常用的时序逻辑电路
数电基础：时序逻辑电路
数电基础：时序逻辑电路虽然每个数字电路系统可能包含有，但是在实际应⽤中绝⼤多数的系统还包括，我们将这样的系统描述为时序电路。
时序电路是由最基本的加上反馈逻辑回路（输出到输⼊）或器件组合⽽成的电路，与最本质的区别在于时序电路具有记忆功能。
1. 简介是数字逻辑电路的重要组成部分,时序逻辑电路⼜称,主要由 存储电路 和 组合逻辑电路 两部分组成。
它和我们熟悉的其他电路不同,其在任何⼀个时刻的输出状态由当时的输⼊信号和电路原来的状态共同决定,⽽它的状态主要是由存储电路来记忆和表⽰的。
同时时序逻辑电路在结构以及功能上的特殊性,相较其他种类的数字逻辑电路⽽⾔,往往具有难度⼤、电路复杂并且应⽤范围⼴的特点 。
在数字电路通常分为和时序逻辑电路两⼤类，组合逻辑电路的特点是输⼊的变化直接反映了输出的变化，其输出的状态仅取决于输⼊的当前的状态，与输⼊、输出的原始状态⽆关，⽽是⼀种输出不仅与当前的输⼊有关，⽽且与其输出状态的原始状态有关，其相当于在组合逻辑的输⼊端加上了⼀个反馈输⼊，在其电路中有⼀个存储电路，其可以将输出的状态保持住，我们可以⽤下图的框图来描述时序电路的构成。
从上⾯的图上可以看出，其输出是输⼊及输出前⼀个时刻的状态的函数，这时就⽆法⽤组合逻辑电路的函数表达式的⽅法来表⽰其输出函数表达式了，在这⾥引⼊了现态（Present state)和次态（Next State)的概念,当现态表⽰现在的状态（通常⽤Qn来表⽰），⽽次态表⽰输⼊发⽣变化后其输出的状态 （通常⽤Qn+1表⽰），那么输⼊变化后的输出状态表⽰为Qn+1=f(X,Qn)，其中：X为输⼊变量。
组合电路和存储元件互联后组成了时序电路。
存储元件是能够存储信息的电路。
存储元件在某⼀时刻存储的⼆进制信息定义为该时刻存储元件的状态。
时序电路通过其输⼊端从周围接受⼆进制信息。
时序电路的输⼊以及存储元件的当前状态共同决定了时序电路输出的⼆进制数据，同时它们也确定了存储元件的下⼀个状态。
时序逻辑电路的分类
时序逻辑电路的分类时序逻辑电路是一种能够在特定的时间序列下执行特定操作的电路。
它通常由组合逻辑电路和存储器组成，可以实现复杂的计算和控制功能。
时序逻辑电路按照其实现功能的不同，可以分为以下几类。
一、触发器触发器是最基本的时序逻辑电路之一，它可以存储一个比特位，并且在时钟信号到来时根据输入信号的状态改变输出状态。
常见的触发器有SR触发器、D触发器、JK触发器和T触发器等。
二、计数器计数器是一种能够在特定条件下对输入信号进行计数并输出结果的电路。
它通常由若干个触发器组成，每个触发器都表示一个二进制位。
常见的计数器有同步计数器和异步计数器等。
三、移位寄存器移位寄存器是一种能够将输入信号从一个位置移动到另一个位置并输出结果的电路。
它通常由若干个触发器组成，每个触发器都表示一个二进制位。
常见的移位寄存器有串行入并行出移位寄存器、并行入串行出移位寄存器和并行入并行出移位寄存器等。
四、状态机状态机是一种能够根据输入信号的状态和时钟信号的变化改变输出状态的电路。
它通常由若干个触发器和组合逻辑电路组成，可以实现复杂的控制功能。
常见的状态机有Moore状态机和Mealy状态机等。
五、定时器定时器是一种能够在特定时间间隔内产生一个脉冲信号或者计数信号的电路。
它通常由若干个触发器和组合逻辑电路组成，可以实现复杂的定时功能。
常见的定时器有单稳态定时器和多稳态定时器等。
六、脉冲生成器脉冲生成器是一种能够在特定条件下产生一个脉冲信号的电路。
