数字电路第5章时序逻辑电路
王海光数字电子技术基础 第5章 时序逻辑电路
与触发器的对应关系，还应给出排序示范
图 （ 如 图 5.1.2 示 范 图 圆 圈 中 标 注 的 Q3Q2Q1 ），对含多个输入输出端的时序
电路，也应在示范图中标出（如图5.1.2中
指向线上标注的/Y）。
5.1.1 时序逻辑电路的人工分析
（5）电路功能判断说明。
对电路功能的判断应结合输入输出信号的具体物理含义来
5.1.1 时序逻辑电路的人工分析
*二、异步时序逻辑电路的分析
与同步时序电路不同的是，异步时序电路中的所有触发 器并非由同一时钟源触发，所以在根据电路的现态计算电路 的次态时，应特别注意各个触发器的时钟条件是否具备。只 有时钟条件具备的触发器才会按状态方程描述的逻辑关系转
换成次态，否则将维持现态不变。为此在分析异步时序电路
组合逻辑电路
Y1 Yj
Z Zk 存储电路
图5.0.1 时序逻辑电路结构示意框图
这四种信号之间的逻辑关系可用以下三个向量函数表示： 输出方程：Y（tn）=F1[X（tn），Q（tn）]
驱动方程：Z（tn）=F2[X（tn），Q（tn）]
状态方程： Q（tn+1）=F3[Z（tn），Q（tn）] 式中tn、tn+1是对电路进行考察的两个相邻的离散时间。
5.1.1 时序逻辑电路的人工分析
一、同步时序逻辑电路的分析 导出同步时序电路的状态转换表、状态转换图和时序波 形图，判断时序电路逻辑功能的通常步骤：
1．根据给定的时序电路列出电路的输出方程和驱动方程组。 2．将各个驱动方程代入对应触发器的特性方程得到整个时序 电路的状态方程组。 3．根据电路的状态方程组计算列出电路的状态转换表。 4．根据电路的状态转换表画出状态转换图或时序波形图。 5．根据状态转换图或时序波形图说明电路的逻辑功能，判断 电路能否自启动。
《数字电子技术与接口技术试验教程》课件第5章
第5章 基于HDL的时序逻辑电路实验
图5-2 边沿D触发器的仿真结果
9
第5章 基于HDL的时序逻辑电路实验 (2) 边沿D触发器的VHDL源代码如下：
--Behavioral D Flip-Flop with Clock Enable and Asynchronous Reset
entity Dflipflop is Port (D,clk,rst,ce : in STD_LOGIC; Q : out STD_LOGIC);
architecture Behavioral of DFF is begin
process(clk, rst,D) begin
if (CLK'event and CLK='1') then if rst ='1' then Q <= '0'; else Q<=D; end if;
end if; end process; end Behavioral;
end if; end process; end Behavioral;
13
第5章 基于HDL的时序逻辑电路实验
(3) 带有置位和清零端的边沿D触发器的约束文件规定
如下：
#Basys2约束文件： NET "clk" LOC ="B8"; //时钟
#Basys2约束文件： NET "clk" LOC ="B8"; //时钟
end Dflipflop;
architecture Behavioral of Dflipflop is begin
process(clk, rst,D,ce)
时序逻辑电路
第五章时序逻辑电路前面介绍的组合逻辑电路无记忆功能。
而时序逻辑电路的输出状态不仅取决于当时的输入信号，而且与电路原来的状态有关，或者说与电路以前的输入状态有关，具有记忆功能。
触发器是时序逻辑电路的基本单元。
本章讨论的内容为时序逻辑电路的分析方法、寄存器和计数器的原理及应用。
第一节时序逻辑电路的分析一、概述1、时序逻辑电路的组成时序逻辑电路由组合逻辑电路和存储电路两部分组成，结构框图如图5-1所示。
图中外部输入信号用X（x1，x2，…，x n）表示；电路的输出信号用Y（y1，y，…，y m）表示；存储电路的输入信号用Z（z1，z2，…，z k）表示；存储电2路的输出信号和组合逻辑电路的内部输入信号用Q（q1，q2，…，q j）表示。
图5-1 时序逻辑电路的结构框图可见，为了实现时序逻辑电路的逻辑功能，电路中必须包含存储电路，而且存储电路的输出还必须反馈到输入端，与外部输入信号一起决定电路的输出状态。
存储电路通常由触发器组成。
2、时序逻辑电路逻辑功能的描述方法用于描述触发器逻辑功能的各种方法，一般也适用于描述时序逻辑电路的逻辑功能，主要有以下几种。
（1）逻辑表达式图5-1中的几种信号之间的逻辑关系可用下列逻辑表达式来描述：Y =F(X，Q n)Z =G(X，Q n)Q n+1=H(Z，Q n)它们依次为输出方程、状态方程和存储电路的驱动方程。
由逻辑表达式可见电路的输出Y不仅与当时的输入X有关，而且与存储电路的状态Q n有关。
（2）状态转换真值表状态转换真值表反映了时序逻辑电路的输出Y、次态Q n+1与其输入X、现态Q n的对应关系，又称状态转换表。
状态转换表可由逻辑表达式获得。
（3）状态转换图状态转换图又称状态图，是状态转换表的图形表示，它反映了时序逻辑电路状态的转换与输入、输出取值的规律。
（4）波形图波形图又称为时序图，是电路在时钟脉冲序列CP的作用下，电路的状态、输出随时间变化的波形。
