清华数字电路课件第六章时序逻辑电路 6.4 时序逻辑电路的设计方法.ppt

《清华数字电路课件第六章时序逻辑电路 6.4 时序逻辑电路的设计方法.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《清华数字电路课件第六章时序逻辑电路 6.4 时序逻辑电路的设计方法.ppt（34页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、5.4 时序逻辑电路的设计方法5.4.1 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步骤：步骤：一一 逻辑抽象，得出电路的状态转换图或状态转换表逻辑抽象，得出电路的状态转换图或状态转换表1.分析给定的逻辑问题，确定输入变量、输出变量以及电路的状分析给定的逻辑问题，确定输入变量、输出变量以及电路的状态数。通常取原因（或条件）作为输入逻辑变量，取结果作输出态数。通常取原因（或条件）作为输入逻辑变量，取结果作输出逻辑变量；逻辑变量；2.定义输入、输出逻辑状态和每个电路状态的含义，并将电路定义输入、输出逻辑状态和每个电路状态的含义，并将电路状态顺序编号；状态顺序编号；3.按照题意列出电路的状

2、态转换表或画出电路的状态转换图。按照题意列出电路的状态转换表或画出电路的状态转换图。二二 状态化简状态化简 若两个电路状态在相同的输入下有相同的输出，并且转换到同若两个电路状态在相同的输入下有相同的输出，并且转换到同样的一个状态去，则称这两个状态为等价状态。等价状态可以合并，样的一个状态去，则称这两个状态为等价状态。等价状态可以合并，这样设计的电路状态数少，电路越简。，这样设计的电路状态数少，电路越简。1/8/2023数电三三 状态分配状态分配状态分配也叫状态编码状态分配也叫状态编码a.确定触发器的数目；确定触发器的数目；b.确定电路的状态数确定电路的状态数,应满足应满足2n1M2n;c.进行

3、状态编码，即将电路的状态和触发器状态组合对应起来。进行状态编码，即将电路的状态和触发器状态组合对应起来。四四 选定触发器的类型，求出电路的状态方程、驱动方程和输选定触发器的类型，求出电路的状态方程、驱动方程和输出方程出方程a.选定触发器的类型；选定触发器的类型；b.由状态转换图（或状态转换表）和选由状态转换图（或状态转换表）和选定的状态编码、触发器的类型，写出电路的状态方程、驱动方定的状态编码、触发器的类型，写出电路的状态方程、驱动方程和输出方程。程和输出方程。五五 根据得到的方程式画出逻辑图根据得到的方程式画出逻辑图六六 检查设计的电路能否自启动检查设计的电路能否自启动 若电路不能自启动，则

4、应采取下面措施：若电路不能自启动，则应采取下面措施：a.通过预置数将电通过预置数将电路状态置成有效循环状态中；路状态置成有效循环状态中；b.通过修改逻辑设计加以解决。通过修改逻辑设计加以解决。1/8/2023数电同步时序逻辑电路设计过程框图如图同步时序逻辑电路设计过程框图如图5.4.15.4.1所示。所示。例例5.4.1 试设计一个带有进位输出端的十三进制计数器。试设计一个带有进位输出端的十三进制计数器。解：解：由于电路没有输入变量，故属于穆尔型同步时序电路。设进由于电路没有输入变量，故属于穆尔型同步时序电路。设进位输出信号为位输出信号为C，有进位输出为有进位输出为C1,无进位输出时无进位输出

5、时C0。根据题意，根据题意，M13,其状态转换图可示意为图其状态转换图可示意为图5.4.2所示。所示。1/8/2023数电由于由于M M13,13,故应取故应取n=4n=4，取其中取其中的的1313个状态，不能再简化。按个状态，不能再简化。按十进制数取十进制数取0000000011001100十三个十三个状态状态其其状态表为状态表为1/8/2023数电其各其各输出次态的卡诺图如下输出次态的卡诺图如下各各输出端的卡诺图如下输出端的卡诺图如下1/8/2023数电则可写出电路的状态方程和输出方程为则可写出电路的状态方程和输出方程为若若选用选用JK触发器，则由于其特性方程为触发器，则由于其特性方程为故

