时序逻辑电路的分析与设计d

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1、6.5 若 干 典 型 的 时 序 逻 辑 集 成 电 路一 、 寄 存 器6.5.1 寄 存 器 和 移 位 寄 存 器寄 存 器 :是 数 字 系 统 中 用 来 存 储 代 码 或 数 据 的 逻 辑 部件 。 它 的 主 要 组 成 部 分 是 触 发 器 。 一 个 触 发 器 能 存 储 1位 二 进 制 代 码 ， 存 储 n 位 二 进制 代 码 的 寄 存 器 需 要 用 n 个 触 发 器 组 成 。 寄 存 器 实 际上 是 若 干 触 发 器 的 集 合 。 1. 电 平 敏 感 的 寄 存 器 1 1D C1 CP 1 OE 1 E Q0 1 1D C1 E Q 1

2、1 1D C1 E Q 7 D0 D1 D7 8位 CMOS寄 存 器 74LV374 D3 D2 D1 D0 & & & & R S R S R S R S FF3 FF2 FF1 FF0 Q3 Q2 Q1 Q0 Cr LD 置 数 输 入 置 0 输 入 数 码 输 出 数 码 输 入 2. 脉 冲 边 沿 敏 感 的 寄 存 器 8位 CMOS寄 存 器 74LV374 高 阻HHH 高 阻LLH存 入 数 据 ， 禁 止 输 出 HHL 对 应 内 部 触 发器 的 状 态LLL存 入 和 读 出 数 据 Q0Q7DNCP 输 出内 部 触 发 器输 入工 作 模 式 OE 1nNQ

3、二 、 移 位 寄 存 器移 位 寄 存 器 是 既 能 寄 存 数 码 ， 又 能 在 时 钟 脉 冲 的 作 用 下 使 数码 向 高 位 或 向 低 位 移 动 的 逻 辑 功 能 部 件 。按 移 动 方 式 分 单 向 移 位 寄 存 器双 向 移 位 寄 存 器 左 移 位 寄 存 器移 位 寄 存 器 的 逻 辑 功 能 分 类移 位 寄 存 器 的 逻 辑 功 能 右 移 位 寄 存 器 1、 基 本 移 位 寄 存 器（ 1） 电 路时 钟 信 号 输 入 端串 行 数 据输 入 端 串 行 数 据输 出 端并 行 数 据 输 出 端 1D Q0 DS I C C1 1D C

4、1 1D C1 1D C1 Q1 Q2 Q3 Q3 Q0 Q1 Q0 DSO D3=Qn2D1=Q0nD0=DSQ0n+1=DS Q1n+1 = Q0nQ2n+1 =Qn1 Q3n+1 =Qn2Qn+1=DD触 发 器 的 特 性 方 程激 励 方 程 ：状 态 方 程 ：(2). 工 作 原 理 (电 路 分 析 ) 1D Q0 DS I C C1 1D C1 1D C1 1D C1 Q1 Q2 Q3 Q3 Q0 Q1 Q0 DSO D2=Qn1 D S Q 0 Q 1 Q 2 Q 3 CP Q0 Q1 Q2 Q31 1 0 0 02 1 1 0 03 0 1 1 04 1 0 1 1 1

5、2 3 4 5 6 7 8 9 经 过 7个 CP脉 冲 作 用 后 ， 从 DI 端 串 行 输 入 的 数 码就 可 以 从 DO 端 串 行 输 出 。 串 入 串 出 经 过 4个 CP脉 冲 作 用 后 ， 从 DS 端 串 行 输 入 的 数 码就 可 以 从 Q0 Q1 Q2 Q3并 行 输 出 。 串 入 并 出1 1 0 1 1011 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 00 0 0 0 0 0 0FF0 FF1 FF2 FF3CR=01CP 后2CP 后3CP 后4CP 后 1101 1 Q0n+1=DI Q1n+1 = Q0nQ2n+1 =Qn1 Q3n+1 =Q

6、n2DS=1101 2. 多 功 能 双 向 移 位 寄 存 器。 Q 0 FF0 Q1 FF1 Q2 FF2 Q3 FF3 并 行 输 出 并 行 输 入 右 移 串 行 输 入D IR 左 移 串 行 输 出 DOL 右 移 串 行 输 出D OR 左 移 串 行 输 入 DIL D0 D1 D2 D3 1D C1 FF0 S1 1 & 1R R 1 DSR 1 S0 1 1 1 & & & 1 D0 & & & & 1 D1 & & & & 1 D2 & & & & 1 D3 1 DSL 1 D0 D0 CP 1 1D C1 FF1 1R R 1 1 D1 D1 1D C1 FF2 1R