应用波形图，便于通过实验的方法检查时序逻辑电路的逻辑功能。
数字电子技术时序逻辑电路
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数字电子技术时序逻辑电路
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图5-3 4位寄存器74LS175的逻辑图
数字电子技术时序逻辑电路
2. 移位寄存器 移位寄存器不仅具有存储的功能，而且还有移位功能，可以 用于实现串、并行数据转换。如图5-4所示为4位移位寄存器 的逻辑图。
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数字电子技术时序逻辑电路
5.1.2 异步时序逻辑电路的分析方法
异步时序电路的分析步骤：
① 写时钟方程； ② 写驱动方程； ③ 写状态方程； ④ 写输出方程。
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数字电子技术时序逻辑电路
[例5-2]试分析图示时序逻辑电路的逻辑功能，列出状态转换 表，并画出状态转换图。
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数字电子技术时序逻辑电路
解：图5-7所示电路为1个异步摩尔型时序逻辑电路。 写时钟方程：
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图5-5 同步二进制加法计数器的数时字电序子图技术时序逻辑电路
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图5-8 同步4位二进制加法计数器74LS16数1字的电逻子技辑术图时序逻辑电路
表5-1 同步4位二进制加法计数器74LS161的功能表
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数字电子技术时序逻辑电路
写驱动方程：
写状态方程：
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数字电子技术时序逻辑电路
列状态转换表：
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画状态转换图：
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数字电子技术时序逻辑电路
5.2 若干常用的时序逻辑电路 5.2.1寄存器
1. 基本寄存器
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图5-2 双2位寄存器74LS75的逻辑图
第5章时序逻辑电路思考题与习题题解
思考题与习题题解5-1填空题（1）组合逻辑电路任何时刻的输出信号，与该时刻的输入信号有关；与电路原来所处的状态无关；时序逻辑电路任何时刻的输出信号，与该时刻的输入信号有关；与信号作用前电路原来所处的状态有关。
（2）构成一异步2n进制加法计数器需要n 个触发器，一般将每个触发器接成计数或T’型触发器。
计数脉冲输入端相连，高位触发器的CP端与邻低位Q端相连。
（3）一个4位移位寄存器，经过 4 个时钟脉冲CP后，4位串行输入数码全部存入寄存器；再经过4个时钟脉冲CP后可串行输出4位数码。
（4）要组成模15计数器，至少需要采用 4 个触发器。
5-2判断题（1）异步时序电路的各级触发器类型不同。
（×）（2）把一个5进制计数器与一个10进制计数器串联可得到15进制计数器。
（×）（3）具有N个独立的状态，计满N个计数脉冲后，状态能进入循环的时序电路，称之模N计数器。
（√）（4）计数器的模是指构成计数器的触发器的个数。
（×）5-3单项选择题（1）下列电路中，不属于组合逻辑电路的是（D）。
A.编码器B.译码器C.数据选择器D.计数器（2）同步时序电路和异步时序电路比较，其差异在于后者( B)。
A.没有触发器B.没有统一的时钟脉冲控制C.没有稳定状态D.输出只与内部状态有关（3）在下列逻辑电路中，不是组合逻辑电路的有( D)。
A.译码器B.编码器C.全加器D.寄存器（4）某移位寄存器的时钟脉冲频率为完成该操作需要（B）时间。
100KHz，欲将存放在该寄存器中的数左移8位，A.10μSB.80μSC.100μSD.800ms（5）用二进制异步计数器从0做加法，计到十进制数178，则最少需要（C ）个触发器。
A.6B.7C.8D.10（6）某数字钟需要一个分频器将32768Hz的脉冲转换为1HZ的脉冲，欲构成此分频器至少需要（B）个触发器。
A.10B.15C.32D.32768（7）一位8421BCD 码计数器至少需要（B）个触发器。
数字电子技术时序逻辑电路PPT
写驱动方程： J 0 K 0 1
J1 J2
Q3 K2
1
K1
1
J 3 Q1Q2
K3 1
写状态方程：
Q0n1 QQ1n2n11
n
Q0
Q3
n
Q2
n
Q1
（CP0 下降沿动作） （Q0 下降沿动作） （Q1下降沿动作）
Q3n 1
Q1Q2
画时序图： 该电路能够自启动。
5.1.2 异步时序逻辑电路的分析方法