6、故应把上述状态方程化为应把上述状态方程化为JK触发器特性方程的标准形式，即触发器特性方程的标准形式，即1/8/2023数电则则可得出各触发器的驱动方程为可得出各触发器的驱动方程为1/8/2023数电由驱动方程可画出十三进制计数器的逻辑电路，如图由驱动方程可画出十三进制计数器的逻辑电路，如图5.4.25.4.2所所示示1/8/2023数电最后，检查能否自启动，其状态转换图如下最后，检查能否自启动，其状态转换图如下故故电路可以自启动。电路可以自启动。1/8/2023数电例例5.4.2 5.4.2 设计一个串行数据检测器。对它的要求是：连续输入设计一个串行数据检测器。对它的要求是：连续输入3 3个个

7、或或3 3个以上的个以上的1 1时输出为时输出为1,1,其它情况下输出为其它情况下输出为0.0.解：设输入数据为输入变量，用解：设输入数据为输入变量，用X表示；检测结果为输出变量，表示；检测结果为输出变量，用用Y表示，其状态转换表为表示，其状态转换表为其中其中S0为没有为没有1输入的以前状态，输入的以前状态，S1为输入一个为输入一个1以后的状态，以后的状态，S2为为输入两个输入两个1以后的状态，以后的状态，S3为连续输入为连续输入3个或个或3个以上个以上1的状态。的状态。由由状态表可以看出，状态表可以看出，S2和和S3为等价状态，可以合并成一个。为等价状态，可以合并成一个。1/8/2023数电

8、其化简后状态图为其化简后状态图为由于电路的状态为由于电路的状态为3个，故个，故M3,应应取触发器的数目为取触发器的数目为n2.取取00、01和和10分别对应分别对应S0、S1和和S3,若若选定的触发器为选定的触发器为JK触发器，则其触发器，则其输出端的卡诺图为输出端的卡诺图为分开的卡诺图为分开的卡诺图为1/8/2023数电化简后电路的状态方程为化简后电路的状态方程为可得驱动方程为可得驱动方程为输出方程为输出方程为其其对应的逻辑电路如图对应的逻辑电路如图5.4.3所示所示1/8/2023数电其其状态转换图为状态转换图为由由状态转换图可知，此电路可以状态转换图可知，此电路可以自启动。由于电路有输入

9、信号，自启动。由于电路有输入信号，故为米利型时序逻辑电路。故为米利型时序逻辑电路。例例5.4.3 设计一个自动售货饮料机的逻辑电路。它的投币口每次只能设计一个自动售货饮料机的逻辑电路。它的投币口每次只能投入一枚五角或一元的硬币。投入一元五角钱硬币后机器自动给出投入一枚五角或一元的硬币。投入一元五角钱硬币后机器自动给出一杯饮料；投入两元（两枚一元）硬币后，在给出饮料的同时找回一杯饮料；投入两元（两枚一元）硬币后，在给出饮料的同时找回一枚五角的硬币。一枚五角的硬币。解：设投币信号为输入变量解：设投币信号为输入变量A和和B，投入一枚一元硬币时为投入一枚一元硬币时为A1.否否则为则为A0;投入一枚五角

10、硬币时为投入一枚五角硬币时为B1,否则为否则为B0；输出为输出为Y和和Z，给出饮料为给出饮料为Y1,否则为否则为Y0;找回一枚五角硬币时为找回一枚五角硬币时为Z1,否则否则为为Z0.1/8/2023数电则其则其状态转换表为状态转换表为设设S0为未投币电路的初始状态，为未投币电路的初始状态，S1为投入五角硬币后的状态，为投入五角硬币后的状态，S2为为投入一元硬币（包括一枚一元硬币和两枚五角硬币）后的状态。投入一元硬币（包括一枚一元硬币和两枚五角硬币）后的状态。对应的状态转换图为对应的状态转换图为注：由于实际中不可能同时投入一枚一元硬币和五角硬币，故注：由于实际中不可能同时投入一枚一元硬币和五角硬

11、币，故AB11的情况不出现，做约束项处理。的情况不出现，做约束项处理。1/8/2023数电设设S S0 0、S S1 1和和S S2 2分别用分别用0000、0101和和1010表示，则取触发器的位数为表示，则取触发器的位数为M M3 3则则电路的次态电路的次态/输出的卡诺输出的卡诺图为图为分解成触发器输出状态和分解成触发器输出状态和输出端的卡诺图为输出端的卡诺图为1/8/2023数电若若选用选用D D触发器，则电路的状态方程为触发器，则电路的状态方程为驱动方程为驱动方程为输出方程为输出方程为根据驱动方程和输出方程可画出实现的逻辑电路，如书根据驱动方程和输出方程可画出实现的逻辑电路，如书286

