数字电路 时序逻辑电路
数字电子技术基础第五章时序逻辑电路PPT课件
减小功耗
优化电路结构，降低电路的 功耗，减少能源浪费。
提高可靠性
通过优化设计，提高电路的 可靠性和稳定性，降低故障 发生的概率。
提高性能
优化电路结构，提高电路的 响应速度和性能，满足设计 要求。
05 时序逻辑电路的实现技术
基于中小规模集成电路的时序逻辑电路实现技术
概述
中小规模集成电路是将多个晶体管集成在一块芯片上，实现时序逻辑功能。
冒险现象
由于竞争现象的存在，时序逻辑电路 的输出可能会产生短暂的不确定状态， 这种现象称为冒险现象。
04 时序逻辑电路的设计方法
同步时序逻辑电路的设计方法
建立原始状态图
根据设计要求，确定系统的输入和输出变量，并使用状 态图表示系统的状态转换关系。
逻辑方程组
根据状态图和状态编码，列出逻辑方程组，包括状态转 移方程、输出方程和时钟方程。
分类
根据触发器的不同，时序逻辑电 路可分为同步时序电路和异步时 序电路；根据电路结构，可分为 摩尔型和米立型。
时序逻辑电路的功能与特点
功能
实现数据的存储、记忆、计数、分频 等功能。
特点
具有记忆功能、输出状态不仅与当前 输入有关还与之前状态有关、具有时 钟信号控制等。
时序逻辑电路的应用场景
01
02
数字电子技术基础第五章时序逻辑 电路ppt课件
目 录
• 时序逻辑电路概述 • 时序逻辑电路的基本电路的实现技术 • 时序逻辑电路的应用实例
01 时序逻辑电路概述
时序逻辑电路的定义与分类
定义
时序逻辑电路是一种具有记忆功 能的电路，其输出不仅取决于当 前的输入，还与之前的输入状态 有关。
03
数字钟
利用时序逻辑电路实现时 间的计数和显示。
电路基础原理数字电路中的组合逻辑与时序逻辑
电路基础原理数字电路中的组合逻辑与时序逻辑数字电路作为电子电路中的重要分支，涉及到了很多基础原理和概念，其中包括组合逻辑和时序逻辑。
这两者在数字电路的设计和实现中起着重要的作用。
在本文中，我们将探索数字电路中的组合逻辑和时序逻辑的基本原理和应用。
一、组合逻辑组合逻辑是指数字电路的输出只依赖于输入的当前状态，而不依赖于输入的之前的历史状态。
组合逻辑电路一般由逻辑门构成，包括与门、或门、非门等。
逻辑门可以根据输入的逻辑状态产生相应的输出。
组合逻辑的设计和实现中，最常见的是使用布尔代数进行逻辑分析和运算。
布尔代数使用逻辑运算符号来表示逻辑关系，如与（AND）、或（OR）、非（NOT）等。
通过对输入信号进行布尔运算，可以得到输出信号的逻辑关系。
组合逻辑电路的设计离不开真值表和卡诺图的运用。
这些工具可以帮助我们实现更高效的电路设计和优化。
组合逻辑的应用非常广泛，比如在计算机的内部电路和逻辑运算中，组合逻辑起到了至关重要的作用。
另外，在数字电子系统中，还有很多设备和模块都是通过组合逻辑来实现控制和数据处理的功能。
二、时序逻辑时序逻辑是指数字电路的输出不仅仅依赖于输入的当前状态，还可能受到输入的历史状态的影响。
时序逻辑电路一般由触发器、计数器、状态机等构成。
触发器是时序逻辑电路的基本单元，可以用来存储和传递信号。
时序逻辑电路的设计和实现中，需要考虑时序关系和时钟信号的影响。
时钟信号被认为是时序逻辑电路中最关键的信号，它用来同步和控制时序逻辑电路的运行。
通过时序逻辑的设计，可以实现更复杂的逻辑功能，如数据存储、状态切换和时序控制等。
时序逻辑的应用广泛存在于数字系统中，比如在计算机的控制和时序同步等方面。