异步时序电路的分析步骤：
① 写时钟方程； ② 写驱动方程； ③ 写状态方程； ④ 写输出方程。
[例5-2]试分析图示时序逻辑电路的逻辑功能，列出状态转换 表，并画出状态转换图。
解：图5-7所示电路为1个异步摩尔型时序逻辑电路。 写时钟方程：
Q3n（Q0
下降沿动作）
列状态转换表：
画状态转换图：
5.2 若干常用的时序逻辑电路 5.2.1寄存器
1. 基本寄存器
图5-2 双2位寄存器74LS75的逻辑图
图5-2所示为双2位寄存器74LS75的逻辑图。当 CPA = 1时，
送到数据输入端的数据被存入寄存器，当CPA =0时，存入
寄存器的数据将保持不变。
2n-1 M 2n
然后给电路的每一种状态分配与之对应的触发器状态组合。
4）确定触发器的类型，并求出电路的状态方程、驱动方程 和输出方程。 确定触发器类型后，可根据实际的状态转换图求出电路的状 态方程和输出方程，进而求出电路的驱动方程。
5）根据得到的驱动方程和输出方程，画出相应的逻辑图。
6) 判断所设计的电路能否自启动。
1.同步计数器 1)同步二进制计数器
数字电路第五章锁存器和触发器
Q3
Q
S 1S
Q
G1 G3
使能信号控制门电路
2、工作原 理
E=0： 状态不变
E=1： Q3 = S Q4 = R R
G4
G2
& Q4 ≥1
Q
状态发生变化。
S=0，R=0：Qn+1=Qn
E
S=1，R=0：Qn+1=1
≥1
&
Q
S=0，R=1：Qn+1=0
S
Q3 G1
G3
S=1，R=1：Qn+1= Ф
逻辑门控SR锁存器的E、S、R的波形如下图虚线上边所示， 锁存器的原始状态为Q = 0，试画出Q3、Q4、Q和Q 的波形。
或非门
G1
G2
Q T1 T4 Q
T3 R
T6 S
T2 T5
初态：R、S信号作用前Q端的 次态：R、S信号作用后Q端的
状态，初态用Q n表示。
状态次态用Q n+1表示。
1) 工作原理 R=0、S=0
状态不变
0 G1
R
≥1
11
Q
R
0 G1
≥1
00
Q
G2 ≥1 S
0
0
Q
若初态 Q n = 1
G2 ≥1 S
建立时间tSU ：保证与D 相关的电路建立起稳定的状态，使触 发器状态得到正确的转换。 保持时间tH ：保证D状态可靠地传送到Q 触发脉冲宽度tW ：保证内部各门正确翻转。 传输延迟时间tPLH和tPHL ：时钟脉冲CP上升沿至输出端新状态 稳定建立起来的时间 最高触发频率fcmax ：触发器内部都要完成一系列动作，需要 一定的时间延迟，所以对于CP最高工作频率有一个限制。
时序逻辑电路51概述52时序逻辑电路的状态转换表
数字电路与逻辑设计
④ 列状态表： 状态表的已知条件是电路的 外输入和各触发器的原状态；待求量是该时序电 路的原状态所对应的外输出和各触发器的新状态. ⑤ 根据状态表画状态图(或时序图)。并分 析电路的逻辑功能。 ⑥ 对该时序逻辑电路进行电路分析，检查 自启动性能。
数字电路与逻辑设计
例5.3.1：分析下图5.3.1所示同步时序电路
（2）写出次态方程：
Q 0 n 1 J 0 Q 0 n K 0 Q 0 n Q1 n 1 J1 Q1 n K1Q1 n
数字电路与逻辑设计
（3）列出状态转换真值表，见下表5.3.2所示。
输入 现状
Q 1n Q 0n
触发器输入
输出
次态
Q1n+1 Q0n+1
X 0
0 0 0
数字电路与逻辑设计
第五章 时序逻辑电路
5. 1 概述 5. 2 时序逻辑电路的状态转换表、状态转换 图和时序图 5. 3 同步时序逻辑电路的分析和设计方法 5. 4 异步时序电路的分析和设计方法 5. 5 几种常用的时序逻辑电路 5. 7 时序逻辑电路的VHDL描述
数字电路与逻辑设计
5.1概述
逻辑电路
数字电路与逻辑设计
图5.2.2 图5.1.3电路的时序图
数字电路与逻辑设计
5.3 同步时序电路的分析与设计
同步时序电路的分析，就是已知具体电路, 通过分析其工作状态变化的过程及输入与输出之 间的关系，从而弄清该电路的逻辑功能，并给出 适当的文字描述，以便正确地使用这些电路。
数字电路与逻辑设计
5.3.1 同步时序逻辑电路的分析方法 同步时序电路分析的一般步骤如下： ① 从给定的逻辑图中写出每个触发器的驱 动方程(亦即存储电路中每个触发器输入信号的 逻辑函数式)。 ② 把得到的这些驱动方程代入相应触发器 的特性方程，得出每个触发器的状态方程，从而 得到由这些状态方程组成的整个时序电路的状态 方程组。 ③ 根据逻辑图写出电路的输出方程。
数字电路与逻辑设计第5章时序逻辑电路
图5-1时序逻辑电路的组成框图
根据图5-1，可以列出以下3个逻辑 方程组：
（5-1） （5-2） （5-3）
其中，式（5-1）称为输出方程，式 （5-2）称为驱动方程（或激励方程）， 式（5-3）称为状态方程。
qn1,qn2,…,qnj表示存储电路每个触发 器的初态，qn+11，qn+12,…，qn+1j表示存 储电路每个触发器的次态。
表5-2 74LS175的状态转换表
图5-7 74LS175的引脚排列图
5.3.2移位寄存器
在数字电路系统中，由于运算的需 要，常常要求输入寄存器的数码能逐位 移动，这种具有移位功能的寄存器，称 为移位寄存器。
移位寄存器的逻辑功能和电路结构 形式较多。
