1、 第第9章章 时序逻辑电路时序逻辑电路本章主要内容本章主要内容(1)时序电路的基本组成时序电路的基本组成(2)时序电路的描述方法时序电路的描述方法(3)时序电路的分析时序电路的分析(4)时序电路的设计时序电路的设计9.1 时序电路的基本组成时序电路的基本组成n图图9.1是用框图表示的时序电路的基本组成情况。是用框图表示的时序电路的基本组成情况。n它由组合逻辑电路及存储电路两部分组成它由组合逻辑电路及存储电路两部分组成。其中其中x1,xn称为时序电路的输入，称为时序电路的输入，Z1,Zm称为时序电路的输出；称为时序电路的输出；Y1,Yr为时序电路的内部输出，同时又是其存储电路的为时序电路的内部输
2、出，同时又是其存储电路的输入；输入；y1,yr为时序电路的内部输入，同时又是其存储电为时序电路的内部输入，同时又是其存储电路的输出。路的输出。n这些变量之间的关系可用逻辑关系式表示为：这些变量之间的关系可用逻辑关系式表示为：Zi=gi(x1,xn;y1,yr)，i=1,m (9-1)Yi=hi(x1,xn;y1,yr)，i=1,r (9-2)n把把(9-1)式式称作输出函数，称作输出函数，(9-2)式式称作控制函数或激励函数。称作控制函数或激励函数。时序电路中的存储电路可以是第时序电路中的存储电路可以是第8章中介绍过的各类触发章中介绍过的各类触发器，也可以是其他类型的存储器件。器，也可以是其他
3、类型的存储器件。图图9.1 时序电路的组成时序电路的组成n时序电路可分为两类：时序电路可分为两类：同步时序电路和异步时序电路同步时序电路和异步时序电路。n有统一时钟控制的时序电路叫有统一时钟控制的时序电路叫同步时序电路同步时序电路，没有统一时，没有统一时钟控制的时序电路叫钟控制的时序电路叫异步时序电路异步时序电路。n对于同步时序电路，只有在时钟脉冲到来时，电路的状态对于同步时序电路，只有在时钟脉冲到来时，电路的状态才发生变化；才发生变化；n对于异步时序电路，其状态改变是由输入信号的变化直接对于异步时序电路，其状态改变是由输入信号的变化直接引起的。引起的。9.2 时序电路的描述方法时序电路的描述
4、方法n在时序电路中，针对电路状态的一次改变，把改变之前的在时序电路中，针对电路状态的一次改变，把改变之前的状态叫时序电路的状态叫时序电路的现态现态，把改变之后的状态叫时序电路的，把改变之后的状态叫时序电路的次态次态。n时序电路的输入、输出、现态和次态之间的函数关系可以时序电路的输入、输出、现态和次态之间的函数关系可以用用状态图、状态表或时间图状态图、状态表或时间图清晰地加以描述和说明。清晰地加以描述和说明。1.状态图状态图n状态图也叫状态转换图，它是反映时序电路状态转换规律状态图也叫状态转换图，它是反映时序电路状态转换规律及相应输入、输出取值情况的几何图形表示。及相应输入、输出取值情况的几何图
5、形表示。n在这种表示中，将时序电路所有独立可能的状态用若干圆在这种表示中，将时序电路所有独立可能的状态用若干圆圈来表示，圈内标记不同的字母或数字，用以表示各种不圈来表示，圈内标记不同的字母或数字，用以表示各种不同的状态。圆圈之间用带箭头的直线或弧线连接起来，用同的状态。圆圈之间用带箭头的直线或弧线连接起来，用以表示状态跳变的方向，以表示状态跳变的方向，箭头尾端圆圈内标注的是电路的箭头尾端圆圈内标注的是电路的现态现态，箭头指向圆圈内标注的是电路的次态箭头指向圆圈内标注的是电路的次态。带箭头的直。带箭头的直线或弧线旁都记有输入变量线或弧线旁都记有输入变量x和相应的输出和相应的输出Z，用，用xZ表表