此外，时序逻辑还被广泛应用于通信领域、嵌入式系统和数字信号处理中。
三、组合逻辑和时序逻辑的联系与区别组合逻辑和时序逻辑都是数字电路中重要的概念和技术，它们相互依存，共同构成了数字电路的基础。
组合逻辑是由逻辑门构成的，输出只依赖于当前输入的状态；而时序逻辑则以触发器为基础，能够存储和传递信号，输出受到原始输入和历史输入的共同影响。
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
时序逻辑电路
时序逻辑电路时序逻辑电路是一种在电子数字电路领域中应用广泛的重要概念，它主要用于解决电路中的时序问题，如时钟同步问题、时序逻辑分析等。
本文将详细介绍时序逻辑电路的基础概念、工作原理以及应用。
一、时序逻辑电路的基础概念1、时序逻辑和组合逻辑的区别组合逻辑电路是一类基于组合逻辑门的电路，其输出仅取决于输入信号的当前状态，不受先前的输入状态所影响。
而时序逻辑电路的输出则受到先前输入信号状态的影响。
2、时序逻辑电路的组成时序逻辑电路通常由时钟、触发器、寄存器等组成。
时钟信号被用于同步电路中的各个部分，触发器将输入信号存储在内部状态中，并在时钟信号的作用下用来更新输出状态。
寄存器则是一种特殊类型的触发器，它能够存储多个位的数据。
3、时序逻辑电路的分类根据时序逻辑电路的时序模型，可将其分为同步和异步电路。
同步电路按照时钟信号的周期性工作，这意味着电路通过提供时钟信号来同步所有操作，而操作仅在时钟上升沿或下降沿时才能发生。
异步电路不同，它不依赖时钟信号或时钟信号的上升和下降沿，所以在一次操作完成之前，下一次操作可能已经开始了。
二、时序逻辑电路的工作原理时序逻辑电路的主要工作原理基于触发器的行为和时钟电路的同步机制。
在时序逻辑电路中使用了一些触发器来存储电路状态，待时钟信号到达时更新输出。
时钟信号提供了同步的机制，确保电路中所有部分在时钟信号到达时同时工作。
触发器的基本工作原理是将输入信号存储到内部状态中，并在时钟信号的作用下，用来更新输出状态。
时钟信号的边沿触发触发器，即在上升沿或下降沿时触发触发器状态的更新。
这意味着在更新之前，电路的状态保持不变。
三、时序逻辑电路的应用1、时序电路在计算机系统中的应用时序逻辑电路在计算机系统中有着广泛的应用。
例如，计算机中的时钟信号可用来同步处理器、主存储器和其他外设间的工作。
此外，电路中的寄存器和触发器也被用于存储和更新信息，这些信息可以是计算机程序中的指令、运算结果或其他数据。
什么是数字电路有哪些常见的数字电路
什么是数字电路有哪些常见的数字电路数字电路是由数字信号来控制和处理信息的电子电路。
它主要以离散的时间和离散的状态为基础，使用逻辑门和存储器元件等构建，实现逻辑计算、数据存储、信号转换等功能。
数字电路在现代电子技术中具有广泛的应用，其常见的类型包括组合逻辑电路、时序逻辑电路、存储器电路和通信电路等。
一、组合逻辑电路组合逻辑电路是一种将多个逻辑门按照特定的连接方式组合而成的电路。
它的输出信号仅取决于当前输入信号的状态，与之前的输入状态无关。
在组合逻辑电路中，常见的逻辑门有与门、或门、非门、异或门等。
这些逻辑门可以根据不同的连接方式构成多种功能的组合逻辑电路，例如加法器、减法器、比较器等。
二、时序逻辑电路时序逻辑电路是一种能够根据时钟信号和输入信号的状态变化而改变输出信号的电路。
