1、6.4 同步时序逻辑电路的设计方法同步时序逻辑电路的设计方法6.4.1 简单同步时序逻辑电路的设计简单同步时序逻辑电路的设计 简单时序逻辑电路：是指用简单时序逻辑电路：是指用一组一组驱动方程、状态方程驱动方程、状态方程和输出方程完全可以描述其逻辑功能的电路。和输出方程完全可以描述其逻辑功能的电路。设计的一般步骤设计的一般步骤一、分析设计要求，找出电路应有的状态转换图或状态转换一、分析设计要求，找出电路应有的状态转换图或状态转换表表1.确定输入确定输入/输出变量、电路状态数。输出变量、电路状态数。2.定义输入定义输入/输出逻辑状态以及每个电路状态的含义，并将电输出逻辑状态以及每个电路状态的含义，
2、并将电路状态顺序进行编号。路状态顺序进行编号。3.按设计要求实现的逻辑功能画出电路的状态转换图或列出按设计要求实现的逻辑功能画出电路的状态转换图或列出状态转换表。状态转换表。二、状态化简二、状态化简 若两个电路状态在相同的输入下有相同的输出，并转若两个电路状态在相同的输入下有相同的输出，并转向同一个次态，则称为向同一个次态，则称为等价状态等价状态；等价状态可以合并。；等价状态可以合并。三、状态编码三、状态编码1.确定触发器数目。确定触发器数目。2n-1 M 2n2.给每个状态规定一个给每个状态规定一个n位二进制代码。位二进制代码。（通常编码的取法、排列顺序都依照一定的规律）（通常编码的取法、排
3、列顺序都依照一定的规律）四、从状态转换图或状态转换表画出次态卡诺图，然后求四、从状态转换图或状态转换表画出次态卡诺图，然后求出电路的状态方程，驱动方程和输出方程。出电路的状态方程，驱动方程和输出方程。五、根据得到的驱动方程和输出方程画出逻辑图。五、根据得到的驱动方程和输出方程画出逻辑图。六、检查所设计的电路能否六、检查所设计的电路能否自启动自启动。例：设计一个串行数据检测电路。正常情况下串行的数据不例：设计一个串行数据检测电路。正常情况下串行的数据不应连续出现应连续出现3个或个或3个以上的个以上的1。当检测到连续。当检测到连续3个或个或3个以上的个以上的1时，要求给出时，要求给出“错误错误”信
4、号。信号。解：一、首先进行逻辑抽象，建立电路的状态转换图解：一、首先进行逻辑抽象，建立电路的状态转换图取输入数据为输入变量，用取输入数据为输入变量，用A表示；取检测结果为输出变量，用表示；取检测结果为输出变量，用Y表示；表示；正常时正常时Y=0、有错时、有错时Y=1。设电路没有输入设电路没有输入1之前状态为之前状态为S0，输入一个，输入一个1以后状态为以后状态为S1，连续输入两，连续输入两个个1以后状态为以后状态为S2，连续输入，连续输入3个或个或3个以上个以上1以后状态为以后状态为S3 二、状态化简二、状态化简等价状态：若两个电路状态在相同的输入下有相同的输出，并且等价状态：若两个电路状态在
5、相同的输入下有相同的输出，并且转向同一个次态，则称这两个状态为等价状态。转向同一个次态，则称这两个状态为等价状态。观察发现：观察发现：S2、S3是等价状态是等价状态S0S1S3S21/01/01/10/00/00/01/10/0三、规定电路状态的编码三、规定电路状态的编码取取n=2，取，取Q1Q0的的00、01、10为为S0、S1、S2 ；011*AQAQQ 010*QQAQ 1AQY 四、填写次态卡诺图，且化简得到状态方四、填写次态卡诺图，且化简得到状态方程程五、选用五、选用JK触发器，求方程组触发器，求方程组11011011)()(*AQQAQQQAQAQQ 00101)(*QQQAQ 0
