数电 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。
《数字电子技术基础》——时序逻辑电路
第5章时序逻辑电路学习要点5.1 概述数字电子技术的两个重要组成部分：所以时序逻辑电路必须含有具有记忆能力的存储元件，最常用的存储元件是触发器。
在时序逻辑电路中既包含输出信号只取决于输入信号的门电路部分，又包含能实现存储功能的触发器部分。
&Q 时序逻辑电路示意图按照时序逻辑电路中触发器触发方式的不同，时序逻辑电路可以分为:同步时序逻辑电路&Q1Q该电路位为同步时序逻辑电路常用的时序逻辑电路描述方法有方程式、状态表、状态图和时序图。
例时序逻辑电路的输出逻辑表达式。
各触发器输入端的逻辑表达式。
&Q 1Q Q X1K Q==--将驱动方程代入相应触发器的特性方程中，所得到的该触发器的次态方程。
时序逻辑电路状态表00/0000/Z X 1n Q 10n Q +11n Q+0n Q--描述触发器的动态行为，显示了触发器如何根据当前所处的状态对不同的情况做出反应。
当X=1时，“00”、“01”、“10”、“11”这四个状态构成一个循环，称为“主循环”或如果每个无效状态在若干个时钟作用后都能够转入有效状态，进入“有效循环”，那么，称这个电路具有自启动能力；否则电路就不具有自启动能力。
器，并且不具有自启动能力。
--描述在时钟源CP作用下时序逻辑电路的状态及输出随输入和时间变化的波形，通常指有效循环的波形图。
作用下，各个触发器状态的变化情况。
5.2 时序逻辑电路的分析电路图同步时序逻辑5.2.2 同步时序逻辑电路分析举例例1 分析图示电路实现的逻辑功能。
各触发器初始状态为0。
Q 0Q 1Q 1Q 即各触发器的输入逻辑表达式：n Q Q 01=）输出方程：n QZ 0=（3）把驱动方程代入D 触发器的特征方程得状态方程：1n Q D +=10n n QQ+=n n n n n QQ Q Q Q10111+=+信号的作下，各触发可以看到，电路在时钟脉冲的作用下，每经过4个CP，电路状态循环一次，并且按照“11”、“10”、“01”、“00”降序排列。
数字电子技术之时序逻辑电路介绍课件
时序逻辑电路的特点
STEP1
STEP2
STEP3
STEP4
存储功能：能够存储 输入信号的状态，并 在一定条件下输出相 应的信号
反馈机制：通过反馈 机制实现对输入信号 的响应和输出信号的 控制
定时功能：能够实现 对输入信号的定时控 制，并在一定条件下 输出相应的信号
设计思路：使用D 触发器构成计数器， 每个D触发器输出 连接到下一个D触 发器的输入
设计步骤：
确定触发器的个数 和类型
设计触发器的连接 方式
编写触发器的逻辑 方程
设计电路的仿真和 测试
设计结果：实现一 个4位二进制计数器， 能够正常计数并输 出正确的计数值
谢谢
设计原则
01
正确性：保证 电路的功能正 确，满足设计 要求
02
简洁性：尽量 减少电路的复 杂度，降低成 本
03
可靠性：保证 电路在各种情 况下都能正常 工作
04
灵活性：便于 修改和扩展， 适应不同的需 求
05
性能优化：提 高电路的速度、 功耗和面积等 性能指标
设计实例
设计要求：实现一 个4位二进制计数 器
04
状态图分析步骤：绘制状态图、分析状态转换、确定输出信号
05
状态图分析优点：直观、易于理解和分析复杂电路
状态表分析法
状态表：描 述时序逻辑 电路状态的 表格
状态转换： 状态表列出 了电路在各 种输入条件 下的状态转 换关系
状态方程： 描述状态转 换关系的数 学方程
状态图：用 图形方式表 示状态转换 关系的方法
组合逻辑电路与时序 逻辑电路的区别：组 合逻辑电路只对当前 的输入信号进行响应， 而时序逻辑电路对过 去的输入信号和当前 的输入信号进行响应。
数字电子技术基础-第六章_时序逻辑电路(完整版)
T0 1
行修改，在0000 时减“1”后跳变 T1 Q0 Q0(Q3Q2Q1)
为1001，然后按
二进制减法计数
就行了。T2 Q1Q0 Q1Q0 (Q1Q2Q3 )
T3 Q2Q1Q0
50
能自启动
47
•时序图 5
分 频
10 分 频c