12、图图5.4.17所示所示.1/8/2023数电电路的状态转换图为电路的状态转换图为注：当电路进入到无效状态注：当电路进入到无效状态11时，不能自动进入有效循环，故此时，不能自动进入有效循环，故此电路不能自启动。另外对于电路不能自启动。另外对于AB01或或AB10虽然能进入到有效循虽然能进入到有效循环中，但收费结果是错的。故电路应加入异步置零端环中，但收费结果是错的。故电路应加入异步置零端 将电路置将电路置为为00状态。状态。1/8/2023数电*5.4.2 5.4.2 时序逻辑电路的自启动设计时序逻辑电路的自启动设计 前一节的时序电路设计中，电路的自启动检查是在最后一步进前一节的时序电路设计中

13、，电路的自启动检查是在最后一步进行的，如果不能自启动，还要返回来从新修改设计。如果在设计过行的，如果不能自启动，还要返回来从新修改设计。如果在设计过程中能够考虑自启动的问题，就可以省略检查自启动这一步骤了。程中能够考虑自启动的问题，就可以省略检查自启动这一步骤了。例例5.4.4 设计一七进制计数器，要求它能够自启动。已知该计数器的设计一七进制计数器，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图状态转换图及状态编码如图5.4.4所示。所示。解：解：由由所给的状态图得出电所给的状态图得出电路次态的卡诺图为路次态的卡诺图为1/8/2023数电各个输出端的卡诺图为各个输出端的卡诺图为则则输

14、出端的状态方程为输出端的状态方程为由于进位信号是在由于进位信号是在011状态译出，故输出方程为状态译出，故输出方程为1/8/2023数电注意：注意：在上述合并在上述合并1中，如果将中，如果将项圈入，则当作项圈入，则当作1处理；否则作处理；否则作0处理。处理。这就是无形中给无效状态（这就是无形中给无效状态（）指定了次态。如果想电路自启动，）指定了次态。如果想电路自启动，必须是无效状态的次态应改为有效状态。必须是无效状态的次态应改为有效状态。前面所得的电路状态方程都是没包含前面所得的电路状态方程都是没包含，也就是将它取成，也就是将它取成000,仍是无效状态，电路则不会自启动。如果将仍是无效状态，电

15、路则不会自启动。如果将取成有效状态则取成有效状态则电路就会自启动。若修改电路就会自启动。若修改Q2n1的的卡诺图如下卡诺图如下那么电路的状态方程改为那么电路的状态方程改为 若由若由JK触发器构成，则应将上述状态方程改写成触发器构成，则应将上述状态方程改写成JK触发器触发器特性方程的标准形式，即特性方程的标准形式，即1/8/2023数电则则驱动方程为驱动方程为 根据驱动方程和输出方程可画出七进制计数器的逻辑电路如图根据驱动方程和输出方程可画出七进制计数器的逻辑电路如图5.4.5所示。所示。1/8/2023数电它的状态转换图为它的状态转换图为故故电路可以自启动。电路可以自启动。注：修改输出端逻辑式

16、注：修改输出端逻辑式时，也可以修改其它两时，也可以修改其它两端，这视得到的状态方端，这视得到的状态方程最简而定。程最简而定。1/8/2023数电例例5.4.5 5.4.5 设计一个能自启动的设计一个能自启动的3 3位环形计数器。要求它的有效循环位环形计数器。要求它的有效循环状态为状态为100010 001 100.100010 001 100.注意：在无效状态不止一个的情况下，为保证电路能够自启动，注意：在无效状态不止一个的情况下，为保证电路能够自启动，必须使每个无效状态都能直接或间接地转为某一有效状态。必须使每个无效状态都能直接或间接地转为某一有效状态。解：解：根据题目要求可得电路的状态转换

17、图和电路次态的卡诺图为根据题目要求可得电路的状态转换图和电路次态的卡诺图为分解卡诺图，得出各输出端的卡诺图为分解卡诺图，得出各输出端的卡诺图为1/8/2023数电则则最简的电路状态方程为最简的电路状态方程为按照上式得到的状态转换图为按照上式得到的状态转换图为显然按照上面的状态方程设显然按照上面的状态方程设计的电路是不能自启动的。计的电路是不能自启动的。1/8/2023数电由由下面的状态表可以看出下面的状态表可以看出在化简状态方程的同时，每个无效的次态已经确定了，其卡诺在化简状态方程的同时，每个无效的次态已经确定了，其卡诺图变成：图变成：1/8/2023数电应该修改状态方程，以实现自启动应该修改

