数字电子技术时序逻辑电路的分析与设计国家精品课程课件PPT 39页

'《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计第6章时序逻辑电路的分析与设计本章学习重点n时序逻辑电路的分析方法v时序逻辑电路的设计方法 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计第6章时序逻辑电路的分析和设计一．时序逻辑电路的基本概念二．时序逻辑电路的分析方法三．时序逻辑电路的设计方法 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计组合电路与时序电路的区别电路的输出只与电路的输入有关，与电路的1、组合电路：前一时刻的状态无关2、时序电路：取决于该时刻电路由的触输发入器保存电路在某一给定时刻的输出还取决于前一时刻电路的状态时序电路：组合电路+触发器电路的状态与时间顺序有关 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计时序电路的基本结构输入信号输出信号输出方程：X1Z1Z=F1[X，Qn]XZi组合电路j驱动方程（激励方程）：QrQ1YY1rY=F2[X，Qn]次态或控制信号新状态存储电路状态方程:现态，或原状态Qn+1=[Y，Qn]输出状态时钟信号未注明 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计时序电路的分类1、输出Z与现态Qn及输入X的关系分：其输出仅决定于电路的现态，与电路当前的F[Qn]输入无关穆；或尔者型根（本就M不o存or在e）独立电设路置的输Z=出，而以电路的状态直接作为输出。F[X,Qn]其输出不仅米与利现型态有（关M，e而al且y）电路还决定于电路当前的输入。2、从控制时序状态的脉冲源来分：同步：存储电路里所有触发器由一个统一的时钟脉冲源控制时序电路异步：没有统一的时钟脉冲二者比较：1、同步时序电路的速度高于异步时序电路；2、同步时序电路的结构较异步时序电路复杂。 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计时序逻辑电路功能的描述方法时序电路的逻辑功能可用逻辑方程式、状态表、状态图、时序图、卡诺图和逻辑图6种方式表示，这些表示方法在本质上是相同的，可以互相转换。（1）逻辑方程式nZFX,Q输出方程1n包括YFX,Q驱动方程2n1nQFY,Q状态方程3 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计（2）状态表（也叫状态转换表）输入现态次态输出XQ1nQ0nQ1n+1Q0n+1Z★※※＃＃◆★＃＃▲▲◆★▲▲……◆………………如果将任何一组输入变量和电路初态的取值代入状态方程和输出方程，就可以算出电路的次态Qn+1和现态下的输出值Z；把得到的次态做为新的初态，和这时的输入变量取值一起再代入状态方程和输出方程进行计算，又得到一组新的次态和输出值。就这样继续下去，把全部的计算结果列成真值表的形式，就得到了状态转换表。 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计（3）状态图（也叫状态转换图）在状态转换图中用圆圈表示电路的各个状态，用箭头表示状态转换的方向。同时，还在箭头旁注明了状态转换前的输入变量取值和输出值。通常把输入变量取值写在斜线以上，把输出值写在斜线以下。X/Z比如：QQ100/01/000010/11/1 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计1.时序电路的分析步骤：1写方程（1）时钟方程（对异步时序电路而言）电路图（2）各触发器的驱动方程（3）输出方程243判断电路状态图、状态各触发器的逻辑功能表或时序图状态方程返回 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计2.同步时序逻辑电路的分析举例例1：试分析如图的时序电路。&ZFF0FF1FF2Q0Q1Q21J1J1JC1C1C11K1K1KQ0Q1Q2CP①写方程式Ø时钟方程：CPCPCPCP同步时序电路的时钟210方程可省去不写。YQnQn输出仅与电路现态有关，Ø输出方程：12为穆尔型时序电路。 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计&ZFF0FF1FF2Q0Q1Q21J1J1JC1C1C11K1K1KQ0Q1Q2CPnnJQKQ2121nnØ驱动方程：J1Q0K1Q0nnJQKQ0202 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计nn②求状态方程J2Q1,K2Q1nnJ1Q0,K1Q0nnJQ,KQJK触发器的特性方程：0202n1nnQJQKQ将各触发器的驱动方程代入，即得电路的状态方程：n1nnnnnnnQJQKQQQQQQ2222212121n1nnnnnnnQ1J1Q1K1Q1Q0Q1Q0Q1Q0n1nnnnnnnQJQKQQQQQQ0000020202 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计③计算、列状态表n1nQ2Q1现态次态输出nnnn1n1n1Qn1QnQQQQQQY10210210Qn1Qn0000010020010110nnYQQ120101010QQnn11110011111022nn111000001QQ1111001010101nn11QQ001011001101000YY001001001111100 现态次态输出《数字电子技术》n精品课n程—n—第6章n时1序逻n辑1电路n的1分析与设计QQQQQQY210210④画状态图、0000010时序图0010110010101001111101000001状态图10101011101000排列顺序：1100111/YQnQnQn/0/0210/0000→001→011/1↑↓/0010101100←110←111/0/0/1(a)有效循环(b)无效循环 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计时序图CP111000Q0110010Q1001110Q2000010Y 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计⑤电路功能有效循环的6个状态分别是0～5这6个十进制数字的格雷码，并且在时钟脉冲CP的作用下，这6个状态是按递增规律变化的，即：000→001→011→111→110→100→000→…所以这是一个用格雷码表示的六进制同步加法计数器。