时序逻辑电路的自启动设计
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电子电路辅导课件2-6(时序电路)
同步时序电路的时 钟方程可省去不写。
写 方 程 式
输出方程：
Y Q Q
n 1
n 2
输出仅与电路现态有关， 为穆尔型时序电路。
J 2 Q1n n 驱动方程： J1 Q0 n J 0 Q2
K 2 Q1n K1 Q0n K0 Q
n 2
3
2
求状态方程
JK触发器的特性方程：
26
2.常用的集成计数器
Q0 Q1 Q2 Q 3
1）4位集成二进制同 步加法计数器 74LS161/163
CTT CTP CP 74LS161
CO LD
CR D0
D1 D 2 D3
②CR=1、LD=0时同步置数。 ①CR=0时异步清零。 ③CR=LD=1且CPT=CPP=1时，按照4位自然二进制码进行 同步二进制计数。 ④CR=LD=1且CPT· P=0时，计数器状态保持不变。 CP
Q
n 1
JQ KQ
n
n
将各触发器的驱动方程代入，即得电路的状态方程：
n n n Q2 1 J 2Q2n K 2Q2 Q1nQ2n Q1nQ2 Q1n n 1 n n n Q1 J1Q1n K1Q1n Q0 Q1n Q0 Q1n Q0 n 1 n n Q0 J 0Q0n K 0Q0 Q2nQ0n Q2nQ0 Q2n
15
n n Q0 1 Q0 n n n Q1n1 ( X Q0 ) Q1n X Q0 Q1n X Q0 Q1n
状态转换表 状态转换图
Q1Q0 X/Z 00 0/1 11 0/0 0/0 1/0 1/0 01 0/0 10
CP
X
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
第27讲 时序逻辑电路的分析
Y = Q2
第5章
n
时序逻辑电路
J 0 = K 0 = Q2 n n J 1 = K 1 = Q0 n n n J = Q Q ,K = Q 2 1 0 2 2
Q0 n+1 = J 0 Q0 n + K 0Q0 n = Q2 n Q0 n +Q2 nQ0 n = Q0 n Q2 n n n+1 n n n n n n n Q1 = J 1 Q1 + K 1Q1 = Q0 Q1 +Q0 Q1 = Q0 Q1 n+1 Q2 = J 2 Q2 n + K 2Q2 n = Q1nQ0 n Q2 n +Q2 nQ2 n = Q1nQ0 n Q2 n
第5章
时序逻辑电路
第27讲 时序逻辑电路的分析
1
第5章
时序逻辑电路
第5章 时序逻辑电路
5.1 概述 5.2 时序逻辑电路分析
5.3 计数器
5.4 寄存器 5.5 时序逻辑电路设计
2
第5章
时序逻辑电路
5.1
5.1.1
概
述
时序逻辑电路的特点
在组合逻辑电路中，任一时刻的输出信号仅由当时的输 入信号决定，当输入信号发生变化时，输出信号就相应地发
15
第5章
时序逻辑电路
16
第5章
时序逻辑电路
(3) 画状态图和时序图。由状态表可画出电路的状态图
和时序图，如图5.3和图5.4所示。
17
第5章
时序逻辑电路
图5.3 例5-1的状态图
18
第5章
时序逻辑电路
图5.4 例5-1的时序图
19
第5章
数字电子技术基础知识点总结
时序逻辑电路分析的一般步骤 :
1. 观察电路的结构，确定电路是同步时序逻辑电路还是 异步时序逻辑电路，是米里型电路还是莫尔型电路。
2. 根据给定的时序电路图,写出下列各逻辑方程式：
(1) 写出各触发器的时钟方程。 (2) 写出时序逻辑电路的输出方程。 (3) 写出各触发器的驱动方程。 (4) 将各触发器的驱动方程代入其特性方程，求得各触发器的次态方 程.