0
t
48
器件实例：74 160
CLK RD LD EP ET 工作状态 X 0 X X X 置 0（异步） 1 0 X X 预置数（同步） X 1 1 0 1 保持（包括C） X 1 1 X 0 保持（C=0） 1 1 1 1 计数
49
②减法计数器
基本原理：对二进 制减法计数器进
——74LS193
异步置数 异步清零
44
（采用T’触发器，即T=1）
CLKi
CLKU
i 1
Qj
j0
CLKD
i 1
Qj
j0
CLK0 CLKU CLKD
CLK 2 CLKU Q1Q0 CLK DQ1Q0
45
2. 同步十进制计数器 ①加法计数器
基本原理：在四位二进制 计数器基础上修改，当计 到1001时，则下一个CLK 电路状态回到0000。
EP ET 工作状态
X 0 X X X 置 0（异步）
1 0 X X 预置数（同步）
X 1 1 0 1 保持（包括C）
X 1 1 X 0 保持（C=0）
1 1 1 1 计数
39
同步二进制减法计数器 原理：根据二进制减法运算 规则可知：在多位二进制数 末位减1，若第i位以下皆为 0时，则第i位应翻转。
Y Q2Q3
数字电子技术基础第五章时序逻辑电路PPT课件
减小功耗
优化电路结构，降低电路的 功耗，减少能源浪费。
提高可靠性
通过优化设计，提高电路的 可靠性和稳定性，降低故障 发生的概率。
提高性能
优化电路结构，提高电路的 响应速度和性能，满足设计 要求。
05 时序逻辑电路的实现技术
基于中小规模集成电路的时序逻辑电路实现技术
概述
中小规模集成电路是将多个晶体管集成在一块芯片上，实现时序逻辑功能。
冒险现象
由于竞争现象的存在，时序逻辑电路 的输出可能会产生短暂的不确定状态， 这种现象称为冒险现象。
04 时序逻辑电路的设计方法
同步时序逻辑电路的设计方法
建立原始状态图
根据设计要求，确定系统的输入和输出变量，并使用状 态图表示系统的状态转换关系。
逻辑方程组
根据状态图和状态编码，列出逻辑方程组，包括状态转 移方程、输出方程和时钟方程。
分类
根据触发器的不同，时序逻辑电 路可分为同步时序电路和异步时 序电路；根据电路结构，可分为 摩尔型和米立型。
时序逻辑电路的功能与特点
功能
实现数据的存储、记忆、计数、分频 等功能。
特点
具有记忆功能、输出状态不仅与当前 输入有关还与之前状态有关、具有时 钟信号控制等。
时序逻辑电路的应用场景
01
02
数字电子技术基础第五章时序逻辑 电路ppt课件
目 录
• 时序逻辑电路概述 • 时序逻辑电路的基本电路的实现技术 • 时序逻辑电路的应用实例
01 时序逻辑电路概述
时序逻辑电路的定义与分类
定义
时序逻辑电路是一种具有记忆功 能的电路，其输出不仅取决于当 前的输入，还与之前的输入状态 有关。
03
数字钟
利用时序逻辑电路实现时 间的计数和显示。
数字电子技术第6章 时序逻辑电路
RD—异步置0端（低电平有效） 1 DIR—右移串行输入 1 DIL—左移串行输入 S0、S1—控制端 1 D0D1 D2 D3—并行输入
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4、扩展：两片74LS194A扩展一片8位双向移位寄存器
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例6.3.1的电路 （P276) 74LS194功能 S1S0=00,保持 S1S0=01,右移 S1S0=10,左移 S1S0=11,并入
（5）状态转换图
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小结
1、时序逻辑电路的特点、组成、分类及描述方法； 2、同步时序逻辑电路的分析方法； 课堂讨论： 6.1，6.4
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6.3 若干常用的时序逻辑电路
寄存器和移位寄存器 时序 逻辑电路 计数器 顺序脉冲发生器 序列信号发生器
