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。
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。
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);
时序逻辑电路设计
时序逻辑电路设计
时序电路设计又称时序电路综合，它是时序电路分析的逆过程，即依据给定的规律功能要求，选择适当的规律器件，设计出符合要求的时序规律电路，对时序电路的设计除了设计方法的问题还应留意时序协作的问题。
时序规律电路可用触发器及门电路设计，也可用时序的中规模的集成器件构成，以下我们分别介绍它们的设计步骤。
1.用SSI器件设计时序规律电路
用触发器及门电路设计时序规律电路的一般步骤如图所示。
（1）由给定的规律功能求出原始状态图：首先分析给定的规律功能，从而求出对应的状态转换图。
这种直接由要求实现的规律功能求得的状态转换图叫做原始状态图。
（2）状态化简：依据给定要求得到的原始状态图很可能包含有多余的状态，需要进行状态化简或状态合并。
状态化简是建立在状态等价这个概念的基础上的。
（3）状态编码、并画出编码形式的状态图及状态表：在得到简化的状态图后，要对每一个状态指定1个二进制代码，这就是状态编码（或称状态安排）。
（4）选择触发器的类型及个数：
（5）求电路的输出方程及各触发器的驱动方程：依据编码后的状态表及触发器的驱动表可求得电路的输出方程和各触发器的驱动方程。
（6）画规律电路，并检查自启动力量。
2.用MSI中规模时序规律器件构成时序规律电路
用中规模时序规律器件构成的时序功能电路主要是指用集成计数器构成任意进制计数器。
构成任意进制计数器的方法有两种：一种是置数法，另一种是归零法。
时序逻辑电路的设计与实现
时序逻辑电路的设计与实现时序逻辑电路是数字电路中的一种重要类型，它可以根据输入信号的变化和先后顺序，产生相应的输出信号。
本文将介绍时序逻辑电路的设计与实现，并探讨其中的关键步骤和技术。
一、概述时序逻辑电路是根据时钟信号的变化产生输出信号的电路，它可以存储信息并根据特定的时序条件进行信号转换。
常见的时序逻辑电路包括触发器、计数器、移位寄存器等。
二、时序逻辑电路的设计步骤1. 确定需求：首先需要明确所要设计的时序逻辑电路的功能和性能需求，例如输入信号的种类和范围、输出信号的逻辑关系等。
2. 逻辑设计：根据需求，进行逻辑设计，确定逻辑门电路的组合方式、逻辑关系等。
可以使用真值表、状态转换图、状态表等方法进行设计。
3. 时序设计：根据逻辑设计的结果，设计时序电路，确定触发器的类型和触发方式，确定时钟信号的频率和相位，以及信号的启动和停止条件等。
4. 电路设计：将逻辑电路和时序电路整合，并进行布线设计。
通过选择合适的器件和元器件，设计稳定可靠的电路。
5. 功能验证：对设计的时序逻辑电路进行仿真验证，确保电路的功能和性能符合设计要求。
三、时序逻辑电路的实现技术1. 触发器：触发器是时序逻辑电路的基本组成部分，常见的触发器有RS触发器、D触发器、T触发器等。
通过组合和串联不同类型的触发器，可以实现不同的功能。
2. 计数器：计数器是一种特殊的时序逻辑电路，用于计数和记录输入脉冲信号的次数。
常见的计数器有二进制计数器、十进制计数器等。
3. 移位寄存器：移位寄存器是一种能够将数据向左或向右移位的时序逻辑电路。
它可以在输入端输入一个位串，随着时钟信号的变化，将位串逐位地向左或向右移位，并将移出的位存储起来。
四、时序逻辑电路的应用领域时序逻辑电路广泛应用于数字系统中，例如计算机中的控制单元、存储器等。
