数字电子时序电路
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。
数字电子技术第6章 时序逻辑电路
RD—异步置0端（低电平有效） 1 DIR—右移串行输入 1 DIL—左移串行输入 S0、S1—控制端 1 D0D1 D2 D3—并行输入
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4、扩展：两片74LS194A扩展一片8位双向移位寄存器
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例6.3.1的电路 （P276) 74LS194功能 S1S0=00,保持 S1S0=01,右移 S1S0=10,左移 S1S0=11,并入
（5）状态转换图
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小结
1、时序逻辑电路的特点、组成、分类及描述方法； 2、同步时序逻辑电路的分析方法； 课堂讨论： 6.1，6.4
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6.3 若干常用的时序逻辑电路
寄存器和移位寄存器 时序 逻辑电路 计数器 顺序脉冲发生器 序列信号发生器
移位寄存器不仅具有存储功能，且还有移位功能。 可实现串、并行数据转换，数值运算以及数据处理。 所谓“移位”，就是将寄存器所存各位数据，在每个移 位脉冲的作用下，向左或向右移动一位。
2、类型： 根据移位方向，分成三种：
左移 寄存器 (a) 右移 寄存器 (b) 双向 移位 寄存器 (c)
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学习要求 ：
* *
自学掌握
1. 掌握寄存器和移位寄存器的概念并会使用； 2. 掌握计数器概念，熟练掌握中规模集成计数器74161 和74160的功能，熟练掌握用160及161设计任意进制计 数器的方法。
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6.3.1寄存器和移位寄存器
一、寄存器
寄存器是计算机的主要部件之一， 它用来暂时存放数据或指令。
时序电路的作用
时序电路的作用一、概述时序电路是一种特殊的电路，它能够根据输入信号的时序关系产生输出信号。
时序电路在数字电子技术中具有非常重要的作用，可以用于数字系统中的控制、计数、同步等方面。
本文将从以下几个方面介绍时序电路的作用。
二、计数器计数器是一种特殊的时序电路，它能够根据输入信号进行计数，并将计数结果输出。
计数器广泛应用于各种数字系统中，例如：计时器、频率计等。
在数字系统中，计数器可以实现很多功能，例如：控制程序执行次数、统计事件发生次数等。
三、触发器触发器是一种存储器件，它能够存储输入信号，并在特定条件下改变输出状态。
触发器广泛应用于数字系统中，例如：寄存器、缓冲器等。
在数字系统中，触发器可以实现很多功能，例如：存储数据、传输数据等。
四、同步电路同步电路是一种特殊的时序电路，它能够根据输入信号进行同步，并将同步结果输出。
同步电路广泛应用于各种数字系统中，在数字系统中，同步电路可以实现很多功能，例如：保证数据的同步、保证信号的稳定等。
五、时序控制电路时序控制电路是一种特殊的时序电路，它能够根据输入信号进行控制，并将控制结果输出。
时序控制电路广泛应用于各种数字系统中，在数字系统中，时序控制电路可以实现很多功能，例如：控制程序执行顺序、实现状态机等。
六、总线接口电路总线接口电路是一种特殊的时序电路，它能够将CPU与外部设备进行连接，并传输数据。
总线接口电路广泛应用于各种数字系统中，在数字系统中，总线接口电路可以实现很多功能，例如：传输数据、读取数据等。
七、结论综上所述，时序电路在数字系统中具有非常重要的作用。
它可以用于数字系统中的计数、存储、同步等方面。
同时，时序电路还可以用于实现各种功能模块，例如：计数器、触发器、同步电路等。
因此，在设计数字系统时需要充分考虑时序电路的作用，并合理选取适合的时序电路。
时序电路应用实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 理解时序电路的基本概念和组成，掌握时序电路的设计方法和分析方法。
2. 掌握计数器、寄存器、移位寄存器等时序电路的应用。
3. 熟悉FPGA开发环境，能够使用Quartus II设计工具进行时序电路的设计和仿真。
二、实验原理时序电路是数字电路中的一种重要电路，它能够根据输入信号的变化，产生一系列有序的输出信号。
时序电路主要由触发器、逻辑门和时钟信号组成。
1. 触发器：触发器是时序电路的基本单元，具有存储一个二进制信息的功能。
常见的触发器有D触发器、JK触发器、T触发器等。
2. 逻辑门：逻辑门用于实现基本的逻辑运算，如与、或、非、异或等。
3. 时钟信号：时钟信号是时序电路的同步信号，用于控制触发器的翻转。
三、实验内容1. 计数器设计（1）设计一个3位同步二进制加计数器。
（2）设计一个3位同步二进制减计数器。
2. 寄存器设计使用74LS74触发器设计一个双向移位寄存器。
