第六章-数字电子技术基础第五版-阎石、王红、清华大学.ppt

第六章第六章-数字数字电子技子技术基基础第五版第五版-阎石、王石、王红、清清华大学大学数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版第六章 时序逻辑电路数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版6.1 6.1 概述概述一、时序逻辑电路的特点一、时序逻辑电路的特点1.1.功能上：功能上：任一时刻的输出不仅取决于该时刻的输入，还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例：串行加法器，两个多位数从低位到高位逐位相加2.2.电路结构上电路结构上包含存储电路和组合电路包含存储电路和组合电路存储器状态和输入变量共同决定输出存储器状态和输入变量共同决定输出数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版二、时序电路的一般结构形式与功能描述方法二、时序电路的一般结构形式与功能描述方法数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版可以用三个方程组来描述：可以用三个方程组来描述：数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版三、时序电路的分类三、时序电路的分类1.1.同步时序电路与异步时序电路同步时序电路与异步时序电路同步：存储电路中所有触发器的时钟使用统一的同步：存储电路中所有触发器的时钟使用统一的clk,clk,状态变状态变化发生在同一时刻化发生在同一时刻异步：没有统一的异步：没有统一的clk,clk,触发器状态的变化有先有后触发器状态的变化有先有后2.Mealy2.Mealy型和型和MooreMoore型型MealyMealy型：型：MooreMoore型：型：数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版6.2 6.2 时序电路的分析方法时序电路的分析方法6.2.1 6.2.1 同步时序电路的分析方法同步时序电路的分析方法分析：找出给定时序电路的逻辑功能分析：找出给定时序电路的逻辑功能即找出在输入和即找出在输入和CLKCLK作用下，电路的次态和输出。作用下，电路的次态和输出。一般步骤：一般步骤：从给定电路写出存储电路中每个触发器的驱动方程从给定电路写出存储电路中每个触发器的驱动方程（输入的逻辑式），得到整个电路的（输入的逻辑式），得到整个电路的驱动方程。驱动方程。将驱动方程代入触发器的特性方程，得到将驱动方程代入触发器的特性方程，得到状态方程。状态方程。从给定电路写出从给定电路写出输出方程。输出方程。数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版例：例：TTL电路电路数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版6.2.2 6.2.2 时序电路的状态转换表、状态转换图、状态机时序电路的状态转换表、状态转换图、状态机流程图和时序图流程图和时序图一、状态转换表一、状态转换表0 00 00 00 00 01 10 00 00 01 10 01 10 00 00 01 10 00 01 11 10 00 01 11 11 10 00 00 01 10 00 01 10 01 10 01 10 01 11 11 10 00 01 11 10 00 00 00 01 11 11 11 10 00 00 01 10 00 00 00 00 01 10 00 01 10 02 20 01 10 00 03 30 01 11 10 04 41 10 00 00 05 51 10 01 10 06 61 11 10 01 17 70 00 00 00 00 01 11 11 11 11 10 00 00 00 0数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版二、状态转换图二、状态转换图数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版三、状态机流程图（三、状态机流程图（State Machine ChartState Machine Chart）数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版四、时序图四、时序图数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版例：例：数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版（4 4）列状态转换表：）列状态转换表：（5 5）状态转换图）状态转换图00000101101011110 001/001/010/010/011/011/000/100/11 111/111/100/000/001/001/010/010/0数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版*6.2.3*6.2.3 异步时序逻辑电路的分析方法异步时序逻辑电路的分析方法各触发器的时钟不同时发生各触发器的时钟不同时发生例：例：TTL电路数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版6.3 6.3 若干常用的时序逻辑电路若干常用的时序逻辑电路6.3.1 6.3.1 寄存器和移位寄存器寄存器和移位寄存器一、寄存器一、寄存器用于寄存一组二值代码，用于寄存一组二值代码，NN位寄存器由位寄存器由NN个触发器组成，个触发器组成，可存放一组可存放一组NN位二值代码。位二值代码。只要求其中每个触发器可置只要求其中每个触发器可置1 1，置，置0 0。例例1 1：数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版例：用维例：用维-阻触发器结构的阻触发器结构的74HC17574HC175数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版二、移位寄存器（代码在寄存器中左二、移位寄存器（代码在寄存器中左/右移动）右移动）具有存储具有存储 +移位功能移位功能数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版器件实例：器件实例：器件实例：器件实例：74LS 194A74LS 194A，左左左左/右移，并行输入，保右移，并行输入，保右移，并行输入，保右移，并行输入，保持，异步置零等持，异步置零等持，异步置零等持，异步置零等功能功能功能功能数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版RRD DS S1 1S S0 0工作状态工作状态0 0X XX X置零置零1 10 00 0保持保持1 10 01 1右移右移1 11 10 0左移左移1 11 11 1并行输入并行输入 数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版扩展应用（扩展应用（4 4位位 8 8位）位）数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版6.3.2 6.3.2 计数器计数器 用于计数、分频、定时、产生节拍脉冲等用于计数、分频、定时、产生节拍脉冲等 分类：按时钟分，同步、异步分类：按时钟分，同步、异步 按计数过程中数字增减分，加、减和可逆按计数过程中数字增减分，加、减和可逆 按计数器中的数字编码分，二进制、二按计数器中的数字编码分，二进制、二-十进制和十进制和 循环码循环码 按计数容量分，十进制，六十进制按计数容量分，十进制，六十进制 数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版一、同步计数器一、同步计数器1.1.