7、 R 1 1 D2 D2 1D C1 FF3 1R R 1 1 D3 D3 MR 1 1 Q0 1 Q1 1 Q2 1 Q3 四 选 一 数 据 选 择 器 Q0 Q1 Q2 Q3 （ 2） 典 型 集 成 电 路CMOS 4位 双 向 移 位 寄 存 器 74HCT194 1D C 1 1D C1 FFm 0 1 3 2 1 0 MUX MUXm Dm1 Dm FFm1 1D C1 FFm+1 Dm+1 Dm CP S1 S0 Qm1 Qm Qm+1 74194的 功 能 表 LLH8 LLLHH7 HHLHH6 LLHLH5 HHHLH4 ABCDABCDHHH3 H(L)H2 LLLLL

8、1 ABCD右 移 DSR左 移 DSLS0S1 QAQBQCQD并 行 输 入时 钟 脉冲 CP串 行 输 入控 制 信 号 输 出输 入清零RD序号 QCn QBn QAnQDn QCn QBnQDn QCn QBnQDnQ Cn QBn QAnQCn QBn QAnQCn QBn QAnQDn异 步 清 零 同 步 置 数 低 位 向 高 位 移 动高 位 向 低 位 移 动 保 持 例 3 时 序 脉 冲 产 生 器 。 电 路 如 图 所 示 。 画 出 QA-QD波 形 ， 分析 逻 辑 功 能 。启 动解 ： 启 动 信 号 为 0: S1=1 S0=1,同 步 置 数 QAQD

9、=0111因 为 QA-QD总 有 一 个 为 0，S1S0=01， 则 74194始 终 工 作在 高 位 向 低 位 移 动 循 环 移 位的 状 态 。& & CPQA QBQC Q DS1S0CRDS 74194A B C D11 0 1 1 10 1 1 1启 动 信 号 为 1后 : S1=0 S0=1, 高 位 移 向 的 低 位 状 态 , QD = DSR C P Q 0 Q 1 Q 2 1 2 3 4 Q 3 0111 1011 1101 1110 0111QAQDQCQB 2、 计 数 器 的 分 类按 脉 冲 输 入 方 式 ， 分 为 同 步 和 异 步 计 数 器按

10、 进 位 体 制 ， 分 为 二 进 制 、 十 进 制 和 任 意 进 制 计 数 器按 逻 辑 功 能 ， 分 为 加 法 、 减 法 和 可 逆 计 数 器概 述1、 计 数 器 的 逻 辑 功 能 计 数 器 的 基 本 功 能 是 对 输 入 时 钟 脉 冲 进 行 计 数 。 它 也 可用 于 分 频 、 定 时 、 产 生 节 拍 脉 冲 和 脉 冲 序 列 及 进 行 数 字运 算 等 等 。7.1 计 数 器 同 步 计 数 器异 步 计 数 器 加 计 数 器减 计 数 器可 逆 计 数 器 二 进 制 计 数 器非 二 进 制 计 数 器 十 进 制 计 数 器任 意 进

11、 制 计 数 器加 计 数 器减 计 数 器可 逆 计 数 器 二 进 制 计 数 器非 二 进 制 计 数 器 十 进 制 计 数 器任 意 进 制 计 数 器 0n0D Q 1 1nD Q 一 、 二 进 制 计 数 器 CR 1D 1D 1D C1 C1 C1 R R R Q0 Q1 Q2 CP FF0 FF1 FF2 2 2nD Q 驱 动 方 程 : 状 态 方 程 : 10 0 0n nQ D Q 11 1 1n nQ D Q 12 2 2n nQ D Q 1.三 位 二 进 制 异 步 加 计 数 器 (分 析 ）1、 电 路 :2、 电 路 分 析 ： (CP由 01时 ， 状

12、 态 方 程 有 效 ) 时 钟 方 程 CP0=CP, CP1= Q0 ， CP2= Q1 1. )根 据 给 定 的 时 序 电 路 图 写 出 下 列 各 逻 辑 方 程 式 状 态 转 换 表 10 0n nQ Q 11 1n nQ Q 12 2n nQ Q Q0 Q1 Q2 000 001 010 011 100 101 110 111 (CP由 01时 ， 此 式 有 效 )(Q0由 10时 ， 此 式 有 效 )(Q1由 10时 ， 此 式 有 效 )次 态现 态 n0Qn2Q n1Q 1n0Q1n2Q 1n1QCP0=CP CP1= Q0 CP2= Q13)列 出 状 态 转