3. 移位寄存器设计使用74LS74触发器设计一个单向移位寄存器。
4. 环形计数器设计使用74LS74触发器设计一个环形计数器。
5. 可控分频器设计使用Verilog HDL语言设计一个可控分频器，实现时钟信号的分频功能。
四、实验步骤1. 使用Quartus II设计工具创建工程，并添加所需的设计文件。
2. 根据实验原理，编写时序电路的Verilog HDL代码。
3. 编译代码，并生成测试平台。
4. 在测试平台上进行仿真，验证时序电路的功能。
5. 将设计下载到FPGA，进行硬件实验。
6. 记录实验结果，分析实验现象。
五、实验结果与分析1. 计数器实验结果（1）3位同步二进制加计数器：按照时钟信号的变化，计数器能够从000计数到111。
（2）3位同步二进制减计数器：按照时钟信号的变化，计数器能够从111减到000。
2. 寄存器实验结果使用74LS74触发器设计的双向移位寄存器，能够实现数据的左移和右移功能。
3. 移位寄存器实验结果使用74LS74触发器设计的单向移位寄存器，能够实现数据的左移功能。
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。
数字电子技术时序逻辑电路
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图5-3 4位寄存器74LS175的逻辑图
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2. 移位寄存器 移位寄存器不仅具有存储的功能，而且还有移位功能，可以 用于实现串、并行数据转换。如图5-4所示为4位移位寄存器 的逻辑图。
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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。
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数字电子技术时序逻辑电路
[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。
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数字电子技术时序逻辑电路
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：
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图5-5 同步二进制加法计数器的数时字电序子图技术时序逻辑电路
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图5-8 同步4位二进制加法计数器74LS16数1字的电逻子技辑术图时序逻辑电路
表5-1 同步4位二进制加法计数器74LS161的功能表
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写驱动方程：
写状态方程：
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列状态转换表：
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画状态转换图：
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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
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图5-2 双2位寄存器74LS75的逻辑图
数字电子技术时序逻辑电路习题
5、画逻辑电路图
T1 = Q1 + XQ0 T0 = XQ0 + XQ0 Z = XQ1Q0
第43页/共55页
6、检查自启动
全功能状态转换表
现 入 现 态 次 态 现驱动入 现输出
Xn Q1n Q0nQ1n+1Q0n+1 T1 T0
Zn
1/0
0/0 0 0 0 0 1 0 1
0
现入 现态 次 态
X Q1 Q0 Q1 Q0 0 0 00 1 0 0 11 0 0 1 00 0
1 0 00 1 1 0 11 0 1 1 01 1 1 110 0
现驱动入 现输出
D1 D0 01 10 00
Z1 Z2
00 00 10
01 10 11 00
00 00 00 01
D1 = Q1Q0 + Q1Q0X
标题区
节目录
第14页/共55页
X/Z
S0 1/0
S1
1/1
0/0
S2
10101…
题6.2(1)的状态转移图
③ 状态间的转换关系
标题区
节目录
第15页/共55页
X/Z
0/0 S0 1/0
S1 1/0
1/1
11…
0/0
0/0
100…
S2
题6.2(1) 的原始状态转移图
标题区
节目录
第16页/共55页
(2) 解：① 输入变量为X、输出变量为Z；
S1 1/0
11…
0/0
1/1
0/0
100…
S2
题6.2(2) 的原始状态转移图
