第五章 时序逻辑电路的概念与原理及实际应用

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(1)写相关方程式。 驱动方程为:
第5章 时序逻辑电路
图5.4 同步二进制计数器
第5章 时序逻辑电路
状态方程: 将驱动方程代入JK触发器的状态方程便得到电路的状态方程
为:
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(2) 求出对应状态值,列状态转换真值表。
设电路的原态为Q3n Q2n Q1n Q0n 0000,代入式(5-5)得
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信号脉冲,故SM 不在M进制计数器的循环状态中) ,这样就 可以跳过 N-M 个状态而得到M进制计数器了,置零法状态图如图
5.11所示。
图5.11 置零法状态图
第5章 时序逻辑电路
例如,用74LS161芯片构成十进制计数器,令CR LD CTP CTT 1, 因为N=10,其对应的二进制代码为1010,将输出端 Q3 和Q1通过 “与非”门接至74LS161的复位端CR,电路如图5.12所示,实现N 值反馈清零法。该方法适用于有置零输入端的计数器。
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74LS161是一种同步4位二进制加法集成计数器。其管脚的排列 如图5.7所示,图中LD为同步置数控制端,CR为异步置零控制端,
CTP 和CTT为计数控制端,D0 ~D3 为并行数据输入端,Q0~ Q3
为输出端,CO为进位输出端。
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图5.7 74LS161管脚排列
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74LS161逻辑功能如表5.3所示。
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当复位端 CR 0 时,输出Q3n Q2n Q1n Q0n全为零,实现异步清除功 能(又称复位功能)。 当 CR =1,预置控制端 LD =0,在输入时钟脉冲CP上升沿的作 用下, Q3Q2Q1Q0 D3D2D1D0 ,实现同步预置数功能。 当 CR LD 1 且 CTP CTT 0 时,输出 Q3Q2Q1Q0 保持不变。 当 CR LD CTP CTT 1 时,在输入时钟脉冲CP上升沿的作用下, 计数器才开始加法计数,实现计数功能。
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2) 集成同步二进制计数器74LS160 74LS160是一种同步十进制加法集成计数器。其管脚排列和
功能与74LS161相同,如图5.9及表5.4所示。所不同的仅在于 74LS160是十进制计数器,而74LS161是十六进制计数器。
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3. 同步任意进制计数器 常见的计数器芯片在计数进制上只做成应用较广的几种类
5.1.2 时序逻辑电路的表示方法 时序逻辑电路的逻辑功能可用逻辑函数式、状态转换表、
状态转换图及时序图等方法表示,这些表示方法在本质上是 相同的,可以相互转换。
时序逻辑电路的逻辑函数式包括时序逻辑电路输出信号 的逻辑表达式,称为输出方程;各个触发器输入端信号的逻 辑表达式,称为驱动方程;各个触发器次态输出的逻辑表达 式,称为输出方程。
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当CR 0时,计数器输出复位清零。因CR Q3Q1,故由0变1时, 计数器开始加法计数。当第10个CP脉冲输入时,Q3Q2Q1Q0 1010 , “与非”门的输出为0,即CR 0,使计数器复位清零,“与非” 门的输出变为0,即CR 0时,计数器又开始重新计数。极短的 瞬间,且不需要脉冲信号,因此1010不在循环状态中。
3. 总结 归纳上述分析结果,确定时序电路的功能。
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5.2.2 分析举例 【例5-1】试分析图5.2所示电路的逻辑功能,并画出状态转换 图和时序图。 由图5.2所示电路可以看出,时钟脉冲CP加在每个触发器的时钟 脉冲输入端上。因此,它是一个同步时序逻辑电路。 解:(1) 写方程式。
Q n1 0
J0 Q0n
K0Q0n
Q2n Q0n
1Q0n
Q2n Q0n
Qn1 1
J1Q1n
K1Q1n
Q0n Q1n
Q0n Q1n
Q n1 2
J2 Q2n
K2Q2n
Q0n Q1n Q2n
1Q0n
Q0n Q1n Q2n
(5-3)
第5章 时序逻辑电路
(2) 列状态转换真值表。
第5章 时序逻辑电路
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5.1 概 述