13、换 表 或 画 出 状 态 图 状 态 图000 100 010 0 0 0111 1 1 1011 1 1 0101 1 0 1001 1 0 0 110 0 1 1 0 0 1 0 1 0 CPQ0Q1Q 2 1tpd2tpd3tpd 时 序 图结 论 : 异 步 计 数 脉 冲 的 最 小 周 期 Tmin=ntpd。 （ n为 位 数 ） CPQ ff 210 CPQ ff 411 CPQ ff 812 计 数 器 的 功 能 ： 不 仅 可 以 计 数 也 可 作 为 分 频 器 。 如 考 虑 每 个 触 发 器 都 有 1tpd的 延 时 ， 电 路 会 出 现 什 么 问 题

14、？CP0=CP CP1= Q0 CP2= Q1 Q1 0 QQ2 000 001 010 011 100 101 110 111 FF 0 FF1 FF2 CR 1D 1D 1D C1 C1 C1 CP Q0 R R R Q1 Q2 为 23进 制 (模 八 )计 数 器 Q2 Q1 Q0 000 001 010 011 100 101 111 110 同 样 具 有 分 频 作 用 三 位 二 进 制 异 步 减 计 数 器 un位 二 进 制 异 步 计 数 器 由 n个 处 于 计 数 工 作 状 态 的 触 发 器组 成 。u在 二 进 制 异 步 计 数 器 中 ， 高 位 触 发

15、器 的 状 态 翻 转 必 须 在低 1位 触 发 器 产 生 进 位 信 号 之 后 才 能 实 现 ， 因 此 ， 异 步计 数 器 的 工 作 速 度 较 低 。 u触 发 器 之 间 的 连 接 方 式 由 加 、 减 计 数 方 式 及 触 发 器 的 触发 方 式 决 定 。二 进 制 异 步 计 数 器 的 特 点 C1 1J 1K 1 Q 0 & Q0 C1 1J 1K Q1 Q1 & C1 1J 1K Q2 Q 2 CP C FF 0 FF1 FF2 0 01 1 02 2 1 0J K 1J K QJ K Q Qnn n 10 011 1 0 1 012 2 1 2 0 2

16、 1 0Q QQ Q Q Q QQ Q Q Q Q Q Q Qn nn n n n nn n n n n n n n 驱 动 方 程 : 状 态 方 程 : 输 出 方 程 :C=Q2nQ1nQ0n 2、 3位 二 进 制 同 步 加 法 计 数 器（ 1） 电 路 : （ 2） 电 路 分 析 ： 1Q JQn n nKQ 状 态 转 换 表 C=Q2nQ1nQ0n状 态 转 换 图10 011 1 0 1 012 2 1 2 0 2 1 0Q QQ Q Q Q QQ Q Q Q Q Q Q Qn nn n n n nn n n n n n n n 000 001 010 011 111 1

17、10 101 100 Q2Q1 Q0 /0 /0 /0 /0 /0 /1 /0 /0 波 形 图 CP 1 5 3 4 2 6 t Q0 t Q1 t Q2 t C t 7 8 0 0 0 1 0 0 1 0 0 t t t t t 8765 43210 电 路 状 态 Q2 Q1 Q0计 数顺 序 000 111 011 101 001 110 010 100 000 010000000进 位CC=Q2nQ1nQ0n 2、 电 路 的 工 作 特 点 ： 电 路 是 同 步 计 数 器 ， 各 触 发 器 在 CP地 作 用下 同 时 翻 转 ， 它 们 的 翻 转 仅 比 CP滞 后 一

18、个 tpd时 间 。 同 步 计 数器 计 数 速 度 比 异 步 计 数 器 高 。 C P 1 5 3 4 2 6 t Q 0 t Q 1 t Q 2 t C t 7 8 1tpd 小 结1、 电 路 的 逻 辑 功 能 ： 电 路 为 8进 制 计 数 器 。 也 可 作 为 分 频 器 3位 二 进 制 减 计 数 器 状 态 图 状 态 表 B0 0 0 1 1 1 11 1 1 1 1 0 01 1 0 1 0 1 01 0 1 1 0 0 01 0 0 0 1 1 00 1 1 0 1 0 00 1 0 0 0 1 00 0 1 0 0 0 0n2Q n1Q n0Q 12Q n