标题区
节目录
第19页/共55页
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。
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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。
[例题] 分析电路的逻辑功能。
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。若电路中所有的触发器都由同一时钟脉 冲控制，则称为同步时序电路，否则称为异步时序电路。
反馈电路将存储电路的输出状态反馈到组合逻辑电路 的输入端，与输入信号一起共同决定电路的输出。
§5-2
时序逻辑电路的分析方法
重点讲同步 Q1 K 1Q1n ( X Q0 ) Q1n
n
（4）列状态转换表 由于输入控制信号X可取1，也可取0，所以分两种情况列状 态转换表和画状态图。 ①当X=0时： 将X=0代入输出方程和状态方程，则
n Z Q1n Q0
Q1n1 Q1n Q0n
Q0
n 1
Qn 1Qn 0
（7）逻辑功能分析 该电路一共有3个循环状态00、01、10。 当X=0时，按照加1规律从00→01→10→00循环变化，并每当转 换为10状态（3个循环状态中的最大数）时，输出Z=1； 当 X=1 时，按照减 1 规律从 10→01→00→10 循环变化，并每当 转换为00状态（3个循环状态中的最小数）时，输出Z=1。
二、举例
1.试分析下图时序电路的逻辑功能。 1J Q1
C1
1J Q2
C1
Q3 &1J
C1
&
1 Y
1K CP 解： 1）输出方程 2）驱动方程
Q1
&
1K
Q2
1K
Q3
Y = Q3Q2 J1 = Q3Q2 ； K1 = 1 J2 = Q1 ； K2 = Q3 Q1 J3 = Q2Q1 ； K3 = Q2
1 Q2
J C K
1
Q1
J C K
1
Q0
J C K
SD
1
CP
J0 = K0 = 1
J1 = K1= Q0
J2 = K2= Q1 Q0 ◆ 结论：减法计数器。
返回 上一节
CP 0 1 2 3 4 5 6 7 8
Q2 Q1 Q0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1
J 0 X Q1n
n J 1 X Q0
K0 1
K1 1
（3）写状态方程
将各驱动方程代入JK触发器的特性方程 触发器的状态方程：
Q0
n 1 n n n J 0 Q0 K 0 Q0 ( X Q1n )Q0
Q n1 J Q n KQ n
，得各
Q1
n 1
设： 0 则： 1
2
0 0
0
0
0 1
0 1
0
Q3n+1 =Q3Q2Q1+Q3Q2
Q2n+1 =Q2Q1+Q3Q2Q1 Q1n+1 =（Q3+Q2 ） Q1 Y = Q3Q2
3 4 5 6
7 设：0
0 1 1 1 0
1
1 0 0 1
0 1
1 0 1
0 0 1
则：1
0
0
0
5）状态转换图
输入变 量/输出 变量
第五章 时序逻辑电路
§5-1 概述
§5-2 时序逻辑电路的分析方法
§5-3 若干常用的时序逻辑电路 §5-4 时序逻辑电路的设计方法
§5-1
1、功能特点
概述
时序逻辑电路的特点
任一时刻的输出信号不仅取决于此时刻的输入信号， 而且取决于上一个时刻的输出状态。具备这种逻辑功能特点 的电路叫做时序逻辑电路（简称时序电路）。 2、电路特点 包含组合逻辑电路和存储电路；包含反馈电路。
同步时序电路：构成电路的每块触发器的时钟脉冲来自同 一个脉冲源，同时作用在每块触发器上 。
异步时序电路：构成电路的每块触发器的时钟脉冲来自不 同的脉冲源，作用在每块触发器上的时间也不一定相同。
一、同步时序逻辑电路的分析步骤
1、写输出方程（输出–输入） 5、画状态转换图 2、写驱动方程（触发器输入—输入）6、画时序波形图 3、写状态方程（触发器的次态－初 7、分析其功能 态、触发器输入） 8、检查自启动 4、填状态转换表
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5.2.3．异步时序逻辑电路的分析
与同步时序逻辑电路不同的是，异步电路中，每次电路状态发 生转换时并不是所有触发器都有时钟信号。只有那些有时钟信 号的触发器才需要用特性方程去计算次态，而没有时钟信号的 触发器将保持原来的状态不变。
1 0
0 0 1 0 1 0 1
0
0 1 0 0 0 1
0 0 1 1 0 0 0 0
1
偏离 状态
（5）画状态图 根据状态表，我们很容易画出该电路的状态 转换图。
偏离状态 游离于主循环的状态称 为偏离状态，进入任一 偏离状态都可返回主循 环时，称该电路具有自 启动特性。 （6）画时序波形图
CP X Q0 Q1 Z
②当X=1时。 将X=1代入输出方程和状态方程，则
Z Q1n Q0n
Q1
n 1
Qn 1Qn 0
Q0
n 1
Q1n Q0n
根据以上两种情况，我们可以列出状态转换表(设现态 n n Q 为 1 Q0 00 ）
输 入
X 0
时 钟
CP
触发器状态
Q1 Q0
输 出
Z
0 1 2 0 1 2 0 1