时序逻辑电路.ppt
第5章 时序逻辑电路,5.1 双稳态触发器 5.2 寄存器 5.3 计数器,触发器是构成时序逻辑电路的基本逻辑部件。 它有两个稳定的状态：0状态和1状态； 在不同的输入情况下，它可以被置成0状态或1状态； 当输入信号消失后，所置成的状态能够保持不变。,所以，触发器可以记忆1位二值信号。根据逻辑功能的不同，触发器可以分为RS触发器、D触发器、JK触发器、T和T´触发器；按照结构形式的不同，又可分为基本RS触发器、同步触发器、主从触发器和边沿触发器。,5.1 双稳态触发器,5.1 基本触发器,一、基本RS触发器 1用与非门组成的基本RS触发器 （1）电路结构:由两个门电路交叉连接而成。,置0端,置1端,低电平有效,触发器有两个互补的输出端，,（2）逻辑功能,当Q=1， =0时，称为触发器的1状态。,当 =1，Q=0时，称为触发器的0状态。,0 1,0,1,1,1,0,0,1,R称为置0输入端 低电平有效,0 1,触发器有两个互补的输出端，,（2）逻辑功能,当Q=1， =0时，称为触发器的1状态。,当 =1，Q=0时，称为触发器的0状态。,1 0,1,0,0,0,1,1,1,S称为置1输入端 低电平有效,0 1,触发器有两个互补的输出端，,（2）逻辑功能,当Q=1， =0时，称为触发器的1状态。,当 =1，Q=0时，称为触发器的0状态。,1 0,1 1,1,1,1,0,0,0,1,0,1,1,保持,0 1,触发器有两个互补的输出端，,（2）逻辑功能,当Q=1， =0时，称为触发器的1状态。,当 =1，Q=0时，称为触发器的0状态。,1 0,1 1,0,0,1,1,1,1,0,0,1,1,保持,0 0,（3）波形分析 例1 在用与非门组成的基本RS触发器中，设初始0，已 知输入R、S的波形图，画出两输出端的波形图。,基本触发器的特点总结：,（1）有两个互补的输出端，有两个稳定的状态。 （2）有复位（Q=0）、置位（Q=1）、保持原状态三种功能。 （3）R为复位输入端，S为置位输入端，可以是低电平有效，也可以是高电平有效，取决于触发器的结构。(我们讲的是低电平有效) （4）无论是复位还是置位，有效信号只需要作用很短的一段时间，即“一触即发”。,二、 同步RS触发器,给触发器加一个时钟控制端CP，只有在CP端上出现时钟脉冲时，触发器的状态才能改变。这种触发器称为同步触发器。 1同步RS触发器的电路结构,2逻辑功能,当CP0时，控制门G3、G4关闭，触发器的状态保持不变。 当CP1时，G3、G4打开，其输出状态由R、S端的输入信号决定。,同步RS触发器的状态转换分别由R、S和CP控制，其中，R、S控制状态转换的方向；CP控制状态转换的时刻。,1,0,0,1,1,0,1,3触发器功能的几种表示方法,触发器的功能除了可以用功能表表示外，还有几种表示方法： （1）特性方程 由功能表画出卡诺图得特性方程：,（约束条件）,（2）状态转换图 状态转换图表示触发器从一个状态变化到另一个状态或保持原状不变时，对输入信号的要求。,在数字电路中，凡根据输入信号R、S情况的不同，具有置0、置1和保持功能的电路，都称为RS触发器。,（3）驱动表 驱动表是用表格的方式表示触发器从一个状态变化到另一个状态或保持原状态不变时，对输入信号的要求。,（4）波形图 已知同步RS触发器的输入波形，画出输出波形图。,4同步触发器存在的问题空翻,由于在CP=1期间，G3、G4门都是开着的，都能接收R、S信号，所以，如果在CP=1期间R、S发生多次变化，则触发器的状态也可能发生多次翻转。 在一个时钟脉冲周期中，触发器发生多次翻转的现象叫做空翻。,三、 主从JK触发器,1电路结构,将触发器的两个互补的输出端信号通过两根反馈线分别引到输入端的G7、G8门，这样，就构成了JK触发器。,2工作原理,1,1,0,1,1,0,1,0,1,0,1,1,0,1,1,0,3JK触发器逻辑功能的几种表示方法,(1）功能表：,（2）特性方程：,（3）状态转换图,（4）驱动表,例 已知主从JK触发器J、K的波形如图所示，画出输出Q的波形图（设初始状态为0）。,在画主从触发器的波形图时，应注意以下两点：（1）触发器的触发翻转发生在时钟脉冲的触发沿（这里是下降沿）,（2）判断触发器次态的依据是时钟脉冲下降沿前一瞬间输入端的状态。