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时序逻辑电路设计

时序逻辑电路简称时序电路,是计算机及其他电子系统中常用的一种电路。它和组合电路是完全不同类型的两种电路。组合电路的输出仅取决于电路当时的输人,而与电路过去的输人无关。时序电路的输出不仅取决于电路当时的输人,还与电路过去的输人有关。由于时序电路的这一特点,在电路的内部必然要有记忆元件,以记忆与过去输入信号有关的信息。

 时序电路有两大类:同步时序电路和异步时序电路。在同步时序电路中,有一个公共的时钟信号,电路中各记忆元件受它统一控制,只有在该时钟信号到来时,记忆元件的状态才能发生变化,从而使时序电路的输出发生变化,而且每来一个时钟信号,记忆元件的状态和电路输出状态才可能改变一次。如果时钟信号没有来到,输人信号的改变不能引起电路输出状态的变化。在异步时序电路中,电路没有统一的时钟信号,各记忆元件也不受同一时钟控制,电路状态的改变是由输入信号引起的。

时序逻辑电路还可以从另一角度进行分类:有些时序电路,它们的输出Z仅与记忆元件的状态 Q有关,而与外加输入 X无关,这类电路称为莫尔(Moore)型时序逻辑电路。对莫尔型电路来说,输出方程可表示为

                     Z= F( Qn)

另一些电路,它们的输出 Z不仅与记忆元件状态Q有关,还与外部输人 X有关,这类电路称为米勒(Melay)型时序逻辑电路,输出方程可表示为:

                      Z= F( X, Qn)

下面我们来介绍同步时序逻辑电路的分析和设计方法。

 1.时序逻辑电路分析的任务

 时序逻辑电路分析的基本任务是:根据已知的电路逻辑图,通过分析,求出电路状态Q转换的规律,以及外部输出Z变化的规律。

 2.时序逻辑电路分析的一般步骤

根据上述基本任务,时序逻辑电路分析的一般步骤如下:

(1) 从给定的逻辑图中,写出各触发器CP的逻辑表达式。

(2) 从给定的逻辑图中,写出各触发器控制输人信号的逻辑表达式(即驱动方程)。

(3) 把控制输入信号逻辑表达式代入每个触发器的特性方程,得出各触发器的次态Qn+1表达式(即状态方程)。

(4) 根据逻辑图,写出外部输出Z的逻辑表达式(即输出方程)。

(5) 通过列状态表,分析电路状态Q的转换规律和外部输出Z的变化规律,至此,时序逻辑电路分析的基本任务已初步完成。

(6) 为了较直观地显示分析结果,可根据状态表画出状态图。

(7) 为了较直观地显示分析结果,可根据状态表画出波形图(或称时序图)。

(8) 根据用上述三种形式(状态表、状态图或波形图)显示的分析结果,概括叙述电路的逻辑功能。

    3.同步时序逻辑电路分析举例

    同步时序逻辑电路中,所有触发器的CP端都与输人时钟脉冲相连接,因此上述一般步骤中的第(l)步实际上可以省略。

如图所示是一个同步电路,其中所有触发器的CP端都连在一起,接受输入时钟脉冲CP,因此这是莫尔型电路,因为它的外部输出C与外部输人X无关。

分析过程如下:

(l)CP表达式

              CP2=CP1=CP0=CP且下降沿触发

(2)驱动方程

(3)状态方程

 根据T触发器特性方程:

以及各触发器的驱动方程,写出各触发器的次态 Qn+1表达式(即状态方程):

(4)输出方程

 外部输出C= ,而不是C= ,因为外部输出C是指当前的,而不是“以后的”输出。

(5)状态表

列状态表是分析过程中的关键步骤,本例的状态表如下表所示。具体做法如下:先填人现态 的八种组合,然后逐行填人当前外部输出C的相应值以及次态 的相应值。例如,表的第一行,当 分别为0,0,0时,求得C= =0,并根据状态方程求得 分别为0,0,1,填人表中。

    状态表

(6)状态图

状态图较直观地显示时序逻辑电路状态转换规律和外部输出变化规律。

这个状态图说明,同步时序逻辑电路具有如下规律:

“000”状态(即 =000)时的当前输出C=0,在下一个CP作用后的次态是“001”。

“001”状态且当前输出C=O,在下一个CP作用后的次态是“010”。

“010”状态且当前输出C=0,在下一个CP作用后的次态是“011”。

“011”状态且当前输出C=0,在下一个CP作用后的次态是“100”。

“100”状态时的当前输出C=1,在下一个CP作用后的次态是“000”。

上述“000”,“001”,“010”,“011”、“100“这五个状态构成一个循环,称为“有效循环”或“主循环”。在主循环中的状态,都称为“有效状态”或“有用状态”。“101”,“110”,“111”这三个状态,位于主循环之外,称为“无效状态”或“无用状态”。对于具有若干个无效状态的时序逻辑电路,如果每个无效状态在若干个CP作用后都能转人有效状态,进入主循环,则称该电路具有自启动能力,否则称为没有自启动能力。图1状态图说明:图1且所示时序逻辑电路是具有自启动能力的。由上分析可知,此电路实际上是一个具有自启动能力的自然态序的五进制同步计数器,并以Q2的输出为进位输出。

(7)波形图(时序图)

时序图描述了时序电路在时钟脉冲序列作用下电路状态、输出状态随时间变化的波形,一般只画出主循环的波形图。对于图中所示的时序电路,可画出以 =000为初态的主循环波形图,如图2所示。

 

 

转自:维库电子市场网

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