6、示。示。如图如图9.2所示。所示。图图9.2 时序电路的状态图时序电路的状态图 2.状态表状态表n状态表也叫状态转换表，它是用表格的形式来描述时序电状态表也叫状态转换表，它是用表格的形式来描述时序电路。在这种表示中，时序电路的全部输入列在表的顶部，路。在这种表示中，时序电路的全部输入列在表的顶部，表的左边列出现态，表的内部列出次态和输出。状态表的表的左边列出现态，表的内部列出次态和输出。状态表的一般列法一般列法如表如表9-1所示所示。表表9-1 时序电路的状态表时序电路的状态表 次态次态/输出输出 输出输出输入输入 x y Y/Zn表表9-1所示的状态表的读法是：处在现态所示的状态表的读法是：
7、处在现态y的时序电路，当的时序电路，当输入为输入为x时，该电路将进入输出为时，该电路将进入输出为Z的次态的次态Y。3.时间图时间图n时间图又叫时间图又叫工作波形图工作波形图。它用波形图的形式，形象地描述。它用波形图的形式，形象地描述了时序电路的输入信号、输出信号以及电路的状态转换等了时序电路的输入信号、输出信号以及电路的状态转换等在时间上的对应关系。在时间上的对应关系。例例9.1 研究具有一个输入变量研究具有一个输入变量x、一个输出变量、一个输出变量Z和两个状态和两个状态变量变量y1y2的时序电路，其中有：的时序电路，其中有：输入：输入：x=0，x=1 状态：状态：y1y2=00A，y1y2=
8、01B y1y2=10C，y1y2=11D 输出：输出：Z=0，Z=1n该时序电路的状态图该时序电路的状态图如图如图9.3所示所示，状态表，状态表如表如表9-2所示所示。图图9.3 状态图状态图 表表9-2 状态表状态表 次态次态/输出输出 输入输入 现态现态 0 1 A B C D D/0 B/1 C/1 A/0 C/1 A/0 D/0 B/1n从状态表和状态图可以看到，假设初始状态处于从状态表和状态图可以看到，假设初始状态处于A（即（即y1y2=00），如果这时加入输入），如果这时加入输入x=0，则电路就进入次态，则电路就进入次态D，且输出且输出Z=0；在处于状态；在处于状态D时，如果又加
9、入输入时，如果又加入输入x=1，则电，则电路又进入状态路又进入状态B，且输出，且输出Z=1，等等。所以，如果加到这，等等。所以，如果加到这个电路的输入为如下序列：个电路的输入为如下序列：x=0 1 1 0 1 0 1 1 0 0n若电路的初始状态为若电路的初始状态为A，则与每个输入对应的状态转换如，则与每个输入对应的状态转换如下：下：输入：输入：0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 现态：现态：A D B A D B B A C C 次态：次态：D B A D B B A C C C 输出：输出：0 1 0 0 1 1 0 1 1 1可见，若这个电路的初始状态为可见，若这个电路的初始状态为A
10、，当加入如上的输入序，当加入如上的输入序列之后，所引起的输出序列为：列之后，所引起的输出序列为：Z=0100110111电路最后停留在终态电路最后停留在终态C。9.3 时序电路的分析时序电路的分析n时序电路的分析就是根据给定的时序电路，求出它的状态时序电路的分析就是根据给定的时序电路，求出它的状态表、状态图或时间图，从而确定其逻辑功能和工作特性的表、状态图或时间图，从而确定其逻辑功能和工作特性的过程。过程。n同步时序电路分析的大致步骤同步时序电路分析的大致步骤如下：如下：(1)根据给定的电路结构，列出电路的输出函数表达式和各根据给定的电路结构，列出电路的输出函数表达式和各触发器的激励函数表达式
11、。触发器的激励函数表达式。(2)根据触发器的次态方程和激励函数式，求出各触发器的根据触发器的次态方程和激励函数式，求出各触发器的状态表达式。状态表达式。(3)根据状态表和输出函数表达式，列出该时序电路的状态根据状态表和输出函数表达式，列出该时序电路的状态表和状态图。表和状态图。(4)用时间图或文字描述的方式对电路特性进行表述。用时间图或文字描述的方式对电路特性进行表述。例例9.2 分析如图分析如图9.4所示的同步时序电路，其中所示的同步时序电路，其中x为外部输入为外部输入信号，信号，Z为电路的输出信号。为电路的输出信号。图图9.4 例例9-2逻辑图逻辑图n第一步，根据图第一步，根据图9.4所给