同步二进制计数器同步二进制计数器同步二进制加法计数器同步二进制加法计数器原理：根据二进制加法运算原理：根据二进制加法运算规则可知：在多位二进规则可知：在多位二进制数末位加制数末位加1 1，若第，若第i i位以位以下皆为下皆为1 1时，则第时，则第i i位应翻位应翻转。转。由此得出规律，若用由此得出规律，若用T T触发触发器构成计数器，则第器构成计数器，则第i i位位触发器输入端触发器输入端TiTi的逻辑的逻辑式应为：式应为：数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版器件实例：器件实例：7416174161工作状态工作状态X X0 0X XX XX X置置 0 0（异步）（异步）1 10 0X XX X预置数（同步）预置数（同步）X X1 11 10 01 1保持（包括保持（包括C C）X X1 11 1X X0 0保持（保持（C=0C=0）1 11 11 11 1计数计数数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版同步二进制减法计数器同步二进制减法计数器原理：根据二进制减法运算原理：根据二进制减法运算规则可知：在多位二进规则可知：在多位二进制数末位减制数末位减1 1，若第，若第i i位以位以下皆为下皆为0 0时，则第时，则第i i位应翻位应翻转。转。由此得出规律，若用由此得出规律，若用T T触发触发器构成计数器，则第器构成计数器，则第i i位位触发器输入端触发器输入端TiTi的逻辑的逻辑式应为：式应为：数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版同步加减计数器同步加减计数器加/减计数器加/减计数结果加/减计数器计数结果两种解决方案数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版a.a.单时钟方式单时钟方式加加/减脉冲用同一输入端，减脉冲用同一输入端，由加由加/减控制线的高低电平决定加减控制线的高低电平决定加/减减器件实例：器件实例：74LS19174LS191（用（用T T触发器）触发器）工作状态工作状态X X1 11 1X X保持保持X XX X0 0X X预置数预置数(异步异步)0 01 10 0加计数加计数0 01 11 1减计数减计数数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版b.b.双时钟方式双时钟方式器件实例：器件实例：74LS19374LS193（采用（采用TT触发器，即触发器，即T=1T=1）数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版2.2.同步十进制计数同步十进制计数器器加法计数器加法计数器基本原理：在四位基本原理：在四位二进制计数器基础二进制计数器基础上修改，当计到上修改，当计到10011001时，则下一个时，则下一个CLKCLK电路状态回到电路状态回到00000000。数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版能自启动数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版器件实例：器件实例：74 16074 160工作状态工作状态X X0 0X XX XX X置置 0 0（异步）（异步）1 10 0X XX X预置数（同步）预置数（同步）X X1 11 10 01 1保持（包括保持（包括C C）X X1 11 1X X0 0保持（保持（C=0C=0）1 11 11 11 1计数计数数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版减法计数器减法计数器基本原理：对二进基本原理：对二进制减法计数器进制减法计数器进行修改，在行修改，在00000000时减时减“1 1”后跳后跳变为变为10011001，然后，然后按二进制减法计按二进制减法计数就行了。数就行了。数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版能自启动数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版十进制可逆计数器十进制可逆计数器基本原理一致，电路只用到基本原理一致，电路只用到0000100100001001的十个状态的十个状态实例器件实例器件单时钟：单时钟：74190,16874190,168双时钟：双时钟：7419274192数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版二二.异步计数器异步计数器1.1.二进制计数器二进制计数器异步二进制加法异步二进制加法计数器计数器在末位在末位+1+1时，从低时，从低位到高位逐位进位到高位逐位进位方式工作。位方式工作。原则：每原则：每1 1位从位从“1 1”变变“0 0”时，时，向高位发出进位，向高位发出进位，使高位翻转使高位翻转数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版异步二进制减法异步二进制减法计数器计数器在末位在末位-1-1时，从低时，从低位到高位逐位借位到高位逐位借位方式工作。位方式工作。原则：每原则：每1 1位从位从“0 0”变变“1 1”时，时，向高位发出进位，向高位发出进位，使高位翻转使高位翻转数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版2 2、异步十进制加法计数器、异步十进制加法计数器原理：原理：在在4 4位二进制异步加法计数器位二进制异步加法计数器上修改而成，上修改而成，要跳过要跳过1010 11111010 1111这六个状态这六个状态1 2 3 4 5 6 7 8 9 10J=0J=1J=0J=K=1J=1J=0数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版器件实例：二五器件实例：二五十进制十进制异步计数器异步计数器74LS29074LS290数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版三、任意进制计数器的构成方法三、任意进制计数器的构成方法用已有的用已有的NN进制芯片，组成进制芯片，组成MM进制计数器，是常用进制计数器，是常用的方法。