6、11*AQAQQ 010*QQAQ 1AQY 六、画逻辑图六、画逻辑图七、检查电路能否自启动七、检查电路能否自启动1101QQ能自启动能自启动6.4.2 复杂时序逻辑电路的设计复杂时序逻辑电路的设计采用层次化结构设计方法采用层次化结构设计方法自顶向下自顶向下自底向上自底向上 无论哪一种做法，首先都需要将整个电路逐级划分为若无论哪一种做法，首先都需要将整个电路逐级划分为若干比较简单的、容易实现的功能模块，每个模块实现一定的干比较简单的、容易实现的功能模块，每个模块实现一定的逻辑功能。逻辑功能。在比较复杂的时序逻辑电路中，通常还必须设计一个控在比较复杂的时序逻辑电路中，通常还必须设计一个控制电路，
7、用来控制这些模块电路按照规定的时序运行。通常制电路，用来控制这些模块电路按照规定的时序运行。通常把这种含有控制模块的数字电路称为数字系统。把这种含有控制模块的数字电路称为数字系统。一般用自底向上的方法设计，则用已有的标准化中、小一般用自底向上的方法设计，则用已有的标准化中、小规模集成电路完全可以实现每一个底层模块的功能。规模集成电路完全可以实现每一个底层模块的功能。例例6.4.3 设计一个简单的电子钟，要求以十进制数显示时、分、设计一个简单的电子钟，要求以十进制数显示时、分、秒，并具有时、分、秒校准功能。秒，并具有时、分、秒校准功能。解：解：根据设计要求，首先将电子钟划分为计时电路、显示电路根
8、据设计要求，首先将电子钟划分为计时电路、显示电路和计时和计时/校准控制电路三个顶级模块。校准控制电路三个顶级模块。将计时电路划分为秒计数器、分计数器和时计数器三个下将计时电路划分为秒计数器、分计数器和时计数器三个下一级模块。一级模块。将显示电路划分为秒显示、分显示和时显示三个下一级模将显示电路划分为秒显示、分显示和时显示三个下一级模块。块。解读：图解读：图6.4.136.5 时序逻辑电路中的竞争时序逻辑电路中的竞争冒险现象冒险现象 分为两类：分为两类：*由组合逻辑电路的竞争由组合逻辑电路的竞争冒险所引起。产生的输出冒险所引起。产生的输出脉冲噪声不仅影响整个电路的输出，还可能使存储脉冲噪声不仅影
9、响整个电路的输出，还可能使存储电路产生误动作。电路产生误动作。如果存储电路中触发器的输入信号和时钟信号在状如果存储电路中触发器的输入信号和时钟信号在状态变化时配合不当，也可能导致触发器误动作。态变化时配合不当，也可能导致触发器误动作。分析图分析图6.5.1 学习基本要求学习基本要求:1 1、掌握时序逻辑电路的分析方法、掌握时序逻辑电路的分析方法 2 2、掌握同步计数器的设计方法、掌握同步计数器的设计方法3 3、掌握常用时序逻辑器件、掌握常用时序逻辑器件(集成计数器、移位寄存器集成计数器、移位寄存器)逻辑功能和应用逻辑功能和应用重点与难点重点与难点:1 1、时序逻辑电路的分析、时序逻辑电路的分析
10、2 2、用时序逻辑器件构成任意进制计数器用时序逻辑器件构成任意进制计数器（包括分析和设计两部分）（包括分析和设计两部分）本章学习要求本章学习要求作业：选作作业：选作P P192 6.26192 6.264 4、重点掌握由、重点掌握由555555定时器组成的多谐、单稳、施密特定时器组成的多谐、单稳、施密特触发器的电路、工作原理及电路主要参数的估算。触发器的电路、工作原理及电路主要参数的估算。1 1、熟练掌握多谐振荡电路、单稳态电路、施密特触、熟练掌握多谐振荡电路、单稳态电路、施密特触发电路的工作特点；正确理解其电路组成及工作原理。发电路的工作特点；正确理解其电路组成及工作原理。2 2、掌握多谐、
11、单稳、施密特触发器、掌握多谐、单稳、施密特触发器MSIMSI器件的逻辑器件的逻辑功能及主要参数的估算。功能及主要参数的估算。3 3、掌握、掌握555555定时器的工作原理。定时器的工作原理。教学基本要求教学基本要求第第9章章 脉冲波形的产生和整形脉冲波形的产生和整形脉冲幅度脉冲幅度Vm：脉冲电压波形的高、低电平之差。：脉冲电压波形的高、低电平之差。脉冲宽度脉冲宽度TW：从脉冲前沿的：从脉冲前沿的0.5Vm到达脉冲后沿到达脉冲后沿0.5Vm所需的时间。所需的时间。上升时间上升时间tr：脉冲上升沿从：脉冲上升沿从0.1Vm上升到上升到0.9Vm所需要的时间。所需要的时间。下降时间下降时间tf：脉冲