根据移位方向可分为单向移位寄存 器和双向移位寄存器两种；根据接收数 据的方式可分为串行输入和并行输入两 种；根据输出方式可分为串行输出和并 行输出。
所谓串行输入，是指将数码从一个 输入端逐位输入到寄存器中，而串行输 出是指数码在末位输出端逐位出现。
1.单向移位寄存器
单向移位寄存器，是指数码仅能作 单一方向移动的寄存器。可分为左移寄 存器和右移寄存器。如图5-8所示是由D 触发器组成的4位串行输入、串并行输出 的左移寄存器。
图5-8 4位左移寄存器
分析同步时逻辑电路的一般步骤如 下。
（1）写出存储电路中每个触发器的驱 动方程； （2）将驱动方程分别代入各触发器的 特性方程，得出每个触发器的状态方 程； （3）根据逻辑电路写出输出方程。
5.2.2时序逻辑电路的一般分析方法
实际上，从驱动方程、状态方程和 输出方程这3个方程中，还不能对时序逻 辑电路的逻辑功能有一个完全的了解， 还需要通过另外一些更直观的方法来分 析和描述时序逻辑电路的逻辑功能。这 里主要介绍3种比较重要而且常用的方法 ，分别是状态转移表、状态转移图、时 序图。
数字电子技术 第5章 时序逻辑电路的分析
40
5.8异步计数器
1.异步计数器的概念：异步计数器中的 触发器不会同时改变状态，因为它们没 有共同的时钟脉冲
41
2. 三位异步二进制计数器
42
波形图
Q0:2分频 Q1:4分频 Q2:8分频
Q0 Q1’ Q2
43
3.四位异步十进制计数器
1 CP 2 3 4 5 6 7 8 9 10
起译码 作用
电路分析： Di输入的数据，在cp 上升沿作用下,逐位 向左移动，经过4个 脉冲，将把输入的第 1个数传送到输出D0。
电压波形
34
5.5.MSI移位寄存器
M=0 M=1
串行输出
74LS95右移 移位寄存器
并 行 输 出
(1)电路形式：电路接成串行移位右移，并行输入，并行输出。 (2)工作原理：当方式控制M=1时，允许数据以并行方式输入，在cp2作用下，并 行存入J-K FF，并以并行方式输出Data.Q0~Q3。当M=0时，并行输入被禁止， 允许串行输入到J-K FF，在cp1作用下逐位右移。
1
1
1
1
4位异步二进制计数器(74LS93)
电路特点： 74LS93是一个MSI.模2×8进制计数器。从电路形式上看，第1 个FF为2进制，第2~4个FF是8进制计数器。采用两个时钟脉冲 CPA，CPB，有2个复位输入端，为方便灵活使用。
46
74LS93应用
用74LS93构成模16计数器。 将QA(第一级FF输出)作为CPB 使用，成为模16计数器。
(4)将驱动方程分别代入J-K FF的特性方程：
001 000 (2)时序电路的输出为Q3Q2Q1
(3)各FF的驱动方程： J1=Q3 K1=1 J2=1 K2=1 J3=Q2Q1 K3=1
数字逻辑(欧阳星明)第五章
4．描述电路的逻辑功能。 由状态图可知，该电路是一个2 位二进制数可逆计数器。 当输入x=0 时，可逆计数器进行加1计数，其计数序列为 00 01 10 11
当输入x=1时，可逆计数器进行减1计数，其计数序列为 00 01 10 11 在时序逻辑电路分析中，除了状态图和状态表之外，通常 还用到时间图。时间图能较形象、生动地体现时序电路的工作 过程，并可和实验观察的波形相比较，是描述时序电路工作特 性的一种常用方式。
7
第五章 同步时序逻辑电路
（2）现态与次态 同步时序电路中的现态与次态是针对某个时钟脉冲而言的。 现态----指时钟脉冲作用之前电路所处的状态。 次态----指时钟脉冲作用之后电路到达的状态。 注意：前一个脉冲的次态即后一个脉冲的现态！如 1 2 cp 次态=现态 次态=现态 （3）对时钟的要求 脉冲的宽度：必须保证触发器可靠翻转； 脉冲的频率：必须保证前一个脉冲引起的电路响应完全结 束后，后一个脉冲才能到来。 2. 异步时序逻辑电路 异步时序逻辑电路的存储电路可由触发器或延时元件组成， 电路中没有统一的时钟信号同步，电路输入信号的变化将直接导 致电路状态的变化。 8 3
19
第五章 同步时序逻辑电路
5.2.2分析举例 例1 用表格法分析下图所示同步时序逻辑电路。 解：该电路由两个J-K触 发器和一个异或门组成，电 路的输入为x，电路的状态 (即触发器状态)用y2 、y1 表示。 电路的输出即状态变量，因 此 ， 该 电 路 属 于 Moore 型 电 路的特例。
1.写出输出函数和激励函数表达式 该电路的输出即为状态，各触发器的激励函数表达式为 J1=K1=1 ；J2=K2=x⊕y1
24
第五章 同步时序逻辑电路
根据状态响应序列，可 作出时间图如下图所示。由 于前一个时钟脉冲的次态即 为后一个时钟脉冲的现态， 所以，时间图中可以将现态 和次态共用一个波形表示。
数字电子技术 第5章
锁存器电路图
(1)
E CP 1D 1
(11) 1
C1
(3)
1D Q
C1
EN
(2) 1Q
1
EN
(4) 2D
1D C1 Q
(5) 2 Q
1
EN
(6)
D
3Q
1
＆ ≥1 Q
(7) 3D
19) 4 Q
1D C1
Q
1
＆ ≥1
(12)
Q
5Q
EN
5D
(13)
1D C1 Q
1
CP
图5-13 一位D锁存器逻辑图
EN
(15)
6D
(14)
6Q
1D C1
Q
1
EN
(16)
7D
(17)
1D C1
Q
1
7Q
EN
8D