它与组合逻辑电路相比，具有了记忆功能，可用于实现带有时序要求的各种功能。
时序逻辑电路中常见的元件是触发器和计数器。
触发器能够在时钟信号的作用下存储和改变其输入信号的状态；计数器能够根据时钟信号进行加、减或清零操作，用于计数和控制信号的生成。
三、存储器电路存储器电路是一种能够存储和读取数据的电路。
在数字电路中，存储器通常分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两种类型。
RAM具有可读写的特性，能够存储和读取任意数据，常用于计算机内存等；而ROM一般是只读的，其存储内容在制造过程中被固化，用于存储程序或常量数据等。
四、通信电路通信电路指用于传输和接收数字信号的电路。
数字信号可以通过调制技术将其转换成模拟信号进行传输，也可以通过解调技术将模拟信号转换成数字信号进行接收和处理。
在通信电路中，常见的数字电路包括编码器、解码器、调制解调器等，它们能够将信息进行编码、压缩、调制和解码等操作，实现高效的数据传输和通信连接。
总结：数字电路是由离散的时间和状态来处理和控制信息的电子电路。
常见的数字电路类型包括组合逻辑电路、时序逻辑电路、存储器电路和通信电路。
数字电路时序逻辑路的启动方程、状态方程、和输出方程。
数字电路时序逻辑路的启动方程、状态方程、和输出方程。
数字电路时序逻辑路的启动方程、状态方程和输出方程是数字电路设计中的重要概念。
它们描述了时序逻辑电路的行为和功能。
在本文中，我们将详细介绍这三个方程的概念以及它们在数字电路设计中的作用。
一、启动方程（Startup Equation）数字电路的启动方程描述了电路在初始状态时的行为。
这是指在电路通电时，各个组件的初始状态以及它们的相互作用。
启动方程用于描述电路启动时的输入信号和电路的输出响应。
它是设计者了解和分析电路行为的基础。
在启动方程中，通常包括各个输入信号的初值以及它们对输出的影响。
通过研究启动方程，可以了解电路的稳态行为以及电路启动之后的响应时间。
二、状态方程（State Equation）状态方程用于描述数字电路中的状态变化。
它是一种差分方程，表示当前时刻电路的状态与上一时刻电路状态之间的关系。
状态方程可以用来描述电路的状态转换、状态稳定以及状态变化的过程。
在状态方程中，常用的表示符号是X(n+1) = F(X(n), D(n))，其中X(n)表示上一时刻的电路状态，X(n+1)表示当前时刻的电路状态，D(n)表示当前时刻的输入信号。
F是一个确定性的逻辑函数，它描述了电路状态的更新规则。
通过求解状态方程，可以得到电路的稳态解，即电路达到稳定状态时的各个组件的状态。
状态方程是数字电路设计中的重要工具，可以用于分析电路的稳态行为以及电路的状态变化。
三、输出方程（Output Equation）输出方程用于描述数字电路的输出信号与输入信号之间的关系。
它是一种逻辑函数，表示输出信号如何根据输入信号的不同取值而变化。
在输出方程中，常用的表示符号是Y = G(X(n))，其中Y表示输出信号，X(n)表示当前时刻的电路状态。
G是一个逻辑函数，它描述了输出信号如何与输入信号相关联。
通过输出方程，可以得到电路的输出信号与输入信号之间的关系。
输出方程是数字电路设计中的关键部分，它决定了电路的功能和行为。
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?