12、下降沿从：脉冲下降沿从0.9Vm下降到下降到0.1Vm所需要的时间。所需要的时间。脉冲周期脉冲周期T：相邻两个脉冲之间的时间间隔。：相邻两个脉冲之间的时间间隔。占空比占空比q：脉冲宽度与脉冲周期的比值。：脉冲宽度与脉冲周期的比值。TTqW脉冲波形的获取，通常有两种方法脉冲波形的获取，通常有两种方法:1 1、将已有的非脉冲波形通过波形变换电路、将已有的非脉冲波形通过波形变换电路获得；如单稳态电路、施密特触发电路。获得；如单稳态电路、施密特触发电路。2 2、采用脉冲信号产生电路直接获得；如多、采用脉冲信号产生电路直接获得；如多谐振荡电路。谐振荡电路。1、电路组成：、电路组成：2、工作原理、工作原理
13、O211I212AvRRRvRRRv根据叠加原理：根据叠加原理：由由CMOS反相器组成反相器组成O1v21DDTHOLDDOH210RRVVVVV，且，设(1)I上升上升当当 I=0时时，正向阈值电压正向阈值电压(VT+):输入信号输入信号在在上升上升过程中，使过程中，使输出输出电平发生电平发生跳跳变变时所对应时所对应 I 的值。的值。只要只要 A VTH，(4)当当I下降下降,也下降也下降A0v01v vO1=VOH 施密特触发电路的施密特触发电路的电压传输特性电压传输特性：同相输出施密特触发器同相输出施密特触发器反相输出施密特触发器反相输出施密特触发器 O vI vo VT VT+VOH
14、VOL oVT+vO VOH VOL VT-vI施密特触发电路的工作特点：施密特触发电路的工作特点：强调强调：施密特触发器属于：施密特触发器属于电平触发电平触发器件。器件。电平触发：电路状态的维持和转换都取决于输入信号的电平。电平触发：电路状态的维持和转换都取决于输入信号的电平。1 1、电路具有两个不同的阈值电压，存在回差。电路具有两个不同的阈值电压，存在回差。输入信号输入信号在上升过程中，使输出电平发生跳变时所对应在上升过程中，使输出电平发生跳变时所对应 I 的值的值正向阈值电压正向阈值电压(VT+)；输入信号输入信号在下降过程中，使输出电平发生跳变时所对应在下降过程中，使输出电平发生跳变时
15、所对应 I 的值的值负向阈值电压负向阈值电压(VT-)。2 2、由于输出状态转换时有正反馈过程发生，所以输出电压由于输出状态转换时有正反馈过程发生，所以输出电压波形的边沿很陡，可以得到比较理想的矩形输出脉冲。波形的边沿很陡，可以得到比较理想的矩形输出脉冲。集成施密特触发器 2.TTL集成施密特触发器74LS14 12345678910111213141A1Y2A2Y3A3Y4A4Y5A5Y6A6YVVD DSSCC401061.CMOS集成施密特触发器集成施密特触发器CC4010612345671A1Y2A2Y3A3YG N D8910111213144A4Y5A5Y6A6YVCC74LS141、用于波形变换、用于波形变换例：例：已知已知UI为半为半波，波，UI m=9V，电路的电路的VT+=6V，VT-=3VUOH=VDD，试画试画UO波形。波形。963VT+VT-VDDVDD11UI（V）totUOotUOo9.2.2 施密特触发电路的应用施密特触发电路的应用 2、用于脉冲整形、用于脉冲整形UItOUOtOUItOUOtOUItOUOtOVT+VT-VT+VT-VT+VT-113、用于脉冲、用于脉冲鉴幅鉴幅小小 结结作作 业业P249 9.5熟练掌握施密特触发电路的工作特点、回差的估熟练掌握施密特触发电路的工作特点、回差的估算和应用。算和应用。