它通常由若干个触发器和组合逻辑电路组成，可以实现复杂的脉冲生成功能。
常见的脉冲生成器有单稳态脉冲生成器、多稳态脉冲生成器和斯奈德-哈特脉冲生成器等。
七、序列检测电路序列检测电路是一种能够在输入序列中检测出指定模式并输出相应结果的电路。
它通常由若干个触发器和组合逻辑电路组成，可以实现复杂的序列检测功能。
常见的序列检测电路有Moore序列检测器和Mealy序列检测器等。
八、时钟同步电路时钟同步电路是一种能够将异步输入信号转换为同步输出信号的电路。
第6章 时序逻辑电路
J 和 K 接为互反，相当于一个D触发器。时钟相连 是同步时序电路。
电路功能： 有下降沿到来时，所有Q端更新状态。
2、移位寄存器 在计算机系统中，经常要对数据进行串并转换，移 位寄存器可以方便地实现这种转换。
左移移位寄存器
•具有左右移位功能的双向移位寄存器
理解了前面的左移移位寄存器，对右移移位寄存器 也就理解了，因位左右本身就是相对的。实际上，左右 移位的区别在于：N触发器的D端是与 Q N+1相连，还是 与Q N-1相连。
第六章 时序逻辑电路
如前所述，时序逻辑电路的特点是 —— 任一时刻 的输出不仅与当前的输入有关，还与以前的状态有关。
时序电路以触发器作为基本单元，使用门电路加以 配合，完成特定的时序功能。所以说，时序电路是由组 合电路和触发器构成的。
与学习组合逻辑电路相类似，我们仍从分析现成电 路入手，然后进行时序逻辑电路的简单设计。
状态化简 、分配
用编码表示 给各个状态
选择触发器 的形式
确定各触发器 输入的连接及 输出电路
NO 是否最佳 ？
YES
设计完成
下面举例说明如何实现一个时序逻辑的设计：
书例7-9 一个串行输入序列的检测电路，要求当序
列连续出现 4 个“1”时，输出为 1，作为提示。其他情 况输出为 0。
如果不考虑优化、最佳，以我们现有的知识可以很
第二步： 状态简化
前面我们根据前三位可能的所有组合，设定了 8 个
状态A ~ H，其实仔细分析一下，根本用不了这么多状态。
我们可以从Z=1的可能性大小的角度，将状态简化为
4 个状态：
a
b
c
d
A 000
B 100
D 110
时序逻辑电路 课件
1
工作特点：随CP的不断输入， 0 电路递减计数。（略）
0X 0X 1X 1X C Q3 Q2 Q1 Q0 CP RD 74LS161 EP LD D3 D2 D1 D0 ET
X0 X0 X1 X1
4、四位二进制可逆计数器74LS191
逻辑符号 C/B Q3 Q2 Q1 Q0 CPI S 74LS191 CPO LD D3 D2 D1 D0 U/D （二） 同步十进制计数器
1、写输出方程 2、写驱动方程 3、写状态方程 4、填状态转换表
5、画状态转换图 6、画时序波形图 7、分析其功能 8、检查自启动
二、举例
CP
试分析下图时序电路的逻辑功能。
1J Q1
1J Q2
1J Q3 &
1Y
C1
1K
Q1 &
C1 Q2 1K
C1 Q3 1K
解： 1）输出方程 Y = Q3Q2
2）驱动方程
一、同步计数器
(一) 同步二进制计数器
1、同步二进制加法计数器（四块T触发器组成）
C
Q3
Q2
Q1
Q0
&
C1 1N
C1 1N
C1 1N
C1 1N
CP
T3
T2
&
&
T1 T0=1
(1) 输出方程
C=Q3Q2Q1Q0
(2) 驱动方程
T0=1； T1=Q0； T2=Q1Q0； T3=Q2Q1Q0
(3)时序波形图
1
1110 1111
0111 1010