它们在数据处理、信息传输、控制信号处理等方面发挥着重要作用。
总结：时序逻辑电路的设计与实现是一项复杂而重要的任务。
在设计过程中，需明确需求、进行逻辑设计和时序设计，并通过合适的触发器、计数器和移位寄存器等元件来实现功能。
6.4 时序逻辑电路的设计方法
*
*
C Q 2Q 0
Q 0 Q 0'
*
选用J、K触发器
根据 : Q * JQ ' K ' Q
J2 Q1Q 0 , K 2 Q0
J 1 Q 2' Q 0 ,
J 0 1,
K1 Q0
K0 1
(4)画逻辑图
S*/YZ AB
S
00 S0/00
01 S1/00
11 x/xx
10 S2/00
S0 S1
S1/00
S2/00
S2/00
S0/10
x/xx
x/xx
S0/10
S0/11
S2
状态转换图
以00、01、10分别代表S0、S1、S2，
得次态/输出卡诺图
* *
Q 1 Q 0 / YZ
状态方程、驱动方程、输出方程
J 1 XQ K1 X '
0
Q 0 * X Q 1Q 0 ( X Q 1 ) Q 0 1Q 0
J 0 X Q 1 K01
检查自启动
状态“11” 代入状态方程 和输出方程，分别求 X=0/1下的次态和输出， 得到：
X 0时， Q 1 * Q 0 * 00 ， Y 0 X 1时， Q 1 * Q 0 * 10 ， Y 1
11
100/0 xXX/X
11 10
10
011/0 xXX/X
0 0
*
1 0
0 X
1 X
Q 1 Q 2 ' Q 0 Q 1' Q 0 ' Q 1
时序逻辑电路的基本设计步骤
时序逻辑电路的基本设计步骤时序逻辑电路是数字电路的重要组成部分，它根据时钟信号的变化控制不同的输出状态。
时序逻辑电路的设计需要遵循一定的步骤，下面将介绍时序逻辑电路的基本设计步骤。
一、确定电路功能首先需要明确电路的功能，即输入和输出之间的关系。
这一步需要明确输入信号的种类和电路对输入信号的处理方式，以及输出信号的种类和电路对输出信号的生成方式。
二、建立状态转移图状态转移图是描述电路状态变化的图形化表示，它包括状态和状态之间的转移关系。
在建立状态转移图时，需要明确每个状态的含义和状态之间的转移关系，以便后续的电路设计。
三、建立状态表状态表是状态转移图的一种表格形式，它列出了所有可能的输入和输出组合以及对应的状态转移关系。
在建立状态表时，需要根据输入信号和状态转移图确定每个状态的输入、输出和转移条件。
四、设计电路逻辑方程在确定了状态表后，需要根据状态表设计电路的逻辑方程。
逻辑方程是根据输入信号、状态和输出信号之间的关系描述电路行为的数学表达式。
可以使用布尔代数等数学工具来设计电路的逻辑方程。
五、选择适当的电路元件根据电路的逻辑方程和输入输出的特性，需要选择适当的电路元件来实现电路功能。
常用的电路元件包括门电路、触发器、计数器等。
六、进行电路实现在选择了适当的电路元件后，需要进行电路实现。
电路实现可以使用数字集成电路或可编程逻辑器件等。
需要根据电路的逻辑方程和输入输出特性来进行电路的布线和连接。
七、进行电路测试在完成电路实现后，需要进行电路测试。
电路测试可以通过模拟测试或实际测试来进行。
在测试过程中需要检查输入输出是否符合电路设计要求，并对可能存在的故障进行排除。
八、进行电路优化在进行电路测试后，需要对电路进行优化。
电路优化可以通过简化逻辑方程、减少电路元件数量等方式来实现。
优化后的电路可以提高电路的性能和可靠性。
以上是时序逻辑电路的基本设计步骤。
在进行时序逻辑电路的设计时，需要按照以上步骤进行，以确保电路的正确性和可靠性。