移位寄存器不仅具有存储功能，且还有移位功能。 可实现串、并行数据转换，数值运算以及数据处理。 所谓“移位”，就是将寄存器所存各位数据，在每个移 位脉冲的作用下，向左或向右移动一位。
2、类型： 根据移位方向，分成三种：
左移 寄存器 (a) 右移 寄存器 (b) 双向 移位 寄存器 (c)
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学习要求 ：
* *
自学掌握
1. 掌握寄存器和移位寄存器的概念并会使用； 2. 掌握计数器概念，熟练掌握中规模集成计数器74161 和74160的功能，熟练掌握用160及161设计任意进制计 数器的方法。
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6.3.1寄存器和移位寄存器
一、寄存器
寄存器是计算机的主要部件之一， 它用来暂时存放数据或指令。
时序逻辑电路
时序逻辑电路时序逻辑电路是一种在电子数字电路领域中应用广泛的重要概念，它主要用于解决电路中的时序问题，如时钟同步问题、时序逻辑分析等。
本文将详细介绍时序逻辑电路的基础概念、工作原理以及应用。
一、时序逻辑电路的基础概念1、时序逻辑和组合逻辑的区别组合逻辑电路是一类基于组合逻辑门的电路，其输出仅取决于输入信号的当前状态，不受先前的输入状态所影响。
而时序逻辑电路的输出则受到先前输入信号状态的影响。
2、时序逻辑电路的组成时序逻辑电路通常由时钟、触发器、寄存器等组成。
时钟信号被用于同步电路中的各个部分，触发器将输入信号存储在内部状态中，并在时钟信号的作用下用来更新输出状态。
寄存器则是一种特殊类型的触发器，它能够存储多个位的数据。
3、时序逻辑电路的分类根据时序逻辑电路的时序模型，可将其分为同步和异步电路。
同步电路按照时钟信号的周期性工作，这意味着电路通过提供时钟信号来同步所有操作，而操作仅在时钟上升沿或下降沿时才能发生。
异步电路不同，它不依赖时钟信号或时钟信号的上升和下降沿，所以在一次操作完成之前，下一次操作可能已经开始了。
二、时序逻辑电路的工作原理时序逻辑电路的主要工作原理基于触发器的行为和时钟电路的同步机制。
在时序逻辑电路中使用了一些触发器来存储电路状态，待时钟信号到达时更新输出。
时钟信号提供了同步的机制，确保电路中所有部分在时钟信号到达时同时工作。
触发器的基本工作原理是将输入信号存储到内部状态中，并在时钟信号的作用下，用来更新输出状态。
时钟信号的边沿触发触发器，即在上升沿或下降沿时触发触发器状态的更新。
这意味着在更新之前，电路的状态保持不变。
三、时序逻辑电路的应用1、时序电路在计算机系统中的应用时序逻辑电路在计算机系统中有着广泛的应用。
例如，计算机中的时钟信号可用来同步处理器、主存储器和其他外设间的工作。
此外，电路中的寄存器和触发器也被用于存储和更新信息，这些信息可以是计算机程序中的指令、运算结果或其他数据。
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2. 集成同步二进制计数器
常用的集成同步二进制加计数器有74LS161、 74LS163等。74LS161的实物图、引脚排列和逻辑 符号如图5.4所示。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（a） 实物图
（b） 引脚排列
（c） 逻辑符号
图5.4 集成同步二进制计数器74LS161
74、L1S01脚61C的T1T6是个计引数脚器中的：工1脚作状为态异控步制清端C R零；端，9脚 是置数控制端，L D7脚CTP
（a） 实物图
（b〕引脚排列
（c） 逻辑符号
图5.7 集成同步十进制可逆计数器74LS192
74LS192的功能表如表5.7所示。
表5.7
74LS192的功能表
输入
输出
CR L D
C PU C PD D 3 D 2
D1 D 0
Q3
Q2
Q1
Q0
1 ××××××× 0 0 0 0
0
0
××
d3
d2
d1
d0
1
出
说明
清零 置9 二进制计数
五进制计数
8421码十进制 计数
5421码十进制 计数
由表5.6可知，74LS90具有如下功能。