1000 1011
1001 0110
❖状态转换图（Q3Q2Q1Q0 / Y）
0000 /0 0001 /0 0010
电子技术——几种常用的时序逻辑电路参考答案
第七章几种常用的时序逻辑电路参考答案一、选择题1.当时的输入信号，电路原来状态，a2.a3.b4.b5.JK6.基本RS，1R S+=（RS=0）7.T8.1，1n nQ Q+=9.J=K=T；J=K=T=1；J=D，K=D10.n nD TQ TQ=+；nD Q=11.并行，串行；并行输出，串行输出12.数码，移位13.清零14.同步计数器，异步计数器。
15.a，清零，置数，保持16.b17.异步，同步。
18.a，M*N19.2，双稳态触发器20.双向移位二、判断题1. B2. C3. C4. D5. B6. A7. C8. C9. A10. B11. C12. D13. D14. B15. D16. D17. A18. C19. C20. D三、判断题1.错2.对3.对4.错5.对6.错7.对8.对9.错10.错11.对12.对13.对14.错15.对四、简答题1.（9-1易）图示是用与非门组成的基本RS触发器试根据其特性表，并写出特性方程和约束条件。
R SnQ1n Q+功能0 0 0 0 01不定不定不允许0 1 0 1 01置010 1 0 011置11 1 1 1 011保持参考答案：特征方程：1n nQ S RQ+=+，约束条件：1R S+=2.（9-1中） 用JK 触发器（特性方程1n n n Q JQ KQ +=+）可以转换成其他逻辑功能触发器，适当连接给出的JK 触发器的输入端分别将其转换成： 1）.T 触发器（1n n n Q TQ TQ +=+） 2）.T ’触发器（1n n Q Q +=） 3）.D 触发器（1n Q D +=）参考答案：3.（9-1中）写出JK 触发器，T 触发器，T ’触发器，D 触发器的特性方程。
参考答案：JK 触发器特性方程：1n n n Q JQ KQ +=+T 触发器特性方程：1n n n Q TQ TQ +=+ T ’触发器特性方程：1n n Q Q += D 触发器特性方程：1n QD +=4.（9-3中）同步计数器的同步是指什么？ 参考答案：所谓同步指组成计数器的所有触发器共用一个时钟脉冲，使应该翻转的触发器在时钟脉冲作用下同时翻转，并且该时钟脉冲即输入的计数脉冲。
时序逻辑电路
3 ． 异步减 法计 数器
（1）3位递减计数器的状态
（2）电路组成
二 、 十进制计数器
十进制递减计数器的状态
1．电路组成
异步十进制加法计数器
2．工作原理
（1）计数器输入0～9个计数脉冲时，工作过程与4位二进制异步加法计数器完 全相同，第9个计数脉冲后，Q3Q2Q1Q0状态为1001。 （2）第10个计数脉冲到来后，此时计数器状态恢复为0000，跳过了1010~1111 的6个状态，从而实现842lBCD码十进制递增计数的功能。
④ 最 高 位 触 发 器 FF 3 是 在 Q 0 、 Q 1 、 Q 2 同 时 为 1 时 触 发 翻 转 ， 即 FF 0 ～ FF 2 原均为 1 ，作加 l 计数时，产生进位使 FF 3 翻转为 l 。
（2）电路组成
4位二进制同步加法计数器逻辑图
工
程
应
用
计数不正常的故障检测 第一步，先查工作电源是否正常；第二步，检查触 发器的复位端是否被长置成复位状态；第三步，用示波器观测计数脉冲是否加到 了触发器的CP端；第四步，替换触发器，以确定集成电路是否损坏。
第二节 计数器