当对第6个脉冲计数时，计数器又重新从000开始计数，并产生输出Y＝1。 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计例2：已知同步时序电路的逻辑图，试分析电路的逻辑功能解：1.写出各触发器的驱动方程和电路的输出方程驱动方程：T1=XT2=XQ1n输出方程:Z=XQ2nQ1n（米利型）Qn2.写状态方程n11nnQXTQT1Q1111QnXT触发器的特性2nnn方程为：XQ1XQ1XQ1Qn1Qn1TQnTQnn1nnQTQT2Q2222TQnnnnn将T1、T2代入则得X到Q两1Q2XQ1Q2个触发器的状态方程 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计描述输入与状态输入：输输出入：信触号发、器触的次转换关系的发表器格的Q输n入+1及=X现态Q量n态及1组合输出1Z3.作出电路的状态T转1=换X表及状态转换图n+1XQnQnXQnQnQ21212填表方法：T2=XQ1n现入Z=现X态Q2nQ现1n控制入次态现输出X、Q2n、Q1nXQ2nQ1nT2T1Q2n+1Q1n+1Z所有组合T01=X00000000T2=X0Q1n100010求T1、T2、ZZ=XQ2nQ1n0100010001100110由状态方程10001010求Q2n+1、10110100Qn+111101111011100001 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计转换条件由状态转表换绘方出向状态图0/0电路状态0/0现入现态现控制入次态现输出X/ZXQ2nQ1nT2T1Q2n+1Q1n+1Z1/000000000000100100010010001001/01/0011001101110100010101/1101101000/00/01101111011100001 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计0/00/0由状态图得电路的逻辑功能：X/Z1/0电路是一个可控模4计数器0001X端是控制端，时钟脉冲作为计数脉冲输入。1/01/0X=1初态为00时，11101/1实现模4加计数0/00/0X=0时保持原态输出不仅取决于电路本身的状态，而且也与输入变量X有关电路属于米利型、可控模4计数器电路 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计4.作时序波形图初始状态Q2nQ1n为00，输入X的序列为1111100111，X=1模4X=1模4加计数X=0加计数保持原态101011100110000100100000 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计（一）同步时序逻辑电路的设计方法1．同步时序逻辑电路的设计步骤（1）根据设计要求，设定状态，导出对应状态图或状态表。（2）状态化简。消去多余的状态，得简化状态图（表）。（3）状态分配，又称状态编码。即把一组适当的二进制代码分配给简化状态图（表）中各个状态。（4）选择触发器的类型。（5）根据编码状态表以及所采用的触发器的逻辑功能，导出待设计电路的输出方程和驱动方程。（6）根据输出方程和驱动方程画出逻辑图。（7）检查电路能否自启动。返回 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计2．同步计数器的设计举例例1设计一个同步5进制加法计数器SSS(1）根据设计要求，设定状态，012画出状态转换图。该状态图不须化简。（2）状态分配，列状态转换编码表。S4S3状态转换编码表现态次态输出状态转换顺序Q2nQ1nQ0nQ1n+1Q1n+1Q0n+1YS00000010S10010100S20100110S30111000S41000001 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计（3）选择触发器。选用JK触发器。（4）求各触发器的驱动方程和进位输出方程。列出JK触发器的驱动表，画出电路的次态卡诺图。JK触发器的驱动表QnQnQn→Qn+1JK1000011110n000×Q2011×000101010001110×111×01000××× 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计根据次态卡诺图和JK触发器的驱动表可得各触发器的驱动卡诺图：JK触发器的驱动表Qn→Qn+1JKJ2QnQn1000011110000×Qn011×20010010×111×01××××K2QnQnQnQn100100111010Qn000111102n××××Q02001010100011011×××1000×××JQQ201K12 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计JK触发器的驱动表QnQn10Qn→Qn+1JKn00011110Q000×2001010100011011×010×11000×××11×0JQnQnK1QnQn110100001111000011110nnQQJQ2210001××0××10KQ1010×××1××××J0QnQnK0QnQn10100001111000011110nnQQ22JQ1××10×11×020K1010×××1×××× 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计再画出输出卡诺图可得电路的输出方程：YQ2YQnQn1000011110（5）将各驱动方程归纳如下：nQ2JQK010000002J1Q0K1Q011×××JQQK12012（6）画逻辑图。