① 2脚R0A、3脚R0B接高电平“1〞时，计数器被清零，高电 平电压最小值为2V。正常使用时，两个引脚中至少有1个 应接低电平“0”，低电平电压最大值为0.8V。
② 6脚S9A、7脚S9B接高电平“1〞时，计数器置数为9。正常 计数时，两个引脚中至少有1个应接低电平“0”。
d3
d2
d1
d0
0 1 1 1 ××××
保持
0 1 ↑ 1 ××××
加计数
时序电路和逻辑电路
时序电路和逻辑电路时序电路和逻辑电路是数字电路中两个重要的概念。
它们在数字系统中起着至关重要的作用，用于处理和控制数字信号的传输和处理。
本文将介绍时序电路和逻辑电路的基本概念、特点和应用。
一、时序电路时序电路是指根据时钟信号来控制电路的工作状态和输出的电路。
时序电路中的各个组件按照时钟信号的脉冲来进行同步操作，从而实现对数据的处理和控制。
时序电路的关键是时钟信号的稳定性和精确性，它决定了电路的工作速度和可靠性。
时序电路一般由触发器、计数器、锁存器等组成。
触发器是最基本的时序电路元件，它能够根据时钟信号的触发来改变其输出状态。
计数器可以对时钟信号进行计数，实现对计数值的控制和输出。
锁存器可以将输入数据保存在内部，直到时钟信号到来时才将数据输出。
时序电路在数字系统中有着广泛的应用。
例如，计算机中的时序电路用于控制指令的执行和数据的读写，以及各种外设的访问和控制。
时序电路还可以用于数字通信系统中的时分多路复用和解调等。
此外，时序电路还常用于各种测量和控制系统中，如自动化生产线和机器人控制系统等。
二、逻辑电路逻辑电路是指根据输入信号的逻辑关系来进行逻辑运算和转换的电路。
逻辑电路中的逻辑门是最基本的逻辑元件，它可以实现逻辑运算的功能，如与门、或门、非门等。
逻辑电路还可以通过多个逻辑门的组合来实现复杂的逻辑运算，如加法器、减法器、多路选择器等。
逻辑电路的输入和输出信号只有两个取值，通常表示为0和1。
0表示低电平或逻辑假，1表示高电平或逻辑真。
逻辑电路根据输入信号的取值进行逻辑运算，然后将结果输出。
逻辑电路的基本特点是具有确定的逻辑关系和固定的逻辑功能。
逻辑电路在数字系统中有着广泛的应用。
例如，计算机中的逻辑电路用于实现算术运算、逻辑运算和控制运算等。
逻辑电路还可以用于数字信号处理系统中的滤波、编码和解码等。
此外，逻辑电路还常用于各种数字显示和计数器等。
三、时序电路与逻辑电路的关系时序电路和逻辑电路在数字系统中密切相关，二者相互依赖、相互作用。
数电第六章时序逻辑电路
• 根据简化的状态转换图，对状态进行编码，画出编码形式 的状态图或状态表
• 选择触发器的类型和个数 • 求电路的输出方程及各触发器的驱动方程 • 画逻辑电路图，并检查电路的自启动能力 EWB
典型时序逻辑集成电路
• 寄存器和移位寄存器 – 寄存器 – 移位寄存器 –集成移位寄存器及其应用 • 计数器 – 计数器的定义和分类 – 常用集成计数器 • 74LVC161 • 74HC/HCT390 • 74HC/HCT4017 – 应用 • 计数器的级联 • 组成任意进制计数器 • 组成分频器 • 组成序列信号发生器和脉冲分配器
– 各触发器的特性方程组：Q n1 J Q n KQ n CP
2. 将驱动方程组代入相应触发器的特性方程,求出各触发器 的次态方程,即时序电路的状态方程组
n n FF0：Q0 1 Q 0 CP n n n FF1：Q1 1 A Q0 Q1 CP
同步时序逻辑电路分析举例(例6.2.2C)
分析时序逻辑电路的一般步骤
• 根据给定的时序电路图写方程式 – 各触发器的时钟信号CP的逻辑表达式(同步、异步之分) – 时序电路的输出方程组 – 各触发器的驱动（激励）方程组 • 将驱动方程组代入相应触发器的特性方程,求出各触发器 的次态方程,即时序电路的状态方程组 • 根据状态方程组和输出方程组,列出该时序电路的状态 表,画状态图或时序图 • 判断、总结该时序电路的逻辑功能
• 电路中存在反馈
驱动方程、激励方程: E F2 ( I , Q )
状态方程 : Q n1 F3 ( E , Q n ) • 电路状态由当前输入信号和前一时刻的状态共同决定
• 分为同步时序电路和异步时序电路两大类
什么是组合逻辑电路?