在数字系统中，能统计输入脉冲个数的电路称为计数器。
一 、二进 制计 数器 1 ． 异步二 进制 加法计 数器
每输入一个脉冲，就进行一次加 1 运算的计数器称为加法 计数器，也称为递增计数器。 4 个 JK 触发器构成的异步加 法计数器如下图所示。
图中 FF 0 为最低位触发器，其控制端 C l 接收输入脉冲，输 出信号 Q 0 作为触发器 FF 1 的 CP ， Q 1 作为触发器 FF 2 的 CP ， Q 2 作为 FF 3 的 CP 。各触发器的 J 、 K 端均悬空，相当于 J = K =1 ，处于计数状态。各触发器接收负跳变脉冲信号时 状态就翻转，它的时序图见下图。
时序逻辑电路的特点和分类
时序逻辑电路的特点和分类一、时序逻辑电路的概念时序逻辑电路是由触发器和组合逻辑电路组成的，具有存储功能和状态转移功能。
时序逻辑电路的输出不仅取决于输入，还与先前状态有关。
因此，它们可以用来实现计数器、寄存器、状态机等。
二、时序逻辑电路的特点1. 存储功能：时序逻辑电路可以存储先前的状态，并在需要时将其恢复。
2. 状态转移功能：时序逻辑电路可以根据输入信号和当前状态，决定下一个状态。
3. 时钟信号：时序逻辑电路需要一个稳定的时钟信号来控制状态转移。
4. 产生延迟：由于触发器需要时间来响应输入信号并更新其输出，因此时序逻辑电路会产生一定的延迟。
三、时序逻辑电路的分类1. 同步电路：同步电路是指所有触发器都受到相同的时钟信号控制，以确保所有触发器同时更新其输出。
同步电路具有可靠性高、抗干扰能力强等特点。
2. 异步电路：异步电路是指不同触发器受到不同的控制信号，可以实现更灵活的状态转移。
但是，异步电路容易出现冲突和竞争条件，需要设计者特别注意。
3. 时序组合逻辑电路：时序组合逻辑电路是指由触发器和组合逻辑电路组成的复杂电路。
它可以实现更复杂的状态转移和计算功能，但也需要更复杂的设计和调试。
四、时序逻辑电路的应用1. 计数器：计数器是最常见的时序逻辑电路之一，可以用于计数、定时等应用。
2. 寄存器：寄存器可以存储数据，并在需要时将其恢复。
它通常与处理器或其他数字系统一起使用。
3. 状态机：状态机是一种特殊类型的时序逻辑电路，可以实现复杂的状态转移和控制功能。
它常用于控制系统、通信协议等领域。
4. 数字信号处理：数字信号处理通常涉及到大量的状态转移和计算操作，因此需要使用大量的时序逻辑电路来实现。
五、总结时序逻辑电路具有存储功能和状态转移功能，并需要稳定的时钟信号来控制状态转移。
根据不同的控制方式和功能需求，可以将其分为同步电路、异步电路和时序组合逻辑电路。
时序逻辑电路在计数器、寄存器、状态机、数字信号处理等领域有广泛的应用。
常用时序逻辑电路及其应用
功耗优化
通过优化电路结构和降低工作电压， 减小电路功耗，延长电池寿命。
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集成电路
FPGA和CPLD
现场可编程门阵列和复杂可编程逻辑 器件，可以通过编程实现时序逻辑电 路，具有灵活性高、可重复编程等优 点。
通过集成电路工艺实现时序逻辑电路， 具有高速、低功耗等优点，但成本较 高。
时序逻辑电路的性能优化
面积优化
在满足功能和性能要求的前提下， 尽量减小电路规模，降低成本。
速度优化
寄存器
总结词
寄存器是一种能够存储二进制数据的电路，它可以保存数据并按照时钟信号的节 拍进行数据的读写操作。
详细描述