,四、主从T触发器和T触发器,将JK触发器的J和K相连作为T输入端就构成了T触发器。,T触发器特性方程：,当T触发器的输入端为T=1时， 称为T触发器。,T触发器的特性方程：,五、D触发器 1D触发器的逻辑功能 D触发器只有一个触发输入端D，因此，逻辑关系非常简单；,D触发器的特性方程为：Qn+1=D,0 0 1 1,D,0 1 0 1,Qn,0 0 1 1,Qn+1,输出状态 同D状态,功能,D触发器的功能表,D触发器的状态转换图：,例 已知D触发器的输入波形，画出输出波形图。,解：在波形图时，应注意以下两点： （1）触发器的触发翻转发生在CP的上升沿。 （2）判断触发器次态的依据是CP上升沿前一瞬间输入端D的状态。,六、触发器应用举例,例 设计一个3人抢答电路。3人A、B、C各控制一个按键开关KA、KB、KC和一个发光二极管DA、DB、DC。谁先按下开关，谁的发光二极管亮，同时使其他人的抢答信号无效。,利用触发器的“记忆”作用，使抢答电路工作更可靠、稳定。,时序逻辑电路的基本概念,一、 时序逻辑电路的结构及特点 时序逻辑电路任何一个时刻的输出状态不仅取决于当时的输入信号，还与电路的原状态有关。 时序电路的特点：（1）含有记忆元件（最常用的是触发器）。 （2）具有反馈通道。,分析时序逻辑电路的一般步骤 1由逻辑图写出下列各逻辑方程式： （1）各触发器的时钟方程。 （2）时序电路的输出方程。 （3）各触发器的驱动方程。 2将驱动方程代入相应触发器的特性方程，求得时序逻辑电路的状态方程。 3根据状态方程和输出方程，列出该时序电路的状态表，画出状态图或时序图。 4根据电路的状态表或状态图说明给定时序逻辑电路的逻辑功能。,时序逻辑电路的一般分析方法,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。,按照功能的不同，可将寄存器分为数码寄存器和移位寄存器两大类。数码寄存器只能并行送入数据，需要时也只能并行输出。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，数据既可以并行输入、并行输出，也可以串行输入、串行输出，还可以并行输入、串行输出，串行输入、并行输出，十分灵活，用途也很广。,5.2 寄存器,一、 数码寄存器,无论寄存器中原来的内容是什么，只要送数控制时钟脉冲CP上升沿到来，加在并行数据输入端的数据D0D3，就立即被送入进寄存器中，即有：,二、移位寄存器,移位寄存器不但可以寄存数码，而且在移位脉冲作用下，寄存器中的数码可根据需要向左或向右移动1位。,1单向移位寄存器,（1）右移寄存器（D触发器组成的4位右移寄存器） 右移寄存器的结构特点：左边触发器的输出端接右邻触发器的输入端。,设移位寄存器的初始状态为0000，串行输入数码DI=1101，从高位到低位依次输入。其状态表如下：,1,1,1,2,0,3,1,4,右移寄存器的时序图：,由于右移寄存器移位的方向为DIQ0Q1Q2Q3，所以又称上移寄存器。,在4个CP作用下，输入的4位串行数码1101全部存入了寄存器中。这种方式称为串行输入方式。,（2）左移寄存器,2 双向移位寄存器 将右移寄存器和左移寄存器组合起来，并引入一控制端S便构成既可左移又可右移的双向移位寄存器。,左移寄存器的结构特点：右边触发器的输出端接左邻触发器的输入端。,计数器用以统计输入脉冲CP个数的电路。,5.3 计数器,计数器的分类：,（2）按数字的增减趋势可分为加法计数器、减法计数器和可逆计数器。,（1）按计数进制可分为二进制计数器和非二进制计数器。 非二进制计数器中最典型的是十进制计数器。,（3）按计数器中触发器翻转是否与计数脉冲同步分为同步计数器和异步计数器。,一、二进制计数器,1二进制异步计数器 （1）二进制异步加法计数器（4位）,工作原理： 4个JK触发器都接成T触发器。,每当Q2由1变0，FF3向相反的状态翻转一次。,每来一个CP的下降沿时，FF0向相反的状态翻转一次；,每当Q0由1变0，FF1向相反的状态翻转一次；,每当Q1由1变0，FF2向相反的状态翻转一次；,用“观察法”作出该电路的时序波形图和状态图。,由时序图可以看出，Q0、Ql、Q2、Q3的周期分别是计数脉冲(CP)周期的2倍、4倍、8倍、16倍，因而计数器也可作为分频器。