同步時序邏輯電路的分析方法

內(nèi)容提要
7.1 概述
一、時序電路的定義
二、電路構成
三、分類：
1 同步
2 異步
7.2 時序邏輯電路的分析方法
7.2.1 同步時序邏輯電路的分析方法
一、基本分析步驟
1．寫方程式
2．列狀態(tài)轉換真值表
3．邏輯功能的說明
4 畫狀態(tài)轉換圖和時序圖
二、分析舉例
［例7.2.1］
1．寫方程式
2．列狀態(tài)轉換真值表
3．邏輯功能的說明
4 畫狀態(tài)轉換圖和時序圖
5．檢查電路能否自啟動
［例7.2.2］
1．寫方程式
2．列狀態(tài)轉換真值表
3．邏輯功能的說明
4 畫狀態(tài)轉換圖和時序圖
7.2.2 異步時序邏輯電路的分析方法
應寫出時鐘方程。
［例7.2.3］
1．寫方程式
2．列狀態(tài)轉換真值表
3．邏輯功能的說明
4 畫狀態(tài)轉換圖和時序圖
第7章 時序邏輯電路
內(nèi)容提要
時序邏輯電路的分析方法
異步計數(shù)器、同步計數(shù)器、寄存器與移位寄存器的基本工作原理
中規(guī)模集成電路的邏輯功能、使用方法和應用
時序邏輯電路的設計方法
7.1 概述

一、定義：時序邏輯電路（又稱時序電路）：在任何一個時刻的輸出狀態(tài)不僅取決于當時的輸入信號，而且還取決于電路原來的狀態(tài)。
二、電路構成：
存儲電路（主要是觸發(fā)器，且必不可少）+組合邏輯電路（可選）。
時序邏輯電路的狀態(tài)是由存儲電路來記憶和表示的。

三、分類
根據(jù)電路狀態(tài)轉換情況的不同分為：
1．同步時序邏輯電路：
所有觸發(fā)器的時鐘輸入端CP都連在一起，在同一個時鐘脈沖 CP作用下，凡具備翻轉條件的觸發(fā)器在同一時刻狀態(tài)翻轉。觸發(fā)器狀態(tài)的更新和時鐘脈沖CP是同步的。
2．異步時序邏輯電路
時鐘脈沖CP只接部分觸發(fā)器的時鐘輸入端，其余觸發(fā)器則由電路內(nèi)部信號觸發(fā)。因此，凡具備翻轉條件的觸發(fā)器狀態(tài)的翻轉有先有后，并不都和時鐘脈沖CP同步。
計數(shù)器中，時鐘脈沖CP又稱為計數(shù)脈沖。

7.2 時序邏輯電路的分析方法

時序邏輯電路的分析：根據(jù)給定的電路，寫出它的方程、列出狀態(tài)轉換真值表、畫出狀態(tài)轉換圖和時序圖，而后分析出它的功能。

7.2.1 同步時序邏輯電路的分析方法

同步時序邏輯電路中，所有觸發(fā)器都由同一個時鐘脈沖信號CP來觸發(fā)，都對應相同的電平或邊沿狀態(tài)更新。所以，可以不考慮時鐘條件。
課堂討論：現(xiàn)態(tài)和次態(tài)的時間分割點？
一、基本分析步驟

1．寫方程式

（1）輸出方程。時序邏輯電路的輸出邏輯表達式，它通常為現(xiàn)態(tài)的函數(shù)。
（2）驅(qū)動方程。各觸發(fā)器輸入端的邏輯表達式。即J=？，K=？，D=？
（3）狀態(tài)方程。將驅(qū)動方程代入相應觸發(fā)器的特性方程中，便得到該觸發(fā)器的次態(tài)方程。時序邏輯電路的狀態(tài)方程由各觸發(fā)器次態(tài)的邏輯表達式組成。
JK F/F和D F/F的特性方程？