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
数电 时序逻辑电路
0 1 2 3 4 5 6 7 0
0 0 0 0 1 1 1 0 1
0 0 1 1 0 0 1 0 1
0 1 0 1 0 1 0 0 1
0 0 0 0 0 0 1 0 1
9
二、状态转换图
10
四、时序图
11
例：
例2：
D1 Q1 (1)激励方程： D2 A Q1 Q2 AQ2Q1 AQ2 Q1 AQ2 Q1 AQ2Q1
7
例：
TTL电路
1.写驱动方程： K1 1 J1 (Q2Q3 ), K 2 (Q1Q3 ) J 2 Q1 , J QQ , K 3 Q2 1 2 3
Q1* (Q2Q3 ) Q1 Q2 * Q1Q2 Q1Q3Q2 Q * Q Q Q Q Q 1 2 3 2 3 3
A
00
01
10
11
0 1
01/0 10/0 11/0 00/1 11/1 00/0 01/0 10/0
（5）状态转换图
13
*6.2.3 异步时序逻辑电路的分析方法
各触发器的时钟不同时发生 例： Q2 * Q2 clk2 Q1* Q3 Q1 clk1
TTL电路
具体步骤参考同步时序逻辑电路。
2
6.1 概述
一、时序逻辑电路的特点
1. 功能上：任一时刻的输出不仅取决于该时刻的输入， 还与电路原来的状态有关。
例：串行加法器，两个多位数从低位到高位逐位相加 2. 电路结构上
①包含存储电路和组合电路
②存储器状态和输入变量共同决定输出
3
二、时序电路的一般结构形式与功能描述方法
数字电子技术基础6时序逻辑电路
Q1 Q3 * Q2 * Q1 * Y
输 出 方 程
Y Q2Q3
Q1 Y
CLK Q3 Q2
0 0 0 0 1 1 1 1
0 0 1 1 0 0 1 1
0 1 0 1 0 1 0 1
0 0 0 1 1 1 0 0
0 1 1 0 0 1 0 0
1 0 1 0 1 0 0 0
DI 串行 输入
D Q3 Q D Q2 Q D Q1 D Q0 Q
0 0 0 0 0 0 1 1
0 0 0 0 0 1 0 1 0 缺少111为 0 1 1 初态的情况 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1
0 0 0 0 0 0 1 1
7进制计数器
其中Q3Q2Q1为计数状态，Y为进位
我们可以把状态转换表表示为状态转换图的形式
/Y /0 /0
CLK Q3 0 1 0 0
*
Q
* 3
Q Q Q (Q )
1 2 3 0
C Q0Q3
设初态为0000
作状态转换图
可以看出这是一个异步十进制加法计数器！ 3. 检验其能否自动启动 ？
什么叫 “自动启动” ? 四个触发器本应有十六个稳定状态 ，可 上图电路的状态图中只有十个状态。如果由 于某种原因进入了其余的六个状态当中的任 一个状态，若电路能够自动返回到计数链 ( 即有效循环 ) ，人们就称其为能自动启动。
*6.2.3
异步时序逻辑电路的分析方法
例6.2.4 分析图6.2.10所示电路的逻辑功能。
1、写三大方程
驱 动 方 程 状 Q0 Q 0 cp0 Q 0 (cp0 ) * 态 Q1 Q 3 Q 1 (cp1 ) Q 3 Q 1 (Q0 ) * 方 Q2 Q 2 (cp2 ) Q 2 (Q1 ) 程 *
数电 第6章时序电路
J2
* 1 ' 1 ' 0
K '2
' 1 ' 0
Q Q Q0 Q1Q Q0Q Q Q1
J1
* ' ' ' Q0 Q3' Q0 Q2 Q0 ' 3 ' 2 ' 0 '
' K1
0 0 1 1 0 1 1 0
0 1 0 1 0 1 0 1
0 1 1 0 1 0 0 0
1 0 1 0 1 0 1 0
6.4 同步时序逻辑电路的设计方法
逻辑电路设计:给定设计要求(或者是一段文字描叙,或 者是状态图),求满足要求的时序电路. 设计步骤:
1、进行逻辑抽象,建立电路的状态转换图(状态转换表)。 在状态表中未出现的状态将作为约束项 2、选择触发器,求时钟方程、输出方程和状态方程； 时钟:若采用同步方案,则CP1=CP2=CPn； 如果采用异步方案, 则需根据状态图先画出时序图,然后从翻转要求出发,为各个 触发器选择合适的时钟信号； 输出：输出与现态和输入的逻辑关系； 状态：各触发器的次态输出方程。
这三组方程反映的电路中各个变量 之间的逻辑关系。
3、进行计算:从输出方程和状态方程，不能看出电路 状态的变化情况。还需要转换成状态转换表和状态转 换图。