5.1.1 时序逻辑电路的特点 从时序逻辑电路的特点可知,因为时序逻辑电路能将电路
的状态存储起来,所以时序逻辑电路一般由组合电路和存储电 路两部分构成,如图5.1所示。
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图5.1 时序逻辑电路的结构框图
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型,如十进制、十六进制、7位二进制、12位二进制、14位二进 制等。在需要其他任意一种进制的计数器时,只能用已有的计 数器产品经外电路的连接方式得到。
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假定已有的是 进制计数器,而需要得到M进制计数器。分为M<N 和M>N两种情况考虑。 1) 当M<N时 在 进制计数器的顺序计数过程中,若设法使之跳跃N-M个状态, 就可以得到 进制计数器。 (1) 直接清零法。 直接清零法是利用芯片的复位端 CR和“与非”门,将 所对应的 输出二进制代码中等于1的输出端,通过“与非”门反馈到集成 芯片的复位端 CR,使输出回零。设N进制计数器,当它从全0状 态S0开始计数并接收了M个计数脉冲以后,电路进入SM状态。当 电路一进入SM状态,则立即产生一个置零信号加到计数器的置零 输入端,则计数器将返回S0状态(该过程为非常短的瞬间,且其中 不需要
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5.2 时序电路的分析方法 5.2.1 基本分析步骤
分析时序电路的目的是确定已知电路的逻辑功能和工作特 点。具体步骤如下。
1. 写相关方程式 根据给定的逻辑电路图写出电路中各个触发器的时钟方程、
驱动方程、状态方程和输出方程等。
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1) 时钟方程 时序电路中各个触发器CP脉冲的逻辑关系。
输出方程:
Y Q2n (5-1)
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图5.2 例5-1电路
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驱动方程:
J0 Q2n ,K0 1 J1 K1 Q0n J2 Q0n Q1n ,K2 1
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状态方程:将驱动方程式代入JK触发器的特性方程
Q n 1 1
J
Qn
KQn
便得电路的状态方程为:
出的时序图。
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(a) 状态转换图
(b) 时序图 图5.3 例5-1解图
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5.3 计数器
计数器按照CP脉冲的输入方式可分为同步计数器和异步计数 器;计数器按照计数规律可分为加法计数器、减法计数器和可逆
计数器;计数器按照计数的进制可分为二进制计数器( N n )和
ຫໍສະໝຸດ Baidu驱动方程为: J0 K0 1
J0 K0 1 J2 K2 Q0n Q1n J3 Q0n Q1n Q2n
K1 Q0n K3 Q0n
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将以上驱动方程代入JK触发器的特性方程 Qn1 J Qn KQn , 得状态方程为:
Q n1 2
J2 Q2n
K2Q2n
Q0n Q1n Q2n
和Q Q Q n1 n1 n1
2
1
0
010,即输入第2个CP脉冲后,电路状态由001翻到
010。以此类推,可求得如表5.1所示的状态转换真值表。
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2个CP脉冲后,电路状态由001翻到010。以此类推,可求 得如表5.1所示的状态转换真值表。
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(3) 功能说明。 由表5.1可以看出。图5.2所示电路在输入第5个计数脉冲
CP后,返回原来的状态,同时输出端 输出一个进位脉冲。因 此,图5.2所示电路为同步五进制计算器。
(4) 画状态转换图和时序图。 根据表5.1可画出图5.3(a)所示的状态转换图。图中的圆
圈内表示电路的一个状态,即3个触发器的状态,箭头表示电
路状态的转换方向。Y为输出值。图5.3(b)所示为根据表5.1画
到 Q Q Q Q n1 n1 n1 n1
3
2
1
0
0001 ,这说明输入第一个计数脉冲后,电路
的状态由0000翻转到0001。然后再将0001当作现态,及
Q3n Q2n Q1n Q0n
0001,代入式(5-5)得到Q3n1
Q n1 2
Qn1 1
Q n1 0
0010,即
输入第二个脉冲CP后,电路的状态由0001翻转到0010。其余类推。