数字电子时序电路
Y
2.试分析如图所示时序逻辑电路的功能并检查电路能否自启动。
Q1 FF 1 1J C1 1K 1 Q0 FF 0 1J ┌ ┌ C1 1K 1 CP
=1 Z &
┌ ┌
=1
=1
X
（1）写输出方程
n Z ( X Q1n ) Q0
（2）写驱动方程
000
/1 /1
/0
001
/0
010
/0
011
/0
Q3Q2Q1
/Y
3
111
4 5 6 7
110
/0 101
/0
100
6） 时序图
CP Q1 Q2 Q3 1 2
7、分析电路的功能
t
0 0 t
1 0
1 0
t
t t
随CP的输入，电路循 环输出七个稳定状态， 所以是七进制计数器。 Y端的输出是此七进制 计数器的进位脉冲。
Q1n+1 = J1Q1+K1Q1 =Q3Q2 Q1 =（Q3+Q2 ） Q1 3) 状态方程 Q2n+1 = J2Q2+K2Q2 =Q2Q1+Q3Q2Q1 Q3n+1 = J3Q3+K3Q3 =Q3Q2Q1+Q3Q2
4）状态转换表
CP的顺序 Q3 Q2 Q1 Y 0 0 0 0 0 0 1 0 已知：
所以该电路是一个可控3进制计数器。当X=0时，作加法计数， Z=1是进位信号；当X=1时，作减法计数，Z=1是借位信号。
（8）检查电路的自启动情况 从状态表或状态图中可以看出，若电路的现态为有效循 环以外的状态11，则随着时钟的输入，电路的次态为00， 能自动进入主循环。所以，该电路可以自启动。
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§7.1 §7.2 §7.3 §7.4 §7.5
概述 时序逻辑电路的分析方法 计数器 寄存器和移位寄存器 计数器的应用举例
§7.1 概述
在数字电路中，凡是任一时刻的稳定 输出不仅决定于该时刻的输入，而且还和 电路原来的状态有关者，都叫做时序逻辑 电路，简称时序电路。
时序电路的特点：具有记忆功能。
2.写出所使用触发器的特性方程
Qn1 JQn KQn
3.将驱动方程代入特性方程,写出该电路的状态方程
Qn1 0
Q0n
CP的下降边翻
Qn1 1
Qn0 Q1n
Q0nQ10
CP的下降边翻
Qn1 2
Q1nQn0 Q2n
Q1nQn0 Qn2
CP的下降边翻
4.画出该电路的状态转换图
000
001 010 011
D1 Q1 Q1
D2 Q2 Q2
三位二进制异步加法计数器
000 0 01 010
0 11 100
1 01
思考题：试画出三位二进
1 10 1 11
制异步减法计数器的电路 0 0 0 图，简并单分的析时其序工电作路过,直程接。列真值0 表0 或1
画时序波形图就能分析清楚0其1 0
异步计数器优点：电路简单、可靠。 逻辑功能。
1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 001
2 0 0 1 0 0 1 1 1 1 010
3 0 1 0 0 0 0 0 1 1 011
4 0 1 1 1 1 1 1 1 100
5 1 0 0 0 0 0 0 1 1 101
6 1 0 1 0 0 1 1 1 1 110
7 1 1 0 0 0 0 0 1 1 111
§7.3 计数器
7.3.1 计数器的功能和分类
1. 计数器的作用
记忆输入脉冲的个数；用于定时、分频、产 生节拍脉冲及进行数字运算等等。
2. 计数器的分类
按工作方式分：同步计数器和异步计数器。
按功能分：加法计数器、减法计数器和可逆计数器。
按计数器的计数容量(或称模数)来分：各种不同的 计数器，如二进制计数器、十进制计数器、二－十 进制计数器等等。
异步计数器缺点：速度慢。
Q0Q1
7.3.3 同步计数器的分析
同步计数器的特点：在同步计数器内部，各个 触发器都受同一时钟脉冲——输入计数脉冲的 控制，因此，它们状态的更新几乎是同时的， 故被称为 “ 同步计数器 ”。
例：三位复二杂进的制时同序步电加路法，计就数要器先。写驱动 方程，再写出状态方程，画出状