QQ21Q0YQ1J&Q1JQ1J进位输出C1∧C1∧C1∧1K1K1KCP 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计（7）检查能否自启动利用逻辑分析的方法画出电路完整的状态图。111110101QQQ/Y/1210/1/1/0/0000001010/1/0/0100011可见，如果电路进入无效状态101、110、111时，在CP脉冲作用下，分别进入有效状态010、010、000。所以电路能够自启动。 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计例2：设计一“011”序列检测器，每当输入011码时，对应最后一个1，电路输出为1。解：1、画出原始状态图（或称转移图）与原始状态表输入端X：输入一串行随机信号输出端Z：当X出现011序列时，Z=1；否则Z=01/00/0X0/0S01ABnAB/0A/00/01/00/01/0BB/0C/0CB/0D/1DC1/1DB/0A/0Sn+1/Zn 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计例：设计一“011”序列检测器，每当输入011码时，对应最后一个1，电路输出为1。解：1、画出原始状态图（或称转移图）与原始状态表输入端X：输入一串行随机信号输出端Z：当X出现011序列时，Z=1；否则Z=01/00/0X0/0S01ABnAB/0A/00/01/00/01/0BB/0C/0CB/0D/1DC1/1DB/0A/0Sn+1/Z 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计原始状态表对任意输入，相2、状态应简的化尽输量出采都用相同X01Sn等价状态可相以邻合代并码为一个状态AB/0A/03、状态编码BB/0C/000011011CB/0D/1ABCDB/0A/0Q1Q0--两个触发器状态Sn+1/ZnnX01XQ1Q0Sn010001/000/0AB/0A/00101/010/0BB/0C/01001/000/1CB/0A/1Q1n+1Q0n+1/ZSn+1/Z 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计4、确定触发器类型，编写状态表求控制函数及输出函数触发器类型：选T触发器状态转换表编写状态表：现入现态次态现控制入现输出1）填X=0与X=1时XQnQnQn+1Qn+1TTZ101010电路的现态与次态，00001010及相应的现同输：出T=0001010002）填写不相同应：的TＴ=11、01001110Ｔ0的状态10000000根据现态与次态10110110决定T值110001013）填Ｔ1、Ｔ0的卡诺图，求函数的表达式 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计Q1Q0取11组合的状态未使用，在卡诺图中暂按无关项处理TQXQ110表达式为：TXQXQ000ZXQQ10根据化简时约束项的使用情况，反填状态表，得全状态表T0：Q1Q0X为111时，以1对待Q1Q0X为110时，以0对待 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计状态转换表现入现态次态现控制入现输出XQnQnQn+1Qn+1TTZ101010000010100010100001001110100000001011011011000101 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计5、画逻辑电路图T1Q1XQ0T0XQ0XQ0ZXQ1Q0 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计6、画全状态图全功能状态转换表现入现态次态现控制入现输出0/01/0XQnQnQn+1Qn+1TTZ1010100/0000010100001001010000/0010011101/00/01/0100000001/1101101101110110001010110110011100110 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计本章小结1．时序逻辑电路的特点；任一时刻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。因此时序电路中必须含有存储器件。2．描述时序逻辑电路逻辑功能的方法有状态转换真值表、状态转换图和时序图等。3．时序逻辑电路的分析步骤一般为：逻辑图→时钟方程（异步）、驱动方程、输出方程→状态方程→状态转换真值表→状态转换图和时序图→逻辑功能。 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计本章小结4．时序逻辑电路的设计步骤一般为：设计要求→最简状态表→编码表→次态卡诺图→驱动方程、输出方程→逻辑图。 《数字电子技术》精品课程——第6章时序逻辑电路的分析与设计作业6.1.3、6.1.7、6.1.8、6.2.5、6.2.6、6.3.3、'