寄存器由多个触发器组成，每个触发器存储一位二进制数。在时钟信号的上升沿 或下降沿时，寄存器会将输入的数据保存到触发器中，并在下一个时钟信号的上 升沿或下降沿时将数据输出。寄存器常用于数据的串行传输和并行传输。
02 常用时序逻辑电路
触发器
总结词
触发器是一种具有记忆功能的电路，它能够存储二进制数据，并在特定条件下改变状态。
详细描述
触发器有两个稳定状态，分别表示二进制数的0和1。当触发器的输入信号满足一定条 件时，触发器会从一个状态跳变到另一个状态，并保持该状态直到外部信号改变其状态。
常见的触发器有RS触发器、D触发器和JK触发器等。
常用时序逻辑电路及其应用
目录
• 时序逻辑电路概述 • 常用时序逻辑电路 • 时序逻辑电路的应用 • 时序逻辑电路的设计与实现
01 时序逻辑电路概述
时序逻辑电路的定义
总结词
时序逻辑电路是一种能够存储二进制状态，并按照一定的逻辑关系进行输入和输出的电路。
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R CP
0φ 1↑ 10 1↑ 1↑ K LD φ φ φφφ
0 d0…… d3 φ φ
1φ
φφφ
1φ
φ0 1
1φ
φ0 0
1φ
φ1 1
1φ
φ1 0
输出 Q0 Q 1 Q 2 Q 3 Q3
0000 1 d 0 d 1 d 2 d 3 d3 Q00 Q 10 Q20 Q30 Q30 Q 0n Q0n Q 1n Q2n Q2n 0 Q 0n Q 1n Q2n Q2n 1 Q 0n Q 1n Q2n Q2n Q0n Q0n Q 1n Q2n Q2n
C Q3Q2Q1Q0
电路的状态方程：
QQQ102nnn
1 1 1
Q0 Q0 Q1 Q0Q1 Q0Q1Q2 Q0Q1Q2
Q3n1 Q0Q1Q2 Q3 Q0Q1Q2Q3
电路的状态状态转 换表及状态转换图见教 材P243，时序图为
由时序图可见
CP 2 fQ0 4 fQ1 8 fQ2 16 fQ3 也叫做分频器。
Q2n1 Q3n
Q1n1 Q2n
在CP脉冲的作用下，低位触发器的 状态送给高位，做高位的次态输出
左移寄存器
？ 欲存入数码1011，采用串行输入，只有一个数据输入端
1
1
0
1
解决的办法： 在 CP脉冲的作用下 ，依次送入数码 左移寄存器： 先送高位，后送低位 右移寄存器： 先送低位，后送高位
1、计数器的分类
按触发器翻转方式：同步和异步计数器 按编码方式：二进制、二—十进制、循环码 计数器等 按数字增减：加法、减法和可逆计数器 按计数容量：十进制、六十进制计数器等
返回
2、同步计数器
一、同步二进制计数器
① 同步二进制加法计数器 ② 同步二进制减法计数器 ③ 同步二进制可逆计数器
二、同步十进制计数器
如果用T/触发器构成同步计数器时，则每次CP信号 到达时只能加到该翻转的那些触发器的CP输入端上， 而不能加到那些不该翻转的触发器。
结论
当计数器用T触发器构成时，第i位触发器输入 端的逻辑式应为：
Ti Qi Q 1 i2 Q1Q0
Q0在每次输入计数脉冲时，都要翻转。
Ti Qi Q 1 i2 Q1Q0
输入
输出
CP D
φφ
保持
１1
10
1０
01
2、中规模寄存器74LS175
1.逻辑图
四个维持阻塞D触发器构成
2.功能:74LS175真值表
输入
输出
R CP D
０φ φ
01
１↑１
10
１↑０
01
１０φ
Q0 Q0
3、中规模寄存器CC4076
1.逻辑图
异步置0、输出三态控制、保持
2. CC4076功能:
１φ φ φ φ ０ ０ φ