J0 = K0 = 1
Q0： 来一个CP，它就翻转一次； Q1：当Q0＝1时，它可翻转一次； Q2：只有当Q1Q0＝11时，它才能翻转一次。
2. 再列写状态转换表，分析其状态转换过程。
CP
原状态 Q2 Q1 Q0
J2＝
控 K2＝
制
端
J1＝ K1＝ J0＝1
K0＝1
下,状态, ,
Q2 Q1 Q0
Q1Q0 Q1Q0 Q0 Q0
001
0
001
010
0
010
011
0
011
100
0
100
000
1
101
010
0
110
010
0
111
000
0
⑤ 由状态表作如下所示状态图：
Q2Q1Q0/C 111
110
000 /0
/0 001
010
101
/0
100
011
/1
/0
⑥ 结论：该电路是一个同步五进制（模5）的加 法计数器，能够自动启动，C为进位端。
Q2态 辑J2 转 功换能& 图。，Q这1 J1样来分Q0析J0 其逻
Q2 K2
Q1 K1
Q0K0
CP 计数脉冲
三位二进制同步加法计数器
Q2 J2
&
Q2 K2
Q1 J1 Q1 K1
Q0 J0 Q0K0
CP 计数脉冲
三位二进制同步加法计数器
分析步骤:
1. 先列写控制端的逻辑表达式，即驱动方程：
J2 = K2 = Q1Q0 J1 = K1 = Q0 J0 = K0 = 1
8 1 1 1 1 1 1 1 1 1 000
3. 还可以用波形图显示状态转换表。
CP Q0 Q1 Q2
思考题：试设计一个四位二进制同步加法计数 器电路，并检验其正确性。
7.3.4 任意进制计数器的分析
例：
Q2 J2
Q1 J1
Q0 J0
Q2 K2
Q1 K1
分析步骤：
1. 写出各触发器的驱动方程
Q0 K0
设置
初态
111
110
101 100
5.依据状态图画出波形图
波形图显示状态转换
CP Q0 Q1 Q2
思考题：试设计一个四位二进制同步加法计数 器电路，并检验其正确性。
Q2 J2
&
Q2 K2
Q1 J1 Q1 K1
Q0 J0 Q0K0
CP 计数脉冲
三位二进制同步加法计数器
分析方法2－列表法: 1. 先列写控制端的逻辑表达式： J2 = K2 = Q1Q0 J1 = K1 = Q0
时序电路的基本单元：触发器。
§7.2 时序逻辑电路的分析方法
一、时序逻辑电路的一般分析方法
特点
X(x1,x2,…xi)
组合器件
Z(z1,z2,…zj)
Y(y1,y2,…yn) 存储器件
W(w1,w2,…wm)
一般分析方法 例1： 分析下图所示电路的逻辑功能。
J0 Q0
CP
FF0
K0 Q0
J1 Q1 FF1
计数 脉冲
CP
(即控制端的逻辑表达式)。
J2 = Q1Q0 ， K2 ＝ 1 (
CP )
J1 = K1 ＝ 1
(
J0 = Q2 ， K0 ＝ 1 (
Q0 ) CP )
7.3.2 异步计数器的分析
异步计数器的特点：在异步计数器内部，有的 触发器直接受输入计数脉冲控制，有的触发器 则是把其它触发器的输出信号作为自己的时钟 脉冲，因此各个触发器状态变换的时间先后不 一，故被称为“ 异步计数器 ”。
例：三位二进制异步加法计数器。
Q2Q1Q0
CP
计数 脉冲
D0 Q0 Q0
n
J2 Q2
K2Q2n
Q0nQ1n
n
Q2
,
CP
Q n1 0
n
J0 Q0
K0Q0n
nn
Q2 Q0 ,
CP
Q n1 1
n
J1Q1
K1Q1n
Q0n
Q1n ,
CP
④ 将输入信号和现态的各种取值组合代入状态 方程，得到状态表，如下表所示：
C Q
n 2
Q1n
Q0n
Q Q Q n1 n1 n1
2
10
000
K1 Q1
J2 Q2 FF2
K2 Q2
&C
解：① 分析电路组成。
② 写出驱动方程和输出方程。
n
J0 Q2 ,
J1 Q0n ,
J2 Q0n Q1n ,
K0 1 K1 Q0n K2 1
C
n
Q0
n
Q1
Q2n
③ 求状态方程。将驱动方程代入JK触发 器的特征方程
Qn1
n
JQ
KQn ,
可得：
Q n1 2