数字电子技术第6章.pptx

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1、 教学内容6.1 概述6.2 时序逻辑电路的分析方法6.3 若干常用的时序逻辑电路6.4 时序逻辑电路的设计方法第1页/共105页 教学要求 一.重点掌握的内容：（1）时序逻辑电路的概念及电路结构特点；（2）同步时序电路的一般分析方法；（3）同步计数器的一般分析方法；（4）会用置零法和置数法构成任意进制计数器。二.一般掌握的内容：（1）同步、异步的概念，电路现态、次态、有效状态、无效状态、有效循环、无效循环、自启动的概念，寄存的概念；（2）同步时序逻辑电路设计方法。第2页/共105页6.1 概述 一、组合电路与时序电路的区别1.组合电路：电路的输出只与电路的输入有关，与电路的前一时刻的状态无关

2、。2.时序电路：电路在某一给定时刻的输出取决于该时刻电路的输入还取决于前一时刻电路的状态由触发器保存时序电路：组合电路+触发器电路的状态与时间顺序有关第3页/共105页 时序电路在任何时刻的稳定输出，不仅与该时刻的输入信号有关，而且还与电路原来的状态有关。构成时序逻辑电路的基本单元是触发器。第4页/共105页 二、时序逻辑电路的分类：按动作特点可分为同步时序逻辑电路异步时序逻辑电路所有触发器状态的变化都是在同一时钟信号操作下同时发生。触发器状态的变化不是同时发生。第5页/共105页按输出特点可分为米利型时序逻辑电路穆尔型时序逻辑电路输出不仅取决于存储电路的状态，而且还决定于电路当前的输入。输出

3、仅决定于存储电路的状态，与电路当前的输入无关。第6页/共105页三、时序逻辑电路的功能描述方法逻辑方程组状态表卡诺图状态图时序图逻辑图 第7页/共105页特性方程：描述触发器逻辑功能的逻辑表达式。驱动方程：（激励方程）触发器输入信号的逻辑 表达式。时钟方程：控制时钟CLK的逻辑表达式。状态方程：（次态方程）次态输出的逻辑表达式。驱动方程代入特性方程得状态方程。输出方程：输出变量的逻辑表达式。1.逻辑方程组第8页/共105页2.状态表反映输出Z、次态Q*与输入X、现态Q之间关系的表格。第9页/共105页3.状态图反映时序电路状态转换规律，及相应输入、输出取值关系的图形。箭尾：现态箭头：次态标注：

4、输入输出第10页/共105页4.时序图 时序图又叫工作波形图，它用波形的形式形象地表达了输入信号、输出信号、电路的状态等的取值在时间上的对应关系。这四种方法从不同侧面突出了时序电路逻辑功能的特点，它们在本质上是相同的，可以互相转换。第11页/共105页电路图时钟方程、驱动方程和输出方程状态方程状态图、状态表时序图15时序电路的分析步骤：46.2 时序逻辑电路的分析方法2将驱动方程代入特性方程判断电路逻辑功能,检查自启动3计算第12页/共105页几个概念有效状态：在时序电路中，凡是被利用了的状态。有效循环：有效状态构成的循环。无效状态：在时序电路中，凡是没有被利用的状态。无效循环：无效状态若形成

5、循环，则称为无效循环。自启动：在CLK作用下，无效状态能自动地进入到有效循环中，则称电路能自启动，否则称不能自启动。第13页/共105页例6.2.1解:写方程组驱动方程第14页/共105页同步时序电路，时钟方程省去。输出方程求状态方程将驱动方程代入JK触发器的特性方程 中得电路的状态方程:第15页/共105页计算、列状态转换表第16页/共105页画状态转换图000001010011100101110111/0/0/0/0/0/0/1/1Q3Q2Q1/Y第17页/共105页作时序图 说明电路功能这是一个同步七进制加法计数器，能自启动。000001001011001011011000第18页/共1

6、05页例6.2.3解:写方程式驱动方程第19页/共105页代入D触发器的特性方程，得到电路的状态方程输出方程求状态方程第20页/共105页输入 现 态 次 态输出AY0 001 010 110 00001 01 1110 11 11 0011 11 000 0111 000 100 010 0计算、列状态转换表第21页/共105页输入 现 态 次 态输出AY0 001 010 110 00001 01 1111 10 11 0011 11 000 0111 000 110 000 0画状态转换图电路状态转换方向00011011转换条件0/0A/YQ2Q10/10/00/01/01/01/11/

7、0第22页/共105页作时序图 说明电路功能A=0时是二位二进制加法计数器；A=1时是二位二进制减法计数器。011110011001第23页/共105页6.3 若干常用的时序逻辑电路寄存器和移位寄存器 一、寄存器 在数字电路中，用来存放二进制数据或代码的电路称为寄存器。寄存器是由具有存储功能的触发器组合起来构成的。一个触发器可以存储1位二进制代码，存放n位二进制代码的寄存器，需用n个触发器来构成。第24页/共105页同步触发器构成4位寄存器边沿触发器构成（1）清零。，异步清零。即有：（2）送数。时，CLK上升沿送数。即有：（3）保持。在 、CLK上升沿以外时间，寄存器内容将保持不变。第25页/