,（2）二进制异步减法计数器,用4个上升沿触发的D触发器组成的4位异步二进制减法计数器。,工作原理：D触发器也都接成T触发器。 由于是上升沿触发，则应将低位触发器的Q端与相邻高位触发器的时钟脉冲输入端相连，即从Q端取借位信号。 它也同样具有分频作用。,二进制异步减法计数器的时序波形图和状态图。,在异步计数器中，高位触发器的状态翻转必须在相邻触发器产生进位信号（加计数）或借位信号（减计数）之后才能实现，所以工作速度较低。为了提高计数速度，可采用同步计数器。,二、非二进制计数器,N进制计数器又称模N计数器。,当N=2n时，就是前面讨论的n位二进制计数器；,当N2n时，为非二进制计数器。非二进制计数器中最常用的是十进制计数器。,1 8421BCD码同步十进制加法计数器,用前面介绍的同步时序逻辑电路分析方法对该电路进行分析。,（1）写出驱动方程：,然后将各驱动方程代入JK触发器的特性方程，得各触发器的次态方程:,（2）转换成次态方程： 先写出JK触发器的特性方程,（3）作状态转换表。,设初态为Q3Q2Q1Q0=0000，代入次态方程进行计算，得状态转换表。,0 0 0 0,1,0,0,0,0 0 0 1,0 0 1 0,0 0 1 1,0 1 0 0,0 1 0 1,0 1 1 0,0 1 1 1,1 0 0 0,1 0 0 1,0,1,0,0,1,1,0,0,0,0,0,0,（4）作状态图 和时序图。,（5）检查电路能否自启动,用同样的分析方法分别求出6种无效状态下的次态，得到完整的状态转换图。,由于电路中有4个触发器，它们的状态组合共有16种。而在8421BCD码计数器中只用了10种，称为有效状态。其余6种状态称为无效状态。,当由于某种原因，使计数器进入无效状态时，如果能在时钟信号作用下，最终进入有效状态，我们就称该电路具有自启动能力。,可见，该计数器能够自启动。,28421BCD码异步十进制加法计数器,CP2=Q1 （当FF1的Q1由10时，Q2才可能改变状态。）,用前面介绍的异步时序逻辑电路分析方法对该电路进行分析：,（1）写出各逻辑方程式。,时钟方程： CP0=CP （时钟脉冲源的下降沿触发。）,CP1=Q0 （当FF0的Q0由10时，Q1才可能改变状态。),CP3=Q0 （当FF0的Q0由10时，Q3才可能改变状态),各触发器的驱动方程：,（2）将各驱动方程代入JK触发器的特性方程，得各触发器的次态方程：,（CP由10时此式有效）,（Q0由10时此式有效）,（Q1由10时此式有效）,（Q0由10时此式有效）,（3）作状态转换表。,设初态为Q3Q2Q1Q0=0000，代入次态方程进行计算，得状态转换表。,0 0 0 0,0 0 0 1,0 0 1 0,0 0 1 1,0 1 0 0,0 1 0 1,0 1 1 0,0 1 1 1,1 0 0 0,1 0 0 1,1,0,0,0,0,1,0,0,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,举例,例：试分析如图所示的时序逻辑电路。,解：该电路为同步时序逻辑电路，时钟方程可以不写。 （1）写出输出方程：,（2）写出驱动方程：,（3）写出JK触发器的特性方程，然后将各驱动方程代入JK触发器的特性方程，得各触发器的次态方程：,（4）作状态转换表及状态图 当X=0时：触发器的次态方程简化为：,作出X=0的状态表：,输出方程简化为：,0 0,0 1,0 1,1 0,0,1 0,0 0,0,1,当X=1时：触发器的次态方程简化为：,作出X=1的状态表：,将X=0与X=1的状态图合并起来得完整的状态图。,输出方程简化为：,各触发器的次态方程：,0 0,1 0,1 0,0 1,1,0 1,0 0,0,0,根据状态表或状态图， 可画出在CP脉冲作用下电路的时序图。,（5）画时序波形图。,（6）逻辑功能分析：,当X=1时，按照减1规律 从10010010循环变化， 并每当转换为00状态（最小数）时， 输出Z=1。,该电路一共有3个状态00、01、10。,当X=0时，按照加1规律从00011000循环变化， 并每当转换为10状态（最大数）时，输出Z=1。,所以该电路是一个可控的 3进制计数器。,