12、的电路结构，列出触发器的激励所给的电路结构，列出触发器的激励函数表达式和输出函数表达式为：函数表达式和输出函数表达式为：D=x y*+x*y (9-3)Z=x y (9-4)n第二步，把第一步得到的激励函数表达式代入第二步，把第一步得到的激励函数表达式代入D触发器的触发器的次态方程次态方程yn+1=D中，得到该触发器的状态表达式为：中，得到该触发器的状态表达式为：yn+1=x y*+x*y (9-5)第三步，根据状态表达式和输出函数表达式列出该电路的第三步，根据状态表达式和输出函数表达式列出该电路的状态表和状态图，状态表和状态图，如表如表9-3和图和图9.5所示所示。表表9-3 状态表状态表
13、次态次态y yn+1n+1/输出输出Z Z 图图9.5 状态图状态图 输入输入x 现态现态y 0 1 0 1 0/0 1/0 1/0 0/1n也可以用符号也可以用符号A和和B分别表示状态分别表示状态0和和1，则上述的状态表，则上述的状态表和状态图又可和状态图又可改写表改写表9-4和图和图9.6的形式的形式。表表9-4 状态表状态表 次态次态yn+1/输出输出Z 图图9.6 状态图状态图 输入输入x现态现态y 0 1 A B A/0 B/0 B/0 A/1第四步，作时间图对电路特性进行描述，第四步，作时间图对电路特性进行描述，如图如图9.7所示所示。图图9.7 时间图时间图n从该时间图容易看出，
14、在同样输入信号作用下，电路的初从该时间图容易看出，在同样输入信号作用下，电路的初始状态不同，相应的输出也不相同。如图中，初始状态为始状态不同，相应的输出也不相同。如图中，初始状态为A，则产生的状态序列为行，相应的输出为行；，则产生的状态序列为行，相应的输出为行；n初始状态为初始状态为B，则产生的状态序列为行，相应的输出为，则产生的状态序列为行，相应的输出为行。行。n在本例中，只有当电路出现状态在本例中，只有当电路出现状态B，且输入，且输入x=1时，才有时，才有输出输出Z=1。9.4 时序电路的设计时序电路的设计n时序电路的设计，也称时序电路的设计，也称时序电路的综合时序电路的综合。它是时序电路
15、分。它是时序电路分析的逆过程。析的逆过程。n同步时序电路设计的一般步骤为：同步时序电路设计的一般步骤为：(1)根据电路的设计要求，作出状态表或状态图；根据电路的设计要求，作出状态表或状态图；(2)进行状态化简；进行状态化简；(3)进行状态分配，即对每一个状态指定一个二进制代码；进行状态分配，即对每一个状态指定一个二进制代码；(4)选定触发器，并根据所选触发器的激励表及简化后的状选定触发器，并根据所选触发器的激励表及简化后的状态表求出各触发器的激励函数表达式和时序电路的输出函态表求出各触发器的激励函数表达式和时序电路的输出函数表达式。数表达式。(5)根据上面求得的表达式，画出时序电路的逻辑图。根
16、据上面求得的表达式，画出时序电路的逻辑图。9.4.1 根据设计要求形成原始状态表根据设计要求形成原始状态表n状态表就是把用语言文字描述的对时序电路的要求通过表状态表就是把用语言文字描述的对时序电路的要求通过表格的形式表示出来。格的形式表示出来。n它是整个设计过程的基础和依据，后面的设计步骤都要在它是整个设计过程的基础和依据，后面的设计步骤都要在状态表的基础上进行。状态表的基础上进行。n最初形成的状态表，称为原始状态表。它不一定是最简的，最初形成的状态表，称为原始状态表。它不一定是最简的，即允许其中存在多余的状态，但必须保证不能有状态遗漏即允许其中存在多余的状态，但必须保证不能有状态遗漏或错误。