的方法。N进制M进制数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版1.N M1.N M原理：计数循环过程中设法跳过原理：计数循环过程中设法跳过NNMM个状态。个状态。具体方法：置零法具体方法：置零法 置数法置数法数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版例：将十进制的例：将十进制的7416074160接成六进制计数器接成六进制计数器异步置零法异步置零法工作状态工作状态X X0 0X XX XX X置置 0 0（异步）（异步）1 10 0X XX X预置数（同步）预置数（同步）X X1 11 10 01 1保持（包括保持（包括C C）X X1 11 1X X0 0保持（保持（C=0C=0）1 11 11 11 1计数计数数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版例：将十进制的例：将十进制的7416074160接成六进制计数器接成六进制计数器异步置零法异步置零法数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版置数法置数法 (a)(a)置入置入00000000(b)(b)置入置入10011001数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版2.N M2.N M M M 的计数器的计数器然后再采用置零或置数的方法然后再采用置零或置数的方法数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版例：用例：用7416074160接成二十九进制接成二十九进制工作状态工作状态X X0 0X XX XX X置置 0 0（异步）（异步）1 10 0X XX X预置数（同步）预置数（同步）X X1 11 10 01 1保持（包括保持（包括C C）X X1 11 1X X0 0保持（保持（C=0C=0）1 11 11 11 1计数计数数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版例：用例：用7416074160接成二十九进制接成二十九进制整体置零（异步）整体置数（同步）数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版四、移位寄存器型计数器四、移位寄存器型计数器1.1.环形计数器环形计数器数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版2.2.扭环形计数器扭环形计数器数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版五、计数器应用实例五、计数器应用实例例例1 1，计数器，计数器+译码器译码器顺序节拍脉冲发生器顺序节拍脉冲发生器数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版例例2 2，计数器，计数器+数据选择器数据选择器序列脉冲发生器序列脉冲发生器发生的序列：数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版6.4 6.4 时序逻辑电路的设计方法时序逻辑电路的设计方法6.4.1 6.4.1 同步时序逻辑电路的设计方法同步时序逻辑电路的设计方法设计的一般步骤设计的一般步骤一、逻辑抽象，求出状态转换图或状态转换表一、逻辑抽象，求出状态转换图或状态转换表1.1.确定输入确定输入/输出变量、电路状态数。输出变量、电路状态数。2.2.定义输入定义输入/输出逻辑状态以及每个电路状态的含意，并对输出逻辑状态以及每个电路状态的含意，并对电路状态进行编号。电路状态进行编号。3.3.按设计要求列出状态转换表，或画出状态转换图。按设计要求列出状态转换表，或画出状态转换图。二、状态化简二、状态化简若两个状态在相同的输入下有相同的输出，并转换到同一个若两个状态在相同的输入下有相同的输出，并转换到同一个次态，则称为等价状态；等价状态可以合并。次态，则称为等价状态；等价状态可以合并。数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版三、状态分配（编码）三、状态分配（编码）1.1.确定触发器数目。确定触发器数目。2.2.给每个状态规定一个代码。给每个状态规定一个代码。（通常编码的取法、排列顺序都依照一定的规律）（通常编码的取法、排列顺序都依照一定的规律）四、选定触发器类型四、选定触发器类型求出状态方程，驱动方程，输出方程。求出状态方程，驱动方程，输出方程。五、画出逻辑图五、画出逻辑图六、检查自启动六、检查自启动数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版例：设计一个串行数据检测器，要求在连续输入三例：设计一个串行数据检测器，要求在连续输入三个或三个以上个或三个以上“1”1”时输出为时输出为1 1，其余情况下输出为，其余情况下输出为0 0。一、抽象、画出状态转换图一、抽象、画出状态转换图 二、状态化简二、状态化简用用X X（1 1位）表示输入数据位）表示输入数据用用Y Y（1 1位）表示输出（检测结果）位）表示输出（检测结果）数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版三、状态分配三、状态分配取取n=2n=2，令，令 的的0000、0101、1010为为 则，则，数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版四、选用四、选用JKJK触发器，求方程组触发器，求方程组五、画逻辑图五、画逻辑图数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版 六、检查电路能否自启动六、检查电路能否自启动 将状态将状态“11”11”代入状态方程和输出方程，分别求代入状态方程和输出方程，分别求X=0/1X=0/1下的次态和现态下的输出，得到：下的次态和现态下的输出，得到：能自启动数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版6.66.6用用multisimmultisim分析时序逻辑电路分析时序逻辑电路例例:分析下图的计数器电路。求电路的时序图分析下图的计数器电路。求电路的时序图.说明这是几进制的说明这是几进制的计数器。计数器。数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版