19、11Q n 10Q n选 用 3个 下 降 沿 触 发 的边 沿 JK触 发 器 组 成 电 路 Q 2Q1 Q0 000 111 110 101 001 010 011 100 /B /1 /0 /0 /0 /0 /0 /0 /0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 00 01 11 10 Q n 1 Q n 0 Q n 2 12n 求 状 态 方 程 : 二 进 制 同 步 减 计 数 器 (设 计 ) 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 00 01 11 10 11Q n Q n 1 Q n 0 Q n 2 12 2 1 0 2 1 2 0Q Q Q Q Q Q Q Qn n n

20、 n n n n n 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 00 01 11 10 10Q n Q n 1 Q n 0 Q n 2 12 1 0 2 1 0 2Q Q Q Q Q Q Qn n n n n n n 1 1 01 1 0Q Q Q Q Qn nn n n 1 00Q Qnn 11 0 1 0 110 0 0Q Q Q Q QQ 1 Q 0 Qn n n n nn n n 二 进 制 计 数 器 2 2 1 01 1 00 0J K Q QJ K QJ K 1 n nn 2 1 0 B Q Q Q n n n C1 1J 1K 1 Q0 & Q0 C1 1J 1K Q1 Q1 &

21、 C1 1J 1K Q2 Q2 CP B 输 入 减 计 数 脉 冲 FF0 FF1 FF2 画 逻 辑 电 路 图 : 二 进 制 同 步 减 计 数 器 (设 计 )12 1 0 2 1 0 211 0 1 0 110 0 0Q Q Q Q Q Q QQ Q Q Q QQ 1 Q 0 Qn n n n n n nn n n n nn n n 1Q JQ KQn n n 二 进 制 计 数 器 1. 集 成 计 数 器 74161（ 1） 74161的 逻 辑 功 能 CP A B C D ET EP QA QB QC QD RCO 74161 LD RD RCO=ETQAQBQCQD 74

22、161逻 辑 功 能 表 保 持 A B C DDCBALH L QA QBQCQDDCBACPETEPLDRD 输 出预 置 数 据输 入时 钟使 能预 置 L L L LX X X XLHH 保 持 X X X XLXHH 计 数X X X XHHHH清 零异 步 清 零同 步 并 行 预 置 数 据保 持 原 有 状 态 不 变计 数 QDQCQBQA 0000QDQCQBQA DCBAQDQCQBQA QDQCQBQACP每 来 一 个 上 升 沿 ， 计 数 器 的 数 值 增 1。 (2)时 序 图 RD LD A B C D CP EP ET QA QB Q C QD RCO 计

23、 数 保 持 异 步 清 零 同 步 预 置 RCO=ETQAQBQCQD 设 法 跳 过 169=7个 状 态 1 1 CP 1 74161 QA QB QC QD LD RCO RD A B C D ET EP CP 11CP &例 2 用 74161构 成 九 进 制 加 计 数 器 。CP QD QC QB QA0 0 0 0 01 0 0 0 12 0 0 1 0 .8 1 0 0 09 1 0 0 1 15 1 1 1 1 0 DAD QQR(a) 反 馈 清 零 法 ： 利 用 异 步 置 零 输 入 端 ， 在 M进 制 计 数 器 的 计 数 过 程 中 ，跳 过 M-N个

24、状 态 ， 得 到 N进 制 计 数 器 的 方 法 。（ 3） 应 用 11RD的 作 用 ？ 1设 置 初 始 状 态 为 0000 2、 在 计 数 课 程 中 置 0， 去 除 若 干 状 态 CPQ 0Q 1Q 2Q 3 1 1 CP 1 74161 QA QB QC QD LD RCO RD A B C D ET EP CP & 111CP 1001Q 3Q2Q1Q0 0000 0001 1000 0010 0011 01000111 0110 0101 工 作 波 形状 态 图 RCO ET EP 1 1 CP 1 RD A B C D CP QA QB QC QD74161 L