(18)
(19)
1D
Q
1
8Q
（3）移位寄存器
移位寄存器不仅可以存储代码，还可以将代码移位。 ⑴四位右移移位寄存器的原理：
并行输出
Q0 DI FF0 1D Q C1 CP FF1 1D Q1 FF2 1D Q C1 Q2 FF3 1D C1 Q Q3 DO
表5-4 74194的工作状态表
Rd
0 1 1 1 1
S1 S0 × 0 0 1 1 × 0 1 0 1
工作状态 清零 保持 右移 左移 送数
CP A
＆ ＆ ＆ ＆ ＆ ＆ ＆
1
并行输出
FA QA Q 1 FB QB Q 1 1S C1 1R R FC Q C Q 1 FD QD Q 1S C1 1R R
74161的逻辑符号
数字电子技术第5章
（4）逻辑功能分析：当Q1Q0=11时，输出Z=1；当取 其它值时，输出Z=0；在一个循环过程中，Z=1只出现一次， 故为进位输出信号。所以，此电路是带进位输出的同步4 进制加法计数器电路。
EXIT EXIT
第5章 时序逻辑电路
分析举例
【例5.1.2】图所示电路是异步时序逻辑电路的逻辑图， 试分析它的逻辑功能。
3. 求出对应状态值
设电路初始状态为 Q3Q2Q1 Q0 =0000 当某触发器时钟 条件满足时，计算 其状态方程的值； 触发器时钟没有到 来时，则不用计算 其状态方程的值， 保持原有状态。
演 示 文 稿 Presentation
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 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1
EXIT EXIT
第5章 时序逻辑电路
画状态图和时序图
演 示 文 稿 Presentation
随着CP脉冲的递 1010至1111在 增，不论从电路输 计数循环外， 出的哪一个状态开 但可以进入计 始，触发器输出的 数循环，称为 变化都会进入同一 自启动 个循环过程
（4）逻辑功能分析：由状态图和时序图 可知，该电路是十进制计数器，或10分频器。
EXIT EXIT
第5章 时序逻辑电路
5.1.2 时序逻辑电路的分析方法
演 示 文 稿 Presentation
基本步骤：
1. 根据给定的电路，写出它的输出方程和驱动方程，并求 状态方程。 时序电路的输出逻辑表达式。 2. 列状态转换真值表。 各触发器输入信号的逻辑表达式。 将驱动方程代入相应触发器的特性方程中所得到的方程 3. 分析逻辑功能。 简称状态转换表，是反映电路状态转换的规律与条件的表格。 方法：将电路现态的各种取值代入状态方程和输 出方程进行计算，求出相应的次态和输出，从而列出 4. 根据状态转换真值表来说明电路逻辑功能。 画状态转换图和时序图。 状态转换表。 如现态起始值已给定，则从给定值开始计算。如 用圆圈及其内的标注表示电路的所有稳态， 没有给定，则可设定一个现态起始值依次进行计算。 在时钟脉冲 CP作用下，各触发器状态变化的波形图。 用箭头表示状态转换的方向，箭头旁的标注表示 状态转换的条件，从而得到的状态转换示意图。 EXIT EXIT
第五章 时序逻辑电路
D0
D1 D2 D3
(b) 逻辑功能示意图
5.1.2 寄存器
表5.2.3 CT74LS194的功能表
由该表可知它的主要功能如下。 （1）清零功能。 （2）保持功能。
5.1.2 寄存器
（3）并行置数功能。 （4）右移串行输入功能。 （5）左移串行输入功能。 三、寄存器的应用 1.实现数据的串/并行转换
5.1.1 数字电路概述
一、时序逻辑电路的分析 时序逻辑电路的分析是根据已知的逻辑电路图， 找出电路状态和输出信号在输入信号和时钟脉冲信 号作用下的变化规律，确定电路的逻辑功能。 1.时序逻辑电路的基本分析步骤 （1）列写电路方程 ①输出方程。 ②驱动方程。 ③状态方程。
5.1.1 数字电路概述
5.1.2 寄存器
一、数码寄存器 CT74LS175是用维持阻塞D触发器组成的4位寄存 器，它的逻辑图如图5.2.1所示。
Q0 Q0 FF0 CP CR 1D C1 D0 RD Q1 Q1 FF1 1D C1 D1 RD Q2 Q2 FF2 1D C1 D2 RD Q3 Q3 FF3 1D C1 D3 RD
CP 移位时钟脉冲
图5.2.2 由边沿D触发器组成的4位单向移位寄存器 （a）右移位寄存器；（b）左移位寄存器
例如，设串行输入数据为DI＝1011，首先将移 位寄存器的初始状态置为0，即Q3 Q2Q1Q0＝0000。 经过4个移位脉冲后，寄存器状态应为Q3 Q2Q1Q0 ＝1011，所以，串行输入数码的顺序依次是从高位 到低位，即在4个移位脉冲CP的作用下依次送入1、 0、1、1。
Q0 FF0 1D Di D0 C1 右移 输入 CP 移位时钟脉冲 Q0 D1 Q0 FF1 1D C1 Q1 Q1 D2 Q1 FF2 1D C1 Q2 D3 Q2 Q2 FF3 1D C1 Q3 Q3 右移 输出 Q3
数字电子技术第五章 触发器
0
1
10 0 0
10 1 0
11 0 0
11 1 1
与非门SR锁存器的约束条件： R’D+S’D =1即 RDSD =0 。
SD ' RD ' Q Q *
0 0 0 1① 0 0 1 1① 10 00 10 10 01 01 01 11 11 00 11 11