8、共105页二、移位寄存器单向移位寄存器001 0010011 110110101 经过4个CLK信号以后，串行输入的4位代码全部移入寄存器中，同时在4个触发器输出端得到并行输出代码。首先将4位数据并行置入移位寄存器的4个触发器中，经过4个CP,4位代码将从串行输出端依次输出，实现数据的并行串行转换。第26页/共105页第27页/共105页单向移位寄存器具有以下主要特点：（1）单向移位寄存器中的数码，在CLK脉冲操 作下，可以依次右移或左移。（2）n位单向移位寄存器可以寄存n位二进制 代码。n个CLK脉冲即可完成串行输入工作，此后可从Q0Qn-1端获得并行的n位二进制数码，再用n个CLK脉冲又可

9、实现串行输出操作。（3）若串行输入端状态为0，则n个CLK脉冲后，寄存器便被清零。第28页/共105页双向移位寄存器第29页/共105页2片74LS194A接成8位双向移位寄存器第30页/共105页本节小结：寄存器是用来存放二进制数据或代码的电路，是一种基本时序电路。任何现代数字系统都必须把需要处理的数据和代码先寄存起来，以便随时取用。第31页/共105页本节小结：寄存器分为基本寄存器和移位寄存器两大类。基本寄存器的数据只能并行输入、并行输出。移位寄存器中的数据可以在移位脉冲作用下依次逐位右移或左移，数据可以并行输入、并行输出，串行输入、串行输出，并行输入、串行输出，串行输入、并行输出。第32

10、页/共105页 寄存器的应用很广，特别是移位寄存器，不仅可将串行数码转换成并行数码，或将并行数码转换成串行数码，还可以很方便地构成移位寄存器型计数器和顺序脉冲发生器等电路。本节小结：第33页/共105页计数器 在数字电路中，能够记忆输入脉冲个数的电路称为计数器。分类：按计数器中触发器是否同时翻转同步计数器异步计数器按计数器中的数字增减加法计数器减法计数器可逆计数器按计数器容量二进制计数器N进制计数器十进制计数器第34页/共105页计数器二进制计数器十进制计数器N进制计数器加法计数器同步计数器异步计数器减法计数器可逆计数器加法计数器减法计数器可逆计数器二进制计数器十进制计数器N进制计数器第35页

11、/共105页n位二进制同步加法计数器的电路连接规律：驱动方程输出方程一、同步计数器279页图6.3.10第36页/共105页4位二进制同步加法计数器 若计数脉冲频率为f0，则Q0、Q1、Q2、Q3端输出脉冲的频率依次为f0的1/2、1/4、1/8、1/16。因此又称为分频器。第37页/共105页4位集成二进制同步加法计数器74LS161/163预置数控制端数据输入端异步复位端工作状态控制端进位输出(a)引脚排列图第38页/共105页4位同步二进制计数器74161功能表74161具有异步清零和同步置数功能.第39页/共105页4位同步二进制计数器74163功能表74163具有同步清零和同步置数功

12、能.74LS16374LS163的引脚排列和的引脚排列和74LS16174LS161相同，不同之处是相同，不同之处是74LS16374LS163采采用同步清零方式。用同步清零方式。第40页/共105页驱动方程输出方程n位二进制同步减法计数器的连接规律：284页图6.3.15第41页/共105页4位集成二进制同步可逆计数器74LS191预置数控制端使能端加减控制端串行时钟输出第42页/共105页4位同步二进制可逆计数器74LS191功能表74LS191具有异步置数功能.第43页/共105页111011101110001000100111100000100第44页/共105页双时钟加/减计数器74

13、LS19374LS193具有异步清零和异步置数功能.第45页/共105页2、同步十进制计数器同步十进制加法计数器:在同步二进制加法计数器基础上修改而来.同步十进制加法计数器74LS160与74LS161逻辑图和功能表均相同,所不同的是74LS160是十进制而74LS161是十六进制。第46页/共105页 同步十进制可逆计数器也有单时钟和双时钟两种结构形式。属于单时钟的有74LS190等，属于双时钟的有74LS192等。74LS190与74LS191逻辑图和功能表均相同；74LS192与74LS193逻辑图和功能表均相同。第47页/共105页二、异步计数器1、异步二进制计数器3位异步二进制加法计

14、数器第48页/共105页触发器为下降沿触发，Q0接CLK1,Q1接CLK2。若上升沿触发，则应 Q0接CLK1,Q1接CLK2。第49页/共105页第50页/共105页3位异步二进制减法计数器触发器为下降沿触发，接CLK1,接CLK2。若上升沿触发，则应 接CLK1,接CLK2。第51页/共105页第52页/共105页2、异步十进制计数器异步二五十进制计数器74LS290置0端置9端第53页/共105页 若计数脉冲由CLK0端输入，输出由Q0端引出，即得到二进制计数器；若计数脉冲由CLK1端输入，输出由Q1Q3引出，即是五进制计数器；若将CLK1与Q0相连，同时以CLK0为输入端，输出由Q0Q