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图5.8 同步十进制加法计数器
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根据状态表画出该计数器的状态图,如图5.9所示。
图5.9 同步十进制加法计数器的状态图
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由图5.9所示的状态图可以看出,该计数器的有效状态为 0000~1001,共有10个,在有效状态内计数器是按照8421码进行 加法计数的。从图5.9还可以看出,1010~1111这6个状态为无效 状态,并且从任意一个无效状态开始,都能回到有效状态,所以 电路具有自启动能力。
2) 驱动方程 时序电路中各个触发器的输入信号之间的逻辑关系。
3) 状态方程 将驱动方程代入相应触发器的特性方程中,便得到该触发器的
状态方程,时序逻辑电路的状态方程由各触发器次态的逻辑表达 式组成。 4) 输出方程
时序电路的输出逻辑表达式,通常为现态和输入信号的函数。 若无输出时此方程可省略。
第5章 时序逻辑电路
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5.1.3 时序逻辑电路的分类 触发器按触发脉冲输入方式的不同,时序电路可分为同
步时序电路和异步时序电路。同步时序电路是指各触发器状 态的变化受同一个时钟脉冲控制;而异步时序电路中,时钟 脉冲只触发部分触发器,其余触发器则是由电路内部信号触 发的。
按照逻辑功能划分,时序逻辑电路有计数器、寄存器、 顺序脉冲发生器等;按能否编程划分,有可编程和不能编程 时序逻辑电路之分;按使用的开关元件类型划分,又有TTL 时序电路和CMOS时序电路之分。
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2. 同步十进制计数器 1) 同步十进制加法计数器
图5.8所示为同步十进制加法计数器的逻辑电路。由图5.8可知, 组成该计数器的是4个下降沿触发的JK触发器。由于各个触发器的 时钟脉冲信号都统一连接在CP上,所以这是一个同步计数器。
输出方程为: C Q3n Q2n Q1n Q0n
图5.10所示为图5.8的同步十进制加法计数器的时序图。从初 始状态0000开始,经过9个有效的CP脉冲(下降沿)后,计数器返回
到原来的状态,并且输出C为1,在第10个CP下降沿到来后,输出C 由1变为0。可以利用C的这一下降沿作为向高位计数器的进位信号。
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图5.10 同步十进制加法计数器的时序图
非二进制计数器(N n),其中,N 代表计数器的进制数,n 代表
计数器中触发器的个数。
第5章 时序逻辑电路
5.3.1 同步计数器 1. 同步二进制计数器 1) 同步二进制加法计数器
图5.4所示为由JK触发器组成的4位同步二进制加法计数器, 下降沿触发。下面分析它的工作原理。
第5章 时序逻辑电路
设电路的原态为Q2n Q1n Q0n 000,代入式(5-1)和式(5-2)中进行计
算后得Y
0和 Q Q Q n1 n1 n1
2
1
0
001,这说明输入第1个计数脉冲后,
电路的状态由000翻到001,然后再将001当作原态,
即 Q2n Q1n Q0n 001 ,代入上述两式中进行计算后得 Y 0
由此可求得表5.2所示的状态转换真值表。
(3) 画出状态转换图(见图5.5)和时序图(见图5.6)。
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图5.5 4位同步二进制计数器的状态转换图
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图5.6 4位同步二进制计数器的时序图
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归纳分析结果, 确定该时序电路的逻辑功能。从时钟 方程可知该电路是同步时序电路。从状态图可知,随着CP脉 冲的递增,触发器输出 值是递增的,且经过16个CP脉冲完 成一个循环过程。
2. 求出对应状态值 1) 列状态表
将电路输入信号和触发器现态的所有取值组合代入相应的状 态方程,求得相应触发器的次态,列表得出。
2) 画状态图 反映时序电路状态转换规律及相应输入、输出信号取值情况 的几何图形。
3) 画时序图 反映输入、输出信号及各触发器状态的取值在时间上对应关 系的波形图。
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Q0n Q1n Q2n
Q n1 3
J3 Q3n
K3Q3n
Q0n Q1n Q2n Q3n
Q0n Q3n
Q n1 2
J2 Q2n
K2Q2n
Q1nQ0n Q2n
Q1nQ0nQ2n
Q n1 3
J3 Q3n
K3Q3n
Q2nQ1nQ0n Q3n
Q0nQ3n
根据以上状态方程,列出该计数器的状态表,如表5.4所示。
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