Rb
1
20kΩ
+VCC（ +12V ） RC 1kΩ
3
VO
β=50
2
（a）
（b）
（c）
R b1
1
15kΩ
R b2 51kΩ
+VCC （+12V ） RC 1kΩ
V
3
O
β=50
2
5V
R b1
1
15kΩ R b2
51kΩ
+VCC （+15V ） RC 2kΩ
V
3
O
β=50
2
-3V （d）
-3V （e）
基本定律和恒等式
第四章 触发器
基本要求 1.熟练掌握各类触发器的逻辑功能（功能表、特性方 程、状态转换图、驱动表）。 2. 熟练掌握各种不同结构的触发器的触发特点，并能 够熟练画出工作波形。 3.熟悉触发器的主要参数。 4.熟悉各类触发器间的相互转换。 5.了解各类触发器的结构和工作原理。
1 写出图示各电路的状态方程。
5. 根据逻辑函数 表达式画出逻辑 电路图。
第三章 组合逻辑模块及其应用
基本要求 1.熟练掌握译码器、编码器、数据选择器、数值比 较器的逻辑功能及常用中规模集成电路的应用。 2.熟练掌握半加器、全加器的逻辑功能，设计方法。 3.正确理解以下基本概念：
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。
第4章 时序逻辑电路
建立时间tsetup：输入信号D在时钟边沿到达前需稳定的时间
保持时间thold ：输入信号D在时钟边沿到达后需继续稳定的时间
20
2.4 D触发器
带使能端的D触发器：通过使能端EN信号来控制是否在时钟信号的触
发边沿进行数据的存储。
2选1
多路复用器
EN有效（=1） 选择外部D输入
EN无效（=0） 保持触发器当前的输出
D锁存器状态表、状态图和特征方程
状态转移表
D
Q*
0
1
0
1
D锁存器的时序图
特征方程：Q* = D（C=1）
状态图
D=1
D=0
0
1
D=1
D=0
D
C
Q
18
2.4 D触发器
由一对主、从D锁存器构成
主
D触发器符号
CLK
从
主锁存器
从锁存器
L
写入
不变
上升沿
锁存
开始写入
H
不变
写入
从锁存器只在时钟CLK的上升沿到来时采样主锁存器的输出QM的
• 输出逻辑模块G ：输出函数（现态和外部输入的逻辑函数）
Mealy型：输出依赖于当前状态和当前输入信号
Moore型：输出仅依赖于当前状态，和当前输入信号无关
输出=G(现态,输入)
标准脉冲信号
属于Mealy型时序逻辑电路
6
1.2 时序逻辑电路基本结构
Moore型：输出信号仅依赖于当前状态。
输出=G(现态)
在置位态下，若R输入变为高电平，则经过两级门延迟变为复位态
时序逻辑电路的自启动设计
时序逻辑电路旳自开启设计
——能够经过修改卡诺图化简方案旳措施 使电路具有自开启功能。
例1 设计一种七进制计数器，要求它能够自开启。 已知该计数器旳状态转换图及状态编码如下图：
Introduction
根据状态转换图，能够得到：
按照卡诺图化简旳最简 要求可得到方程：
Q1n+1 = Q2 Q3 Q2n+1 = Q1 Q3n+1 = Q2
Q1n+1 = Q2 Q3 Q2n+1 = Q1 + Q2 Q3 Q3n+1 = Q2，
Introduction
修改后旳电路状态转换图如下：
Introduction
例2 设计一种能自开启旳3位环形计数器。要求 它旳有效循环状态为100010 001 100
解：根据题目要求旳状态循环，电路旳状态转 换图和次态卡诺图如图：
Introduction
实际上，涉及在圈里旳任意项取为1，而在圈外旳任意项取 为0。即无效状态旳次态已被指定。 若这个指定旳次态属于有效循环中旳状态，电路能够自开 启；反之则不能够自开启。 后者能够经过修改指定状态（即变化方程旳化简方式）使 其具有自开启功能。 为使电路能够自开启，可将000旳次态指定为一种有效状 态：010，得到修改正旳状态方程为：
➢逻辑图如下：
Introduction
为保持移位寄存器内部构造不变，只允 许修改第一位触发器旳输入。所以修改Q1,
n+1 = Q1 Q2 Q2n+1 = Q1 Q3n+1 = Q2
Introduction
若选用D触发器构造此计数器，驱动方程为： D1 = Q1n+1 = Q1 Q2 = Q1 + Q2 D2 = Q2n+1 = Q1 D3 = Q3n+1 = Q2
——能够经过修改卡诺图化简方案旳措施 使电路具有自开启功能。
例1 设计一种七进制计数器，要求它能够自开启。 已知该计数器旳状态转换图及状态编码如下图：
Introduction
根据状态转换图，能够得到：
按照卡诺图化简旳最简 要求可得到方程：
Q1n+1 = Q2 Q3 Q2n+1 = Q1 Q3n+1 = Q2
Q1n+1 = Q2 Q3 Q2n+1 = Q1 + Q2 Q3 Q3n+1 = Q2，
Introduction