18、状态方程，以实现自启动 为了保持移位寄存器内部结构不变，应只修改第一位触发为了保持移位寄存器内部结构不变，应只修改第一位触发器的输入，故通过修改每个无效的器的输入，故通过修改每个无效的Q1的次态，使它们的次态进的次态，使它们的次态进入到有效状态。入到有效状态。Q1n1的卡诺图修改为的卡诺图修改为则则电路的次态的卡诺图变为电路的次态的卡诺图变为1/8/2023数电修改后电路的状态方程为修改后电路的状态方程为若用若用D触发器实现这个计数器，其驱动方程为触发器实现这个计数器，其驱动方程为根据上式画出的逻辑电路如图根据上式画出的逻辑电路如图5.4.6所示所示1/8/2023数电*5.4.35.4.3异

19、步时序逻辑电路的设计方法异步时序逻辑电路的设计方法 由于异步时序电路中的触发器不是同时动作的，所以在设计由于异步时序电路中的触发器不是同时动作的，所以在设计异步时序电路时除了需要完成设计同步时序电路所需步骤外，还异步时序电路时除了需要完成设计同步时序电路所需步骤外，还要为每个触发器选定合适的时钟信号。要为每个触发器选定合适的时钟信号。例例5.4.6 试设计一个试设计一个8421编码的异步十进制减法计数器，并要求所设编码的异步十进制减法计数器，并要求所设计的电路能自启动。计的电路能自启动。解：解：根据题意根据题意8421编码地异步十进制减法计数器的状态转换表及状编码地异步十进制减法计数器的状态转

20、换表及状态转换图为态转换图为1/8/2023数电由于对应十个状态是必不可少的，因此不需进行化简。由于对应十个状态是必不可少的，因此不需进行化简。若选定触发器的类型为若选定触发器的类型为JK触发器，则需选定各个触发器的时触发器，则需选定各个触发器的时钟信号。为触发器挑选时钟信号的原则为：钟信号。为触发器挑选时钟信号的原则为：1.触发器的状态应该触发器的状态应该翻转时必须有时钟信号发生（上升沿或下降沿）；翻转时必须有时钟信号发生（上升沿或下降沿）；2.触发器的状触发器的状态不应翻转时，态不应翻转时，“多余的多余的”时钟信号越少越好，有利于触发器状时钟信号越少越好，有利于触发器状态方程和驱动方程的化

21、简。态方程和驱动方程的化简。由由状态转换图画出电路的时状态转换图画出电路的时序图为序图为由由时序图可得，第一个触发时序图可得，第一个触发器器FF1的时钟是和计数脉冲的时钟是和计数脉冲CP相联；第二个触发器实在相联；第二个触发器实在Q0上升沿翻转，故对于下降沿上升沿翻转，故对于下降沿翻转的翻转的JK触发器，其时钟触发器，其时钟CP1应接在应接在 ；同理第三个触；同理第三个触发器的发器的CP2应接在应接在 ；第四；第四个触发器应与个触发器应与 相接。相接。1/8/2023数电为了得到电路的状态方程，应做出电路次态的卡诺图。由状态为了得到电路的状态方程，应做出电路次态的卡诺图。由状态转换表可得转换表

22、可得分解成各输出端次态卡诺图为分解成各输出端次态卡诺图为1/8/2023数电则由各则由各输出端次态的卡诺图可得出电路的状态方程为输出端次态的卡诺图可得出电路的状态方程为注：在上面各次态的卡诺图中，把没有时钟信号注：在上面各次态的卡诺图中，把没有时钟信号(下降沿）的次态下降沿）的次态也作为任意项处理，以便于化简。也作为任意项处理，以便于化简。将将电路的状态方程化成电路的状态方程化成JK触发器的标准形式，即触发器的标准形式，即1/8/2023数电故故可写出电路的驱动方程为可写出电路的驱动方程为1/8/2023数电根据状态表可写出借位输出方程为根据状态表可写出借位输出方程为根据电路的驱动方程和输出方程可画出十进制异步计数器的逻辑根据电路的驱动方程和输出方程可画出十进制异步计数器的逻辑电路如图电路如图5.4.7所示所示其最终的电路状态转换图为其最终的电路状态转换图为1/8/2023数电由由状态转换图可知此电路是可以自启动的。状态转换图可知此电路是可以自启动的。1/8/2023数电