时序逻辑电路的设计与时序分析方法
时序逻辑电路的设计与时序分析方法时序逻辑电路是数字电路中的一种重要类型，用于处理按时间顺序发生的事件。
它在各种电子设备中被广泛应用，例如计算机、通信设备等。
本文将介绍时序逻辑电路的设计原理和常用的时序分析方法。
一、时序逻辑电路的设计原理时序逻辑电路是根据输入信号的状态和时钟信号的边沿来确定输出信号的状态。
它的设计原理包括以下几个方面：1. 状态转移：时序逻辑电路的状态是通过状态转移实现的。
状态转移可以使用触发器实现，触发器是一种存储元件，能够存储和改变信号的状态。
常见的触发器有D触发器、JK触发器等。
2. 时钟信号：时序逻辑电路中的时钟信号是控制状态转移的重要信号。
时钟信号通常为周期性的方波信号，它的上升沿或下降沿触发状态转移操作。
3. 同步与异步：时序逻辑电路可以是同步的或异步的。
同步电路通过时钟信号进行状态转移，多个状态转移操作在同一时钟周期内完成。
异步电路不需要时钟信号，根据输入信号的状态直接进行状态转移。
二、时序分析方法时序分析是对时序逻辑电路的功能和性能进行分析的过程，它可以帮助设计人员检查和验证电路的正确性和可靠性。
以下是几种常用的时序分析方法：1. 序时关系图：序时关系图是一种图形表示方法，它直观地显示了输入信号和输出信号之间的时间关系。
通过分析序时关系图，可以确定电路的特性，例如最小延迟时间、最大延迟时间等。
2. 状态表和状态图：状态表是对时序逻辑电路状态转移过程的描述表格，其中包括当前状态、输入信号和下一个状态的对应关系。
状态图是对状态表的图形化表示，用图形的方式展示状态和状态转移之间的关系。
3. 时钟周期分析：时钟周期分析是对时序逻辑电路的时钟频率和时钟周期进行分析，以确保电路能够在规定的时钟周期内完成状态转移操作。
常用的时钟周期分析方法包括最小周期分析和最大频率分析。
4. 时序仿真：时序仿真是通过计算机模拟时序逻辑电路的行为来验证电路的功能和性能。
通过输入不同的信号序列，可以观察和分析电路的输出响应，以判断电路设计是否正确。
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5.2 时序逻辑电路的设计方法
本次重点内容：
1、同步时序逻辑电路的设计方法。
2、异步时序逻辑电路的设计方法。
教学过程
5.2.1 同步时序逻辑电路的设计
一、同步时序逻辑电路的设计方法
设计关键：根据设计要求→确定状态转换的规律→求出各触发器的驱动方程。
设计步骤：（先简单介绍，通过以下的举例后，再进行总结，特别再点出设计关键）1．根据设计要求，设定状态，确定触发器数目和类型。
画出状态转换图。
2．状态化简
前提：保证满足逻辑功能要求。
方法：将等价状态（多余的重复状态）合并为一个状态。
3．状态分配，列出状态转换编码表
通常采用自然二进制数进行编码。
N为电路的状态数。
每个触发器表示一位二进制数，因此，触发器的数目n可按下式确定
2n≥N>2n–1
4．画状态转换卡诺图，求出状态方程、输出方程
选择触发器的类型（一般可选JKF/F或DF/F，由于JK触发器使用比较灵活，因此，在设计中多选用JK触发器。
）将状态方程和触发器的特性方程进行比较→驱动方程。
5．根据驱动方程和输出方程画逻辑图。
6．检查电路有无自启动能力。
如设计的电路存在无效状态时，应检查电路进入无效状态后，能否在时钟脉冲作用下自动返回有效状态工作。
如能回到有效状态，则电路有自启动能力；如不能，则需修改设计，使电路具有自启动能力。
二、同步时序逻辑电路的设计举例
[例1] 试设计一个同步七进制加法计数器。
解：设计步骤
（1）根据设计要求，设定状态，画状态转换图。
