n T1n Q2n+1 Q1n+1 Zn 0 0 0 0 00 0 0 0 0 1 0 00 1 0 0 1 00 01 0 0 0 1 1 0 01 1 0 1 0 0 0 10 1 0 1 0 1 1 11 0 0 1 1 0 0 11 1 0
输出方程为
Z XQ n
同步时序电路分析
（2）列写触发器的状态方程
X
根据D触发器的特征方程有：
Qn1 D Y X Qn
（3）根据激励方程、输出方程和状 态方程列写系统状态转换表。
&
& 1
& Q Q
输入 现态 次态 控制 输出
Z XQ n
X
Qn
Qn+1
Y
Z
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
1 1 1 1 10 0 1
同步时序电路分析
4初.作始时状序态波Q形2n图Q1n为00，输入X加=X计1模的数4序列为1111100111。
对于一些时 序电路，从 波形图更容 易判断电路 的逻辑功能
X=1模4
X=0
加计数
保持原态
1 0101 01 10 0 00 10 0
11 0 0 01 0 00