25、D 1 1000 0000 0001 0010 0111 0110 0101 0100 0011 QD QC QB QA CP QD QC QB QA0 0 0 0 01 0 0 0 12 0 0 1 0 .8 1 0 0 09 1 0 0 1 15 1 1 1 1(b) 反 馈 置 数 法 :利 用 同 步 置 数 端 ， 在 M进 制 计 数 器 的 计数 过 程 中 ， 跳 过 M-N个 状 态 ， 得 到 N进 制 计 数 器 的 方 法 。利 用 同 步 置 数 端 构 成 九 进 制 计 数 器 DQLD LD的 作 用 ？1设 置 初 始 状 态 2、 在 计 数 课 程中 置

26、数 ， 去 除 若 干 状 态 采 用 后 九 种 状 态 作 为 有 效 状 态 ， 用 反 馈 置 数 法 构 成 九进 制 加 计 数 器 。 1 ABCD QQQQETRCOCP QD QC QB QA0 0 0 0 01 0 0 0 12 0 0 1 0 .7 0 1 1 18 0 1 1 19 1 0 0 0 15 1 1 1 1 RCO ET EP 1 1 CP RD A B C D CP QA QB QC QD74161 LD 1 1 1 1 1 QD QC QB QA1 1 0 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 11 1 01

27、 1 1 1 1000 0000 0001 0010 0111 0110 0101 0100 0011 QD QC QB QA CP Q 0 Q 1 Q 2 Q 3 1 1 1 0 1 1 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10波 形 图 ：该 计 数 器 的 模 为 9。 分 析 下 图 所 示 的 时 序 逻 辑 电 路 ， 试 画 出 其 状 态 图 和 在 CP脉 冲作 用 下 Q3、 Q2、 Q1、 Q0的 波 形 ， 并 指 出 计 数 器 的 模 是 多 少 ？ CP A B C D ET EP Q A QB QD 74161 CP 1 & LD RD QC 0000

28、0001 0010 0011 0100 0101 1110 1111 1011 1010 1001 1000 0111 0110 1100 1101 Q3Q2 Q1Q0 0 ABD QQQLD M=12 例 3 用 74HCT161组 成 256进 制 计 数 器 。解 ： 1片 74161是 16进 制 计 数 器256 = 16 16所 以 256进 制 计 数 器 需 用 两 片 74161构 成片 与 片 之 间 的 连 接 通 常 有 两 种 方 式 ：并 行 进 位 (低 位 片 的 进 位 信 号 作 为 高 位 片 的 使 能 信 号 )串 行 进 位 (低 位 片 的 进 位

29、 信 号 作 为 高 位 片 的 时 钟 脉 冲 ， 即 异 步 计 数 方 式 ) 设 计 思 想 N = 16 16=256 RD LD CP A B C D ET EP QA QB QC QD RCO 74161(B) 1 1 1 1 RD LD CP A B C D ET EP QA QB QC QD RCO 1 1 74161(A) + 0 0 0 11. 集 成 计 数 器 74161CP 0000 1111 计 数 状 态 : 0000 0000 1111 1111并 行 进 位 ： 低 位 片 的 进 位 作 为 高 位 片 的 使 能 1 CP A B C D ET EP Q

30、A QB QC QD RCO 74161(A) 1 CP1 1 1 1 CP A B C D ET EP QA QB QC QD RCO 74161(B) 1 1 1 1 RD LD LD RD 计 数 状 态 : 0000 0000 1111 1111采 用 串 行 进 位 时 ， 为 什 么 低 RCO要 经 反 响 器 后 作 为 高 位 的 CP？+ 0 0 0 10000 1111 串 行 进 位 ： 低 位 片 的 进 位 作 为 高 位 片 的 时 钟 用 集 成 计 数 器 构 成 任 意 进 制 计 数 器 的 一 般 方 法1） N M 的 情 况（ 1） 串 行 进 位

31、方 式 ：（ 2） 并 行 进 位 方 式 ：-采 用 多 片 M进 制 计 数 器 构 成 。按 芯 片 连 接 方 式 可 分 为 ： 构 成 异 步 计 数 器构 成 同 步 计 数 器实 现 的 方 法 ： 应 用 举 例 CP A B C D ET EP QA QB QC QD RCO 74161 LD RD D 7 0 1 74LS151 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 EN CBA 111 CP Y D 7 序 列 信 号 发 生 器在 CP的 作 用 下 ， Y端 产 生 00010111循 环 序 列 信 号 如 要 求 Y端 产 生 10110010循 环 序 列 信 号 ， 如 何 改 变 电 路 的 连 接 ？