状态转换表：把任一组输入变量的值和电路的初态值代入状态 方程和输出方程，得到电路的次态和输出值；把得到的次态作 为新的初态，和现在的输入变量值再代入状态方程和输出方程， 得到电路新的次态和输出值。如此继续下去，把每次得到的结 果列成真值表的形式，得到状态转换表。
数电课件时序电路
通过测试和验证手段，发现时序电路中存在的故障和问题。
故障定位
确定故障发生的位置和原因，以便进行针对性的修复。
故障排除
根据故障定位结果，采取适当的措施排除故障，恢复时序电路的正常工作。
预防性维护
通过定期检查和维护，预防时序电路出现故障，提高系统的可靠性和稳定性。
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06
时序电路的测试与验证
测试方法
静态测试
通过输入一组已知的测试向量，观察输出结果是否符合预期，以检测 时序电路的功能性。
动态测试
模拟实际工作时序电路的行为，通过输入激励信号，观察输出响应是 否符合预期。
边界测试
针对电路的输入和输出边界进行测试，以确保电路在极限条件下的正 常工作。
仿真测试
利用仿真软件对时序电路进行模拟测试，以验证电路的功能和性能。
使用HDL对时序电路进行详细设计描述， 包括逻辑功能、输入输出接口和时序约
束等。
逻辑综合与优化
将HDL代码转换为具体的门级电路， 并进行优化，以满足性能、面积和功
耗等要求。
逻辑仿真与验证
利用HDL仿真工具对时序电路进行仿 真测试，验证设计的正确性和可靠性。
可编程逻辑器件开发
使用HDL在可编程逻辑器件（如 FPGA）上进行时序电路的开发和实 现。
详细描述
状态图是一种图形化表示时序电路状态转换的工具，通过状态图可以清晰地看出时序电 路的状态转换过程和状态转换条件。在状态图中，每个节点表示一个状态，箭头表示状 态转换的方向和条件。通过分析状态图，可以得出时序电路的次态方程和输出方程，进
而理解时序电路的工作原理。
状态转换表分析法
总结词
通过状态转换表可以系统地列出时序电路的所有可能的状态转换情况，是分析时序电路的另一种重要方法。
数电时序逻辑电路 分析
Q1
Q1 & Z
Q0n1 J0 Q0n K0Q0n
Qn1 1
J1Q1n
K1Q1n
Q0n1 Q0n
Q1n1 ( A Q0n ) Q1n A Q0n Q1n
整理得： Q1n1 A Q0n Q1n
Q0n1 Q0n Q1n1 A Q0n Q1n
Z=Q1Q0
1J
＞C
状态转换表
A
=1
100001
101110
110001
111010
状态表
Q1n Q0n
Q1n1Q0n1 / Y
A=0
A=1
00 00/0 10/0 0 1 0 0/ 1 0 1 / 0 10 00/1 11/0 1 1 0 0/ 1 0 1 / 0
3、根据状态表画出状态图
状态表
Q1n Q0n
00 01 10 11
Q1n1Q0n1 / Y
S n1 f4 (I , S n )
Ii
j
组合
O
电路 E 存储电路 S k
m
2、同步时序电路与异步时序电路
同步： 存储电路里所有触发器有一个统一的时钟源，它们的
时序电路
状态在同一时刻更新。
异步： 没有统一的时钟脉冲或没有时钟脉冲，电路的状态更 新不是同时发生的。
X
=1
Q1
Q2
“ 1”
1J
1J
CP
A=0 00/0 01/0 10/0 11/0
A=1 01/0 10/0 11/0 00/1
Q0 0 Q1 0
米利型时序电路输入信号影响输出信号
例2 试分析如图所示时序电路的逻辑功能。
解： 分析电路组成。 电路是由两个JK触发器组成的穆尔型同步时序电路。
(数字电子技术)第5章时序逻辑电路
寄存器
01
寄存器是时序逻辑电路中的存储 单元，用于存储二进制数据。
02
寄存器由多个触发器组成，可以 存储多位二进制数据。
寄存器在时钟信号的驱动下，将 输入数据存储到寄存器中，并在 下一个时钟周期将数据输出。
03
常见的寄存器有4位、8位、16位 等。
04
计数器
01
02
ห้องสมุดไป่ตู้03
04
计数器是时序逻辑电路 中的计数单元，用于对 时钟信号进行计数。
特点
时序逻辑电路具有存储功能，能够保 存之前的状态信息，并在输入发生变 化时更新状态。
时序逻辑电路的分类
同步时序电路
同步时序电路的各个触发器由同一时钟信号控制，在每个时钟周期内，触发器 的状态更新同时发生。
异步时序电路
异步时序电路的各个触发器由各自独立的时钟信号控制，触发器的状态更新不 同步。
时序逻辑电路的应用
详细描述
异步设计法与同步设计法不同，它不依赖于时钟信号的控制，电路的各个部分按照自己的状态进行操 作。这种方法具有较低的功耗和较高的性能，但设计难度较大，需要仔细考虑电路的状态和操作顺序 。
状态图设计法
总结词