修改后旳电路状态转换图如下：
Introduction
例2 设计一种能自开启旳3位环形计数器。要求 它旳有效循环状态为100010 001 100
解：根据题目要求旳状态循环，电路旳状态转 换图和次态卡诺图如图：
Introduction
实际上，涉及在圈里旳任意项取为1，而在圈外旳任意项取 为0。即无效状态旳次态已被指定。 若这个指定旳次态属于有效循环中旳状态，电路能够自开 启；反之则不能够自开启。 后者能够经过修改指定状态（即变化方程旳化简方式）使 其具有自开启功能。 为使电路能够自开启，可将000旳次态指定为一种有效状 态：010，得到修改正旳状态方程为：
➢逻辑图如下：
Introduction
为保持移位寄存器内部构造不变，只允 许修改第一位触发器旳输入。所以修改Q1,
n+1 = Q1 Q2 Q2n+1 = Q1 Q3n+1 = Q2
Introduction
若选用D触发器构造此计数器，驱动方程为： D1 = Q1n+1 = Q1 Q2 = Q1 + Q2 D2 = Q2n+1 = Q1 D3 = Q3n+1 = Q2
数电第六章时序逻辑电路
• 根据简化的状态转换图，对状态进行编码，画出编码形式 的状态图或状态表
• 选择触发器的类型和个数 • 求电路的输出方程及各触发器的驱动方程 • 画逻辑电路图，并检查电路的自启动能力 EWB
典型时序逻辑集成电路
• 寄存器和移位寄存器 – 寄存器 – 移位寄存器 –集成移位寄存器及其应用 • 计数器 – 计数器的定义和分类 – 常用集成计数器 • 74LVC161 • 74HC/HCT390 • 74HC/HCT4017 – 应用 • 计数器的级联 • 组成任意进制计数器 • 组成分频器 • 组成序列信号发生器和脉冲分配器
– 各触发器的特性方程组：Q n1 J Q n KQ n CP
2. 将驱动方程组代入相应触发器的特性方程,求出各触发器 的次态方程,即时序电路的状态方程组
n n FF0：Q0 1 Q 0 CP n n n FF1：Q1 1 A Q0 Q1 CP
同步时序逻辑电路分析举例(例6.2.2C)
分析时序逻辑电路的一般步骤
• 根据给定的时序电路图写方程式 – 各触发器的时钟信号CP的逻辑表达式(同步、异步之分) – 时序电路的输出方程组 – 各触发器的驱动（激励）方程组 • 将驱动方程组代入相应触发器的特性方程,求出各触发器 的次态方程,即时序电路的状态方程组 • 根据状态方程组和输出方程组,列出该时序电路的状态 表,画状态图或时序图 • 判断、总结该时序电路的逻辑功能
• 电路中存在反馈
驱动方程、激励方程: E F2 ( I , Q )
状态方程 : Q n1 F3 ( E , Q n ) • 电路状态由当前输入信号和前一时刻的状态共同决定
• 分为同步时序电路和异步时序电路两大类
什么是组合逻辑电路?
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Introduction
修改后的电路状态转换图如下： 修改后的电路状态转换图如下：
Introduction
设计一个能自启动的3位环形计数器 位环形计数器。 例2 设计一个能自启动的 位环形计数器。要求 它的有效循环状态为100→010 → 001 → 100 它的有效循环状态为 → 根据题目要求的状态循环， 解：根据题目要求的状态循环，电路的状态转 换图和次态卡诺图如图： 换图和次态卡诺图如图：
Introduction
பைடு நூலகம்
为保持移位寄存器内部结构不变， 为保持移位寄存器内部结构不变，只允 许修改第一位触发器的输入。所以修改Q 许修改第一位触发器的输入。所以修改Q1, 得到修改后的次态卡诺图如下： 得到修改后的次态卡诺图如下：
修改后的状态方程如： 修改后的状态方程如： Q1n+1 = Q1 Q2 Q2n+1 = Q1 Q3n+1 = Q2
时序逻辑电路的自启动设计
——可以通过修改卡诺图化简方案的方法 可以通过修改卡诺图化简方案的方法 使电路具有自启动功能。 使电路具有自启动功能。
例1 设计一个七进制计数器，要求它能够自启动。 设计一个七进制计数器，要求它能够自启动。 已知该计数器的状态转换图及状态编码如下图： 已知该计数器的状态转换图及状态编码如下图：
Introduction
如只考虑使状态方程最简单， 如只考虑使状态方程最简单，则可将卡诺 图化简得到最简单的形式： 图化简得到最简单的形式： Q3Q2Q1的无效状态 Q1n+1 = Q3 000、011、101、 000、011、101、 Q2n+1 = Q1 110、111分别带入 110、111分别带入 ，得到如下图中的 Q3n+1 = Q2 实线链连接的状态 转换图。 转换图。 显然设计的电路不能自启动
Introduction