不允许
置0 置1 保持
激励信号输入端低电平有效。
反相器
0
门电路不具备记忆功能
用G2门将VO1反相，并接G1的 另一个输入端；则VI1信号消 失，VO1的低电平和VO2的高
电平也能保持。
SR锁存器
SR锁存器 原理图
符号
SR锁存器：是各种触发器的基本组成部分，有两个
能自行保持的稳定状态。
SD、RD为激励输入端，定义输出端的Q=1、Q’=0 为锁存器的1状态，Q=0、Q’=1为锁存器的0状态。
1 0 01 1 1 1 00 1
Q*=1 置1 1 1 01 1
1 0 10 0 Q*=0 置0
1 0 11 0
1 1 1 0 1①
1
1 1 1 1①
不允许
约束条件SR=0。否则当S、R同时由1变为0，或者S=R=1 时CLK回到0，触发器的次态将无法确定。
图形符号：C1表示编号为1的一个CLK控制信号。1S和 1R表示受C1控制的两个输入信号，只有在C1为有效电平
时,1S和1R信号才起作用。输入端处没有小圆圈表示CLK高
电平有效，有小圆圈则低电平有效。
SD’ 异步置1输入端和RD’ 异步置0输入端，可立即将触
发器置1或置0，不受时钟信号的控制。异步置位复位输入 端低电平有效，正常工作时应使其无效(处于高电平)。
第五章：时序逻辑电路
一，特点结构分类学习指导：通过本知识点的学习，了解时序逻辑电路的结构，掌握组合逻辑电路与时序电路的区别及时序电路的分类方法。
某时刻的特定输出仅决定于该时刻的输入，而与电路原来的状态无关。
时序电路的特点数字逻辑电路按工作特点分为两大类：一类是组合逻辑电路，简称组合电路；另一类是时序逻辑电路，简称时序电路。
时序电路与组合电路的区别：如果一个电路，由触发器和组合电路组成，那么它就有能力把前一时刻输入信号作用的结果，记忆在触发器中。
这样，电路在某一给定时刻的输出不仅取决于该时刻电路的输入，而且还取决于该时刻电路的状态（触发器的状态）。
所谓时序就是电路的状态与时间顺序有密切关系，预定操作是按时间顺序逐个进行的时序电路的特点是电路在任一时刻的稳定输出，不仅取决于该时刻电路的输入，而且还与电路过去的输入有关，因此这种电路必须具有存储电路（绝大多数由触发器构成）保证记忆能力，以便保存电路过去的输入状态。
时序电路的结构时序电路的一般结构如图5-1所示,它由组合电路和存储电路两部分组成，图5-1中X(X1、X2、······X n) 代表输入信号，Z(Z1、Z2、······X m)代表输出信号，W(W1、W2、······W h )代表存储电路控制信号，Y(Y1、Y2、······Y k) 代表存储电路输出状态(时钟信号未标出)，这些信号之间的关系可以用下列三个方程(函数）表示：输出方程： Z（t n）= F[X（t n），Y（t n）] （5-1）状态方程： Y（t n+1）= G[W（t n），Y（t n）] （5-2）各触发器的输入端表达式.控制方程: W（t n）= H[X（t n），Y（t n）] （5-3）各方程中t n、t n+1表示相邻的两个离散时间Y（t n）一般表示存储电路(各触发器)输出现时的状态，简称现态，或原状态Y（t n+1）则描述存储电路下一个工作周期（来过一个时钟脉冲以后）的状态，简称次态、或新状态.∙时序电路的分类由输出方程可知，时序电路的现时输出Z（t n）决定于存储电路的现时状态Y（t n）及时序电路的现时输入X（t n）。
第5章_VHDL时序电路+状态机+交通灯
时序逻辑电路设计
读懂每一个时序电路的VHDL程 序，能够熟练进行分析。 能够根据已知功能写出相关的 VHDL程序。
重点内容： • 时序逻辑电路的基本概念 • 触发器 • 寄存器 • 计数器
时钟信号
任何时序电路都以时钟信号为驱动信号， 时序电路仅在时钟信号的边沿到来时，其 状态才发生改变。因此，时钟信号通常是 描述时序电路程序的执行条件. 另外，时序电路也总是以时钟进程的形式 进行描述的。
（三）.计数器
1.计数器简介
定义： 数字电路中用来记忆时钟脉冲个数的逻辑电 路。 原理：采用几个触发器的状态，按照一定规 律随时钟变化来记忆时钟的个数。 计数器的模：一个计数器所能记忆时钟脉冲 的最大数目。
1.计数器简介
计数器的分类
1、同步计数器、异步计数器。
2、加法计数器、减法计数器和可逆计数器。
IF (clk′EVENT AND clk=′0′) THEN WAIT UNTIL clk=‘0’; IF (clk’last_value=‘1’ AND clk’event AND clk=‘0’) THEN
IF (falling_edge(clk)) THEN
复位信号
同步复位，就是当复位信号有效且在给 定的时钟边沿到来时，触发器才被复位 。换一句话说，即使复位信号有效，如 果时钟脉冲边沿未到来，触发器也不会 复位。 非同步复位则不同，一旦复位信号有效 ，触发器就立即复位。
第5章 VHDL基本逻辑电路设计
--时序逻辑电路
时序逻辑电路概述
回顾：
组合逻辑电路：任意时刻的输出仅取决于该 时刻数据的输入，与电路原来的状态无关。 时序逻辑电路：是指数字电路在任何时刻的 输出不仅取决于当时的输入信号，而且还取决 于电路原来的状态，或者说和以前的输入有关。
第五章 时序逻辑电路 习题解答
第五章 时序逻辑电路 习题解答注：1. 用EDA 软件(例如Multisim ／EWB)可以帮助解题。