2．列狀態(tài)轉換真值表
將外輸入信號和現(xiàn)態(tài)作為輸入，次態(tài)和輸出作為輸出，列出狀態(tài)轉換真值表。

觸發(fā)器的邏輯功能的表示方法有哪些？相互轉換？特別：與或式→真值表？

3．邏輯功能的說明

根據(jù)狀態(tài)轉換真值表來說明電路的邏輯功能。

4．畫狀態(tài)轉換圖和時序圖

狀態(tài)轉換圖：電路由現(xiàn)態(tài)轉換到次態(tài)的示意圖。
時序圖：在時鐘脈沖CP作用下，各觸發(fā)器狀態(tài)變化的波形圖。

二、分析舉例

［例7.2.1］ 試分析圖7.2.1所示電路的邏輯功能，并畫出狀態(tài)轉換圖和時序圖。

解：分析步驟
由電路可看出，時鐘脈沖CP加在每個觸發(fā)器的時鐘脈沖輸入端上。因此它是一個同步時序邏輯電路，時鐘方程可以不寫。
三個JK觸發(fā)器的狀態(tài)更新時刻都對應CP的下降沿。
1．寫方程式

2．狀態(tài)轉換真值表
由狀態(tài)方程，可列狀態(tài)轉換真值表。

3．邏輯功能說明
由狀態(tài)轉換真值表，在輸入第6個計數(shù)脈沖CP后，返回原來的狀態(tài)，同時輸出端Y輸出一個進位脈沖。因此為同步六進制計數(shù)器。
4．畫狀態(tài)轉換圖和時序圖
⑴ 根據(jù)狀態(tài)轉換真值表→狀態(tài)轉換圖。
圓圈內(nèi)表示電路的一個狀態(tài)，
箭頭表示電路狀態(tài)的轉換方向（現(xiàn)態(tài)→次態(tài)）
箭頭線上方標注的X／Y為轉換條件，X為轉換前輸入變量的取值，Y為輸出值
由于本例沒有輸入變量，故X未標上數(shù)值。
⑵ 根據(jù)狀態(tài)轉換真值表→時序圖（或稱工作波形圖）。

5．檢查電路能否自啟動
電路應有＝8個工作狀態(tài)，
只有6個狀態(tài)被利用了，稱為有效狀態(tài)。
還有110和111沒有被利用，稱為無效狀態(tài)。
能夠自啟動：如果由于某種原因而進入無效狀態(tài)工作時，只要繼續(xù)輸入計數(shù)脈沖CP，電路會自動返回到有效狀態(tài)工作。
該電路能夠自啟動。

[例7.2.2] 試分析圖7.2.3所示電路的邏輯功能。并畫出狀態(tài)轉換圖和時序圖。

解：分析步驟
1．寫方程式

2．列狀態(tài)轉換真值表
由于輸入控制信號X可取0，也可取1，因此，應分別列出X＝0和X＝1的兩張狀態(tài)轉換真值表。

3．邏輯功能說明
在X＝0時，電路為加法計數(shù)器；
在X＝1時，電路為減法計數(shù)器。
因此，電路為同步四進制加/減計數(shù)器。
4．畫狀態(tài)轉換圖和時序圖
可畫出X＝0和X＝1時的兩個狀態(tài)轉換圖。
如用一個狀態(tài)轉換圖時，則應在斜線上方標明輸入變量X的取值。
畫時序圖。

7.2.2 異步時序邏輯電路的分析方法

在異步時序邏輯電路中，只有部分觸發(fā)器由計數(shù)脈沖信號源CP觸發(fā)，而其它觸發(fā)器則由電路內(nèi)部信號觸發(fā)。
因此，應考慮各個觸發(fā)器的時鐘條件，即應寫出時鐘方程。
各個觸發(fā)器只有在滿足時鐘條件后，其狀態(tài)方程才能使用。否則，狀態(tài)保持不變。
這是異步時序邏輯電路在分析方法上和同步時序邏輯電路的根本不同點。
［例7.2.3］ 試分析圖7.2.5所示電路的邏輯功能。并畫出狀態(tài)轉換圖和時序圖。

解：分析步驟
FF1的時鐘信號是由Q0端輸出的負躍變信號來觸發(fā)的，所以是異步時序邏輯電路。
1．寫方程式

2．列狀態(tài)轉換真值表

狀態(tài)方程只有在滿足時鐘條件后才是有效的。否則將保持不變。

3．邏輯功能說明，
在輸入第5個計數(shù)脈沖時，返回初始的000狀態(tài)，同時Y輸出一個負躍變的進位信號，因此，為五進制計數(shù)器。
4．狀態(tài)轉換圖和時序圖