状态图设计法是一种基于状态转移图的设计方法，通过状态转移图来描述电路的状态和状态之间的转移关系。
现资源共享，降低成本。
流水线设计
将时序逻辑电路划分为多个级 ，每一级都完成一定的功能， 以提高电路的工作频率。
状态压缩
通过减少状态变量的数量，降 低电路的复杂度，提高可靠性 和稳定性。
冗余设计
在关键路径上增加冗余的触发 器和逻辑门，以提高电路的可
靠性。
时序逻辑电路的可靠性设计
容错设计
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=1
=1
1
=1 1
X
Z
&
CP
解：该电路为同步时序逻辑电路
（1）写出输出方程： （2）写出驱动方程:
n Z ( X Q1n ) Q0
J 0 X Q1n
n J1 X Q0
K0 1
K1 1
(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：
J 2 Q1Q0 J1 Q0 J 0 Q2 Z Q2
K 2 Q1Q0 K1 Q0 K0 1
选择JK触发器，求驱动方程
n1 n n n n Q2 Q1nQ0 n (Q2 Q2 ) Q1nQ0 n Q2 Q1nQ0 nQ2 n n1 n n n n n n n Q Q Q Q Q Q Q Q Q 1 1 0 1 0 1 0 1 0 n1 n n n n n Q Q Q Q Q 0 Q 2 0 2 0 0 0
Q0
Q1
n1 n n n J 0 Q0 K 0Q0 ( X Q1n )Q0
n J1 Q1 K1Q1n ( X Q0 ) Q1n n
n1
(4)作状态转换表及状态图 ①当X=0时：触发器的次态方程简化为：
Q0
n 1 n Q1n Q0
Q 1Q 0
n Q1n1 Q0 Q1n
Q1 0 1 1 0 0
Q0 1 0 1 0 0
tn
Z 0 0 0 0 1
表中
N 代表计数脉冲；
tn 栏内的 Q2Q1Q0 值为计数器的初态； tn+1 栏内的 Q2Q1Q0 值为计数器的次态；
m
n 是计数器初态的最小项编号 i
次态卡诺图
无效状态作任意项处理！
（4）求状态方程和输出方程
n 1 Q2 Q1nQ0 n n1 Q1 Q1nQ0n Q1n Q0n n Q0n1 Q2 Q0n Z Q2
驱动方程 D G( X , Q )
z1 f1 ( x1 , x2 , , xi , q1 , q2 , , qm ) z f ( x , x ,, x , q , q ,, q ) j 1 2 i 1 2 m j
输出方程 Z F ( X , Q)
该电路是一个可控的3进制计数器。
5.3 时序逻辑电路设计
5.3.1 同步时序逻辑电路设计方法
设计的一般步骤： 一、逻辑抽象，求出状态转换图或状态转换表 1、确定输入/出变量、电路状态数 2、定义输入/出逻辑状态以及每个电路状态的含意， 并对电路状态进行编号 3、按设计要求列出状态转换表，或画出状态转换图
二、状态化简及分配（编码） 1、若两个状态在相同的输入下有相同的输出，并 转换到同一个次态，则称为等价状态；等价状态 可以合并。 2、确定触发器数目
3、给每个状态规定一个代码
（通常编码的取法、排列顺序都依照一定的规律）
三、次态卡诺图 也可用状态转换图或状态转换表表示 四、选定触发器类型 求出状态方程，驱动方程，输出方程 五、检查自启动 六、画出逻辑图
0/0
(5)画时序波形图
CP X Q0 Q1 Z
(6)逻辑功能分析： 该电路共有 3 个状态 00 、 01 、 10 。 00
当X=0时，按照加1规律从
00→01→10→00循环变化，并每当转 换为10状态(最大数)时，输出Z=1。 0/1 1/1 10
0/0
1/0 1/0 0/0 01
当X=1时，按照减1规律从10→01→00→10循环变化，并 每当转换为00状态（最小数）时，输出Z=1。
(3)次态卡诺图
n1 ZQ1n1Q0
(4)状态转换表
mi
tn
tn 1
tn
0 1 2 3 4 5 6 7
X 0 0 0 0 1 1 1 1
Q1 0 0 1 1 0 0 1 1
Q0 0 1 0 1 0 1 0 1
Q1 0 0 1 1 0 1 1 0
Q0 0 1 0 1 1 0 1 0
Z 0 0 0 0 0 0 0 1
例5.3.1 用JK触发器设计一个同步五进制计 数电路，当计数到最后一个状态时电路输 出1，其余状态电路输出0。
（1）逻辑抽象
（2）状态分配
（3）状态转换表
N 0 1 2 3 4
min
tn
0 1 2 3 4
Q2 0 0 0 0 1
Q1 0 0 1 1 0
Q0 0 1 0 1 0
tn 1