Ｑ０ ０
d0 １ 0 Q1n Q1n
输 Ｑ1 ０ 保
d1 Q0n Q 0n Q2n
Q2n
保
出
Ｑ2 Ｑ3 ００
持
d2 Q 1n Q 1n Q 3n
d3 Q2n Q2n １
Q 3n 0
持
注：0--最高位 …... 3--最低位
三、四位双向移位寄存器CT74194
（一）逻辑符号 （二） 功能
由于该电路为一左移寄存器，数码输入顺序为：
1
0
1
1
欲存入数码1011即D1D2D3D4= 1011
CP
Q4
Q3
Q2
Q1
1
1(D1) ×
×
×
2
0(D2) 1(D1)
×
×
3
1(D3) 0(D2) 1(D1) ×
4
1(D4) 1(D3) 0(D2) 1(D1)
1
1 0
1
四位单向移位寄存器CT74195
1. 当R=0 时，异步清零 2. 当 MA ＝ MB ＝ １ 时 ， 并 行 送数 3. 当MA＝MB＝０时，保持
4. 当MA=1，MB=0时，右移 且数据从DSR 端串行输入
5. 当MA=0 、 MB=1 时，左 移且数据从DSL 端串行输入
§5.4.2 计数器
用来计算输入脉冲数目
分类 同步 异步 任意进制 移位寄存器型
§5.4 若干常用的时序逻辑电路
§5.4.1 寄存器 §5.4.2 计数器 §5.4.3 序列码发生器 §5.4.4 数字电子钟
小结
5.3.1 寄存器
寄存器的分类：
寄存器 移位寄存器
单向移位寄存器
双向移位寄存器
一、寄存器
1、中规模寄存器74LS75
1.逻辑图
四个同步RS触发器构成
2.功能:74LS75真值表
四位双向移位寄存器CT74194
CT74194功能表
输
入
R CP DSR D0 …… D3 MB MA DSL
０φ φ φ φ φ φ φ
１ ０φ φ φ φ φ φ
１ ↑ φ d0 …… d3 １ １ φ
１ ↑１ φ φ ０ １ φ
１ ↑０ φ φ ０ １ φ
１ ↑φ φ φ １ ０ １
１ ↑φ φ φ １ ０ ０
返回
一、同步二进制计数器
1、同步二进制加法计数器
原理：由二进制加法运算规则可知，在一个多位
二进制数的末尾加1时，若其中第i位以下各位 皆为1时，则第i位及以下各位均改变状态。
例：
1000 0111
＋
1
——————————
1000 1000
最低4位数都改变了状态，而高4位未改变。
原理
如果用T触发器构成同步计数器时，则每次CP信号 到达时，应使该翻转的那些触发器的输入控制端Ti＝1， 不该翻转的Ti＝0；
按照这一原理，即可设计一四位二进制同
步加法计数器。 各触发器的驱动方程：
T0 1
TT12
Q0 Q1Q0
T3 Q2Q1Q0
电路的输出方程：
C Q3Q2Q1Q0
将上式代入T触发器的
T0 1 特性方程得到
TT12
Q0 Q1Q0
T3 Q2Q1Q0
四位单向移位寄存器CT74195
（一）逻辑符号
（二） 功能
1. 清 零 ： R=0 时 ， 输 出 为 “0000”
2 送数：R=1，SH/LD=0时， 当CP 时，执行并行送数
3 右移：R=1，SH/LD=1时， CP 时，执行右移：
Q0由JK决定, Q0Q1， Q1Q2 ，Q2Q3
LDA+LDB=1 LDA+LDB=0 ENA=ENB=0 ENA+ENB=1 RD=0
装入数据 保持 输出允许 高阻 清0
74LS75、74LS175、CC4076均为并行输入—并行输出
二、移位寄存器
假设4是低位寄存器，1是高位寄存器
由D触发器的特性方程可知： Q4n1 D Q3n1 Q4n