凡加注了“★”的题，可以用用该类软件求解；凡加注了“◆”的题，以用该类软件进行验证。
2. 答案仅供参考，且非唯一。
也不一定是最佳答案。
[题 5.1] 分析图P5.1时序电路的逻辑功能，写出电路的驱动方程、状态方程和输出方程，画出电路的状态转换图，说明电路能否自启动。
[解]11322131233n 113131n 1212212n 133213311;J K Q J K Q J Q Q K Q Q Q Q Q Q QQ Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Y Q +++=======+==+=⊕==电路能自启动。
状态转换图如图A5.1。
[题 5.2] 试分析图P5.2时序电路的逻辑功能，写出电路的驱动方程、状态方程和输出方程，画出电路的状态转换图。
A 为输入逻辑变量。
[解]12212+12n 112n 1212 ()(+)D A Q D A Q Q A Q Q QAQ Q A Q Q ++===== 21=Y A Q Q电路的状态转换图如图A5.2。
[题 5.3] 试分析图P5.3时序电路的逻辑功能，写出电路的驱动方程、状态方程和输出方程，画出电路的状态转换图，检查电路能否自启动。
[解]12312121331232n 11231n 12123132n+13123223;1 ; ;=J Q Q K J Q K Q Q J Q Q K Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Y Q Q ++=======+=+= 电路的状态转换图如图A5.3。
电路能自启动。
[题 5.4] 分析图P5.4给出的时序电路，画出电路的状态转换图，检查电路能否自启动，说明电路实现的功能。
A 为输入变量。
[解]n+11111n 122221212121=+J K Q Q J K A Q Q A Q Q Y A Q Q A Q Q +=====⊕=⊕⊕电路状态转换图如图A5.4。
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Qn1 2
0
Q3 n1Q 01nQ 02 nQ 03 nQ 01nQ 03 n
Q3n1 0
➢将这一结果作为新的初始状态，再代入状 态方程和输出方程…。将结果添入表中得到 状态转换表。
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13
例5-1
➢表5-2是状态转换表。
表5-2 例5-1的状态转换表
Q CP顺序
Q Q n n n
321
Q Q n 1 3
➢驱动方程 J1 X K1 XQ2n J2 XQ1n K2 X
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16
例5-2
➢驱动方程 J1 X K1 XQ2n J2 XQ1n K2 X
➢⑵将驱动方程代入JK触发器的特性方程 Qn1 JQnKQn中求得状态方程：
Q 1n1XQ 1nX2 Q nQ 1n
Q2n1XQ 1nQ2nXQ 2n
➢⑴驱根动据方图程5：-2J所1=示1 逻K1辑=1图J写2 出Q：1nQ3n K2 Q1n
➢时钟方程：JC3P1=QC1PnQ 2=2nCPK3=3CPQ1n
➢ 输出方程
F Q1nQ3n
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11
例5-1
J1=1 K1=1 J2 Q1nQ3n K2 Q1n
J3 Q1nQ2n K3 Q1n
➢ ⑵将驱动方程代入JK触发器的特性方程
(5-1) 输出方程 (5-2) 状态方程 (5-3) 驱动方程
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6
时序电路的逻辑功能表示法
➢状态转换表、状态图、时序图(工作波形图)
➢时序电路的现态和次态，是由构成该时序电 路的存储电路（一般由触发器组成）的现态 和次态分别表示的，那么就可以用分析触发 器的有关方法，列出时序电路的状态表，画 出时序电路的卡诺图、状态图和时序图。
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8
分析步骤
➢①分析电路组成，写逻辑方程式 ➢➢②③– 将根输求进驱出据状行动方给态计方程定方算程电程和代路列入，状触写发态出器转：特时换性钟真方方值程程表，、求驱出动状方态程方、程。 ➢④将概任括何逻一组辑输功入能变量及电路的初始状态的取值
代入状态方程和输出方程，即可计算出电路的次 态值和相应输出值，然后继续这个过程，直到考 虑了所有可能的状态为止。将这些计算结果列成 真值表的形式，就得到状态转换真值表。
存储电路现在
的输出信号
Q1
Z1
存储电路
F1 Fj
存储电路现在 的输入信号
tn和tn+1：两个相 邻的离散时间。
Ql
Zk
5-1 时序逻辑电路图
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3
时序电路分类
➢按触发方式分两类 ➢同步时序电路：所有触发器共用一个时钟
信号，即所有触发器的状态转换发生在同 一时刻 ➢异步时序电路：触发器的状态转换不一定 发生在同一时刻。