15、3引出，则得到8421码十进制计数器。第54页/共105页74LS290功能表第55页/共105页缺点：（1）工作频率较低；（2）在电路状态译码时存在竞争冒险现象。异步计数器特点优点：结构简单第56页/共105页三、任意进制计数器的构成方法 利用现有的N进制计数器构成任意进制（M）计数器时，如果MN，则要多片N进制计数器。实现方法置零法（复位法）置数法（置位法）第57页/共105页置零法：适用于有清零输入端的集成计数器。原理是不管输出处于哪一状态，只要在清零输入端加一有效电平电压，输出会立即从那个状态回到0000状态，清零信号消失后，计数器又可以从0000开始重新计数。第58页/共105页置数

16、法：适用于具有预置功能的集成计数器。对于具有预置数功能的计数器而言，在其计数过程中，可以将它输出的任意一个状态通过译码，产生一个预置数控制信号反馈至预置数控制端，在下一个CLK脉冲作用后，计数器会把预置数输入端D0D1D2D3的状态置入输出端。预置数控制信号消失后，计数器就从被置入的状态开始重新计数。第59页/共105页例6.3.2解：置零法 74LS160具有异步清零功能Q3Q2Q1Q00000000100100011010001010110当MN时，需用多片N进制计数器组合实现串行进位方式、并行进位方式、整体置零方式、整体置数方式 若M可分解为M=N1N2(N1、N2均小于N），可采用连接

17、方式有：若M为大于N的素数，不可分解，则其连接方式只有：整体置零方式、整体置数方式第76页/共105页串行进位方式：以低位片的进位信号作为高位片的时钟输入信号。并行进位方式：以低位片的进位信号作为高位片的工作状态控制信号。整体置零方式：首先将两片N进制计数器按最简单的方式接成一个大于M进制的计数器，然后在计数器记为M状态时使RD=0，将两片计数器同时置零。整体置数方式：首先将两片N进制计数器按最简单的方式接成一个大于M进制的计数器，然后在某一状态下使LD=0，将两片计数器同时置数成适当的状态，获得M进制计数器。第77页/共105页例6.3.3 用两片同步十进制计数器接成百进制计数器.解：并行进

18、位方式第78页/共105页串行进位方式第79页/共105页例6.3.4 用两片74LS160接成二十九进制计数器.解：整体置零方式第80页/共105页整体置数方式第81页/共105页四、移位寄存器型计数器环形计数器结构特点:D0=Q3CLK第82页/共105页状态转换图:构成四进制计数器,不能自启动.第83页/共105页能自启动的环形计数器:第84页/共105页状态转换图：n位移位寄存器构成的环形计数器只有n个有效状态，有2n-n个无效状态。第85页/共105页扭环形计数器结构特点:第86页/共105页状态转换图：第87页/共105页能自启动的扭环形计数器:第88页/共105页状态转换图：n位

19、移位寄存器构成的扭环形计数器有2n个有效状态，有2n-2n个无效状态。第89页/共105页6.4 时序逻辑电路的设计方法根据设计要求画原始状态图最简状态图画电路图检查电路能否自启动1246选触发器，求时钟、输出、状态、驱动方程5状态分配3化简设计步骤:确定输入、输出变量及状态数2n-1M2n第90页/共105页例6.4.1 设计一个带有进位输出端的十三进制计数器.解：该电路不需输入端,有进位输出用C表示，规定有进位输出时C=1，无进位输出时C=0。十三进制计数器应该有十三个有效状态，分别用S0、S1、S12表示。画出其状态转换图：1建立原始状态图第91页/共105页状态转换图不需化简。因为23

20、1324，因此取触发器位数n=4。对状态进行编码，得到状态转化表如下：状态化简2状态分配3第92页/共105页4选触发器，求时钟、输出、状态、驱动方程电路次态电路次态/输出（输出（）的卡诺图）的卡诺图第93页/共105页状态方程：第94页/共105页 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+KQ,找出驱动方程。第95页/共105页比较得到触发器的驱动方程：第96页/共105页画电路图5第97页/共105页 将0000作为初始状态代入状态方程计算次态，画出状态转换图，与状态转换表对照是否相同。最后检查是否自启动。由状态转换图可知该电路能够自启动.检查电

21、路能否自启动6第98页/共105页例6.4.2解：输入数据作为输入变量，用X表示；检测结果为输出变量，用Y表示。例如:设电路没有输入1以前的状态为S0,输入一个1状态为S1，连续输入两个1后的状态为S2，连续输入3个1以后的状态为S3。画状态转换图输入X 101100111011110 输入Y 0000000010001101建立原始状态图第99页/共105页状态化简2状态分配3S0=00S1=01S2=10两个状态等价第100页/共105页卡诺图4选触发器，求时钟、输出、状态、驱动方程M3，应取触发器n=2。选2个JK触发器。第101页/共105页将卡诺图分解,求状态方程和输出方程，并得到驱动方程输出方程：第102页/共105页画电路图5输出方程：第103页/共105页由状态转换图可知该电路能够自启动.检查电路能否自启动6第104页/共105页感谢您的观看！第105页/共105页