17、或错误。n在确定状态数目时，应按在确定状态数目时，应按“宁多勿漏宁多勿漏”的原则来进行，以的原则来进行，以确保逻辑功能的正确和完备性。确保逻辑功能的正确和完备性。例例9.4 设计一个二进制序列检测器，要求当输入连续三个设计一个二进制序列检测器，要求当输入连续三个1或或三个以上三个以上1时，电路输出为时，电路输出为1，否则输出为，否则输出为0。作出这个时。作出这个时序电路的原始状态表。序电路的原始状态表。n由设计要求可知，要设计的电路有一个输入由设计要求可知，要设计的电路有一个输入x和一个输出和一个输出Z，输入输入x为一个二进制序列，每当其中出现连续三个为一个二进制序列，每当其中出现连续三个1时
18、，该时，该检测电路能够识别并输出检测电路能够识别并输出1；当有连续三个以上；当有连续三个以上1时，则在时，则在第三个以及相继的连续第三个以及相继的连续1出现时，电路也输出出现时，电路也输出1，直到输入，直到输入转为转为0时，输出才变为时，输出才变为0。例如：。例如：输入输入x序列：序列：1101111110010输出输出Z序列：序列：0000011110000n由上面的分析可知，检测电路要判断是否连续输入三个由上面的分析可知，检测电路要判断是否连续输入三个1，至少应将输入的前两位二进制数码至少应将输入的前两位二进制数码“记忆记忆”下来。下来。n前两位二制数码形成四种不同的状态组合，即前两位二制
19、数码形成四种不同的状态组合，即00，01，10，11，我们用，我们用A，B，C，D分别代表这四种状态组合。如果分别代表这四种状态组合。如果采用两位具有左移功能的存储器件来采用两位具有左移功能的存储器件来“记忆记忆”输入的历史输入的历史情况，则电路的状态转移情况及相应的输出应该是：情况，则电路的状态转移情况及相应的输出应该是：n当电路记忆的输入历史情况为当电路记忆的输入历史情况为01，如果此时输入为，如果此时输入为0，则，则电路的下一状态按左移规律应为电路的下一状态按左移规律应为10，输出为，输出为0；如果输入；如果输入为为1，电路的下一状态则变为，电路的下一状态则变为11，输出仍为，输出仍为0
20、。n当电路记忆的输入历史情况为当电路记忆的输入历史情况为10，如果此时输入为，如果此时输入为0，则，则下一状态为下一状态为00，输出为，输出为0；如果输入为；如果输入为1，则下一状态为，则下一状态为01，输出也为输出也为0。其余可依此类推。只有在当前的记忆的历史。其余可依此类推。只有在当前的记忆的历史情况为情况为11，而此时的输入为，而此时的输入为1时，电路的下一状态仍为时，电路的下一状态仍为11，此时电路的输出才为此时电路的输出才为1。n至此可以得到表征所要设计电路特性的状态表和相应的状至此可以得到表征所要设计电路特性的状态表和相应的状态图，态图，如表如表9-7和图和图9.11所示所示，图，
21、图9.11中的字母中的字母A、B、C、D分别代表状态组合分别代表状态组合00、01、10、11。表表9-7 状态表状态表 次态次态/输出输出 图图9.11 状态图状态图 输入输入现态现态 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 00/0 10/0 00/0 10/0 01/0 11/0 01/0 11/19.4.2 状态化简状态化简（详见教材（详见教材P257）9.4.3 状态分配与电路实现状态分配与电路实现（详见教材（详见教材P258）9.4.4 时序电路设计举例时序电路设计举例例例9.6 设计一个能识别输入序列设计一个能识别输入序列01的同步时序电路。该电路的同步时序电路。该电路具有一个输