➢以上四种表示方法从不同侧面突出了时序电 路的逻辑功能，它们本质上是相通的，可相 互转换。在实际中根据需要选用。
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7
5.2时序电路的分析方法
➢分析一个时序电路，就是要找出给定时序 电路的逻辑功能。
➢对具体电路而言，就是通过分析找出电路 的状态和电路的输出在输入信号和时钟信 号作用下的变化规律。
Q n 1 n 1
2
1
F
1
000
001
0
2
001
010
0
3
010
011
0
4
011
100
0
5
100
101
0
6
101
000
1
110
1 11
0
111
0 00
1
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Байду номын сангаас
14
例无5-效1 状态
➢由状态转换表很容易画出状态转换图
110 111 Q3Q2Q1
CP 1 2 3 4 5 6 7
Q1 0 1
1
有QQ23效00状态
第5章 时序逻辑电路
➢5.1时序逻辑电路的特点和表示方法 ➢5.2时序电路的分析方法 ➢5.3寄存器 ➢5.4计数器 ➢5.5顺序脉冲发生器 ➢5.6时序电路的设计方法
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1
5.1 时序逻辑电路的特点
➢逻辑功能上的特点(时序电路定义) ➢任一时刻的稳定输出不仅决定于该时刻的
输入，而且和电路原来状态有关。 ➢结构上的特点 ➢电路中包含存储元件─通常由触发器构成。 ➢存储元件的输出和电路输入间存在着反馈
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4
时序电路分类
➢按触发方式分两类
➢按输出方式分两类 ➢米里型：时序电路的输出状态与输入和现
态有关的电路称为米里型 ➢莫尔型：输出状态只与现态有关的电路，
称为莫尔型。
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5
时序电路的逻辑功能表示法
➢逻辑方程式 F(tn )=W[X(tn ),Q(tn )] Q(tn+1 )=G[Z(tn),Q(tn)] Z(tn )=H[X(tn),Q(tn)]
➢输出方程 FXQ 1nQ2n
➢⑶根据以上方程计算得状态表。
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17
例5-2
表➢有。5Q -3⑷1n 故连1 确该续例定电输5X -逻2路入Q 的辑1n 称四状 功态作个X 能表或11：12 四Q n F1Q X序个1n =列以0X，检Q 上Q 1回n2n 测Q 个1 到2n器1时0。0X，状Q 1 才态nQ 1使，/2 0nF且=X F1=否0Q 2n则；F只=0
0 1
000 001 010 F
图5-7 例5-1的波形图
101
100
011 有效 循环
自启动
➢该电路是一个六进制计数器。
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15
例5-2
➢试分析图5-5所示时序电路的逻辑功能。
X
&
FF1
1J
Q &
C
1
1K
1
Q
FF2 Q
1J
C1
1K Q
&
F
CP
图 5-5 例 5-2 时序电路逻辑图
➢解时输： 钟 出⑴方根程据图CF5P-51写=XC出PQ 12n：=QC2nP
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9
分析过程示意图如下
给定电路
写时钟方程 输出方程 计算
状态表 状态图
驱动方程 特性方程
状态方程
CP触发沿 时序图
概括逻辑功能
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10
例5-1
➢试分析图5-2所示时序电路的逻辑功能。
FF1
FF2
FF3
&
1
1J
Q
&
Q
1J
& 1J
Q
F
C1
C1
C1
1K Q
1K
Q
1K
Q
CP
图 5-2 时序电路
Qn1 JQnKQn 中求得状态方程：
Qn1 1
Q1n
Q2 n1Q1nQ3nQ2 nQ1nQ2 n
Q3 n1Q 1nQ2 nQ3 nQ 1nQ3 n
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12
例5-1
➢求状态转换表和状态转换图，画波形图。
设电路的初始状态 Q1nQ2nQ3n 000
Qn1 1
Q01n
Q1n1 1
Q2 n1Q 01nQ 03nQ 02 nQ 01nQ 02 n
连接，这是时序电路区别于组合电路的重 要特点之一。
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2
时序逻辑电路的框图表示
现在的
F输QZ((入ttnnn信+))=1=号W)H=[G[XX[(Z(ttn(nt)n,)Q,Q(t(nnt)n)])]]
现在的
((55--321)) 输驱状输出动态出信方方号程程
… …
… …
X1
Xi
组合逻辑电路