若选用D触发器构造此计数器，驱动方程为： 若选用 触发器构造此计数器，驱动方程为： 触发器构造此计数器 D1 = Q1n+1 = Q1 Q2 = Q1 + Q2 D2 = Q2n+1 = Q1 D3 = Q3n+1 = Q2 逻辑图如下： 逻辑图如下：
Introduction
Introduction
根据状态转换图，可以得到： 根据状态转换图，可以得到：
按照卡诺图化简的最简 要求可得到方程： 要求可得到方程： Q1n+1 = Q2 ⊕ Q3 Q2n+1 = Q1 Q3n+1 = Q2
Introduction
实际上，包括在圈里的任意项取为1 实际上，包括在圈里的任意项取为1，而在圈外的任意项 取为0 即无效状态的次态已被指定。 取为0。即无效状态的次态已被指定。 若这个指定的次态属于有效循环中的状态， 若这个指定的次态属于有效循环中的状态，电路可以自启 反之则不可以自启动。 动；反之则不可以自启动。 后者可以通过修改指定状态（即改变方程的化简方式） 后者可以通过修改指定状态（即改变方程的化简方式）使 其具备自启动功能。 其具备自启动功能。 为使电路能够自启动，可将000的次态指定为一个有效状 为使电路能够自启动，可将000的次态指定为一个有效状 000 010，得到修改过的状态方程为： 态：010，得到修改过的状态方程为： Q1n+1 = Q2 ⊕ Q3 Q2n+1 = Q1 + Q2 Q3 Q3n+1 = Q2， ，
修改后的电路状态转换图如下： 修改后的电路状态转换图如下：
Introduction
设计一个能自启动的3位环形计数器 位环形计数器。 例2 设计一个能自启动的 位环形计数器。要求 它的有效循环状态为100→010 → 001 → 100 它的有效循环状态为 → 根据题目要求的状态循环， 解：根据题目要求的状态循环，电路的状态转 换图和次态卡诺图如图： 换图和次态卡诺图如图：
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பைடு நூலகம்
为保持移位寄存器内部结构不变， 为保持移位寄存器内部结构不变，只允 许修改第一位触发器的输入。所以修改Q 许修改第一位触发器的输入。所以修改Q1, 得到修改后的次态卡诺图如下： 得到修改后的次态卡诺图如下：
修改后的状态方程如： 修改后的状态方程如： Q1n+1 = Q1 Q2 Q2n+1 = Q1 Q3n+1 = Q2
时序逻辑电路的自启动设计
——可以通过修改卡诺图化简方案的方法 可以通过修改卡诺图化简方案的方法 使电路具有自启动功能。 使电路具有自启动功能。
例1 设计一个七进制计数器，要求它能够自启动。 设计一个七进制计数器，要求它能够自启动。 已知该计数器的状态转换图及状态编码如下图： 已知该计数器的状态转换图及状态编码如下图：
Introduction
如只考虑使状态方程最简单， 如只考虑使状态方程最简单，则可将卡诺 图化简得到最简单的形式： 图化简得到最简单的形式： Q3Q2Q1的无效状态 Q1n+1 = Q3 000、011、101、 000、011、101、 Q2n+1 = Q1 110、111分别带入 110、111分别带入 ，得到如下图中的 Q3n+1 = Q2 实线链连接的状态 转换图。 转换图。 显然设计的电路不能自启动
Introduction
若选用D触发器构造此计数器，驱动方程为： 若选用 触发器构造此计数器，驱动方程为： 触发器构造此计数器 D1 = Q1n+1 = Q1 Q2 = Q1 + Q2 D2 = Q2n+1 = Q1 D3 = Q3n+1 = Q2 逻辑图如下： 逻辑图如下：
Introduction
Introduction
根据状态转换图，可以得到： 根据状态转换图，可以得到：
按照卡诺图化简的最简 要求可得到方程： 要求可得到方程： Q1n+1 = Q2 ⊕ Q3 Q2n+1 = Q1 Q3n+1 = Q2
Introduction
实际上，包括在圈里的任意项取为1 实际上，包括在圈里的任意项取为1，而在圈外的任意项 取为0 即无效状态的次态已被指定。 取为0。即无效状态的次态已被指定。 若这个指定的次态属于有效循环中的状态， 若这个指定的次态属于有效循环中的状态，电路可以自启 反之则不可以自启动。 动；反之则不可以自启动。 后者可以通过修改指定状态（即改变方程的化简方式） 后者可以通过修改指定状态（即改变方程的化简方式）使 其具备自启动功能。 其具备自启动功能。 为使电路能够自启动，可将000的次态指定为一个有效状 为使电路能够自启动，可将000的次态指定为一个有效状 000 010，得到修改过的状态方程为： 态：010，得到修改过的状态方程为： Q1n+1 = Q2 ⊕ Q3 Q2n+1 = Q1 + Q2 Q3 Q3n+1 = Q2， ，