22、入具有一个输入x和一个输出和一个输出Z，不论什么时候，只要输入中，不论什么时候，只要输入中出现出现x=01序列时，所设计的电路就应该产生输出序列时，所设计的电路就应该产生输出1信号，信号，对于其他任何输入，输出皆为对于其他任何输入，输出皆为0。例如，如果输入序列为：。例如，如果输入序列为：x=0010000010011101 那么输出序列应该是：那么输出序列应该是：Z=0010000010010001n设计的第一步是构造满足上述要求的状态图和状态表。首设计的第一步是构造满足上述要求的状态图和状态表。首先，假定要设计的电路处在某一起始状态先，假定要设计的电路处在某一起始状态A。若输入为。若输入为
23、1，因为因为1不是要识别的输入序列不是要识别的输入序列“01”的第一个符号，所以输的第一个符号，所以输出出Z=0，并且电路仍停留在状态，并且电路仍停留在状态A，如图如图9.14(a)所示所示。n 如果电路处于初始状态如果电路处于初始状态A，且输入为，且输入为0时，那么由于它是时，那么由于它是要识别的输入序列的第一个符号，电路应将这个情况记下，要识别的输入序列的第一个符号，电路应将这个情况记下，因此电路进入新的状态因此电路进入新的状态B，但此时的输出仍应为，但此时的输出仍应为0，如图如图9.14(b)所示所示。n 假设电路处在状态假设电路处在状态B，并且输入为，并且输入为0，因为，因为0不是识别
24、序列不是识别序列“01”的第二个符号，所以电路仍停在状态的第二个符号，所以电路仍停在状态B，得到输出，得到输出Z=0，如图如图9.14(c)所示所示。n 最后，如果电路处在状态最后，如果电路处在状态B，输入符号是，输入符号是1，这是要识别，这是要识别的输入序列的输入序列“01”的第二个符号，此时电路已检测到的第二个符号，此时电路已检测到“01”序列，产生输出序列，产生输出Z=1，并可以回到初始状态，并可以回到初始状态A。图图9.14(d)是最后得到的状态图。是最后得到的状态图。图图9.14 状态图状态图n与图与图9.14(d)所示的状态图相对应的状态表所示的状态图相对应的状态表如表如表9-15
25、所示所示。通过观察即可看出，该状态表已经是最简化状态表。通过观察即可看出，该状态表已经是最简化状态表。状态分配状态分配:因共有两个状态，故只需一位二进制代码即可因共有两个状态，故只需一位二进制代码即可表示，这里选分配为表示，这里选分配为A=0，B=1(当然也可选相反的分配，当然也可选相反的分配，即即A=1，B=0)。因此。因此表表9-15又可改画为又可改画为表表9-16。表表9-15 状态表状态表 表表9-16 状态表状态表 次态次态/输出输出 次态次态/输出输出 输入输入x现态现态 0 1 A B B/0 B/0 0/0 0/0 输入输入X现态现态 0 1 0 1 1/0 1/0 0/0 0
26、/1n如果选用钟控如果选用钟控RS触发器实现此时序电路，那么问题就变触发器实现此时序电路，那么问题就变成，如何根据表成，如何根据表9-16及钟控及钟控RS触发器的激励表，来确定复触发器的激励表，来确定复位端位端R和置位端和置位端S应该加什么样的信号应该加什么样的信号(即求出触发器的激即求出触发器的激励函数表达式励函数表达式)。为此，可导出表。为此，可导出表9-17。表表9-17 导出表导出表 X Q Qn+1 R S Z 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 d 1 1 d 0 0 0 0 0 1用图用图9.15所示的卡诺图化简，可得所设计电路的触发器激所示的卡诺图化简，可得所设计电路的触发器激励函数表达式及电路输出函数表达式：励函数表达式及电路输出函数表达式：R=x,S=x,Z=xQ由所得表达式，容易作出逻辑电路图，由所得表达式，容易作出逻辑电路图，如图如图9.16所示。所示。图图9.15 R、S和和Z的卡诺图的卡诺图 图图9.16 逻辑图逻辑图 第第9章章 作业作业nP264 9.1 9.2 9.3 9.8 9.11