Q2 0 0 0 1 0
n 1
XQ1 XQ0
Q0
n1
X Q1 Q 0
Y XQ1
4、选用JK触发器，求方程组
Q1
n 1
XQ1 XQ0
Q1
n 1
XQ1 XQ0 (Q1 Q 1 ) ( XQ0 )Q 1 X Q1
Q0
n1
X Q1 Q 0
Q0
n1
X Q1 Q 0 ( X Q 1 )Q 0 1Q 0
J 0 K0 1 J1 K1 Q0
（2）状态方程与 输出方程
Q0n1 K 0Q0n J 0 Q0n 1 Q0n 1 Q0n Q0n n1 n n n n n n Q K Q J Q Q Q Q 1 1 1 1 1 0 1 0 Q1 Z Q0 Q1
（5）检查自启动
状态转换图
（6）逻辑电路图
例5.3.2 设计一个同步时序逻辑电路，要求电路的
状态按照1→3→7→5的状态进行循环。电路要具有
自启动性能，并用边沿D触发器实现该电路。 1、原始状态转换图 2、状态分配
3、次态卡诺图
4、求状态方程、输出方程、驱动方程
4、求状态方程、输出方程、驱动方程
2．时序逻辑电路的分类
（1）同步时序电路与异步时序电路 同步：存储电路中所有触发器的时钟使用 统一的cp,状态变化发生在同一时刻; 异步：没有统一的cp,触发器状态的变化有 先有后. （2）Mealy型和Moore型 Mealy型：Y F ( X , Q )
Y F (Q ) Moore型：
00
/0
01
/1
/0
10
n 输出方程简化为：Z Q1n Q0
X=0时的状态图
②当X=1时：
Q0
n 1
n Q1n Q0
n Q1n1 Q0 Q1n
n Z Q1n Q0
Q 1Q 0
00
/1
10
/0
/0
01
X=1时的状态图 0/0 00 1/1 将X=0与X=1的状态图合并 起来得完整的状态图。 0/1 10 1/0 1/0 01
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一杯饮料； 投入两元硬币后，在给出饮料的同时找回一枚五 角的硬币。 解：设投币信号为输入逻辑变量，投入一元硬币 用A=1表示，未投入时A=0；投入五角硬币用B=1 表示，未投入时B=0。设给出饮料和找钱为输出 变量，给出饮料时Y=1，不给时Y=0；找回五角 硬币时Z=1，不找时Z=0。
与X、Q有关 仅取决于电路状态
5.2 时序逻辑电路分析
5.2.1 同步时序逻辑电路分析方法
（1）写驱动方程。Байду номын сангаас
（2）求状态方程及输出方程。
（3）画次态卡诺图。
（4）画状态转换表、状态转换图、时序图。 （5）分析电路的逻辑功能。
例5.2.1 如图所示摩尔型时序逻辑电路， 分析该时序逻辑电路的功能。
（1）驱动方程
例5.3.3 设计一个串行数据检测器，要求在连续 输入三个或三个以上“1”时输出为1，其余情 况下输出为0。
1、抽象、画出状态转换图 2、状态化简 用X（1位）表示输入数据 用Y（1位）表示输出（检测结果）
3、状态分配 取n=2，令 Q Q 的00、01、10为S 、S 、S 则，
1 0
0
1
2
Q1
4、求状态方程、输出方程、驱动方程
4、求状态方程、输出方程、驱动方程
n 1 Q2 Q1nQ0n n1 n Q Q 1 2 n1 n n n Q Q Q Q 0 2 1 0
D2 Q1Q0 D1 Q2 D0 Q0 Q2 Q1
例5.2.2
图为同步米勒型时序逻辑电路图，分
析该电路功能。
J 0 K0 X (1)驱动方程 J1 K1 XQ0
(2)状态方程与输出方程
Q0n1 XQ0n X Q0n n1 n n n n Q XQ Q XQ Q 1 0 1 0 1 Z XQ Q 0 1
第五章 时序逻辑电路
南京航空航天大学 自动化学院电子教学中心
第五章 时序逻辑电路
5.1 概述 5.2 时序逻辑电路分析 5.3 时序逻辑电路设计 5.4 典型中规模时序逻辑集成电路
5.1 概述
1. 时序逻辑电路一般模型
串行加法器结构简图
电路功能上来说：任一时刻的输出不仅取决于该 时刻的输入，还与电路原来的状态有关。 电路组成结构上来说：
q1 n1 h1 (d1 , d 2 ,, d i , q1 n , q2 n ,, qm n ) n n n q h ( d , d , , d , q , q , , q m 1 2 i 1 2 m ) m
状态方程 Q n 1 H ( D, Q n )
Y XQ1
5、检查电路能否自启动 将状态“11” 代入状态方程和输出方程，分别求 X=0/1下的次态和现态下的输出，得到：
X 0时，Q1n1Q0n1 00，Y 0 X 1时，Q1n1Q0n1 10，Y 1