七进制→7个状态→用S0，S1，…，S6表示
状态转换图如下所示：
（2）状态化简。
本例中7个状态都是有效状态。
（3）状态分配，列状态转换编码表。
根据式2n≥N>2n–1，→ N＝7，n＝3，即采用三个触发器。
选用三位自然二进制加法计数编码→列出状态转换编码表。
（4）选择触发器的类型，求出状态方程，驱动方程和输出方程。
根据状态转换编码表→得到各触发器次态和输出函数的卡诺图。
得
输出方程为：
Y= Q2n Q1n
选用JK 触发器
（5）根据驱动方程和输出方程画逻辑电路图。
CP
（6）检查电路有无自启动能力。
电路有一个无效状态111，将该状态代入状态方程中得000。
这说明一旦电路进入无效状态时，只要再输入一个计数脉冲CP ，电路便回到有效状态000。
因此，具有自启动能力。
[例2] 设计一个脉冲序列为10100的序列脉冲发生器。
解：设计步骤
（1）根据设计要求设定状态，画状态转换图。
由于串行输出Y的脉冲序列为10100，故电路应有5个状态，即N＝5，它们分别用S0 ，S1 ，…，S4表示。
输入第一个时钟脉冲CP时，状态由S0转到S1 ，输出Y ＝1：输入第二个CP时，状态由S1转为S2 ，输出Y＝0；其余依次类推。
（2）状态分配，列出状态转换编码表。
根据式2n≥N>2n–1可知，在N＝5时，n＝3，即采用三位二进制代码。
（3）选择触发器类型，求输出方程、状态方程和驱动方程。
根据状态转换编码表→得各触发器次态和输出函数的卡诺图，进一步得出：
（4）根据驱动方程和输出方程画逻辑图。
1
（5）检查电路有无自启动能力。
该电路的3个无效状态10、110、111代入状态方程中进行计算后获得的010、010、000都为有效状态，这说明一旦电路进入无效状态时，只要继续输入时钟脉冲CP，电路便可自动返回有效状态工作。
电路有自启动能力。
思考：若设计异步时序电路，与同步时序电路应有何不同？
5.2.2 同步时序逻辑电路的设计
步骤：
1、由状态编码表画触发器输出波形图。
2、有波形图确定各触发器的时钟。
3、计算驱动端的表达式。
4、画逻辑电路图。
5、验证能否自启动。
例：设计五状态异步增1计数器。
1、状态编码表
2、波形图：
123456
CP
Q1
Q2
Q3
3、触发器时钟的确定：
由编码表知，电路要用3个触发器，选用JK触发器，3个触发器的时钟分别为CP1、CP2、CP3，由波形图可确定如下：CP1= CP，因ＪＫ触发器的翻转必须使时钟有负跳变，观察波形图可知，Ｑ１的时钟只能取自CP（计数脉冲），由于CP第5个脉冲负跳变到来后，要求Ｑ１不翻转，所以J1和K1需进行计算。
对于触发器Ｑ2，CP2＝Ｑ１，从波形图看，只要Ｑ１有负跳变，Ｑ2就应当翻转，当J2＝K2＝1时就能满足这一要求，所以J2和K2不必计算了。
对于触发器Ｑ3，CP3＝CP，从波形图看，CP为1，2，3时Ｑ3都不应该翻转，即时钟有多余的负跳变，所以J3和K3需进行计算。
4、计算J1,K1 J3，K3的表达式。
根据状态转换表：
并把Q3n
Q2n Q1n为101，110，111，状态作任意项处理，经卡诺图化简可以得到
Q 0001111001
3Q Q 210001111001
3Q Q 21
0001111001
3Q Q 210001111001
3Q Q
210000
11
111
1x
x x
x
x x x x x x
x
x x x x x
x
x
x
x x
x
Q Q Q J3
K3
J1
K1
J 1=n
Q 3, K 1=1 ；J 3＝Q 1n Q 2n
，K 3＝1 5、画逻辑电路图
CP
作业： 3，4。