触发器与同步时序逻辑电路

时序逻辑电路分类介绍时序逻辑电路是一种用于处理时序信号的电路，它由逻辑门和存储元件组成。

时序逻辑电路按照其功能和结构的不同，可以分为多种类型。

本文将对时序逻辑电路的分类进行全面、详细、完整和深入的探讨。

一、根据功能分类1. 同步时序逻辑电路同步时序逻辑电路是指其数据在同一个时钟上升沿或下降沿进行传递和存储的电路。

这类电路广泛应用于计算机中的寄存器、时钟驱动器和状态机等。

同步时序逻辑电路具有可靠性高、稳定性强的特点。

2. 异步时序逻辑电路异步时序逻辑电路是指其数据不依赖时钟信号而进行传递和存储的电路。

这种电路在通信系统中常用于数据传输和处理，如异步串行通信接口（UART）。

异步时序逻辑电路具有处理速度快和实时性强的特点。

二、根据结构分类1. 寄存器寄存器是一种时序逻辑电路，用于存储和传递数据。

寄存器通常采用D触发器作为存储元件，可以实现数据的暂存和移位操作。

寄存器广泛应用于计算机的数据存储和寄存器阵列逻辑器件（RALU）等。

2. 计数器计数器是一种时序逻辑电路，用于生成特定的计数序列。

计数器可以按照时钟信号对计数进行增加或减少，并可以在达到指定计数值时触发其他操作。

计数器被广泛应用于时钟发生器、频率分频器和时序控制等电路中。

3. 时序控制器时序控制器是一种时序逻辑电路，用于控制其他电路的时序和操作。

时序控制器根据输入的控制信号和当前的状态，通过逻辑运算和状态转移进行运算和控制。

时序控制器被广泛应用于计算机的指令译码和状态机的设计中。

三、根据存储方式分类1. 同步存储器同步存储器是一种时序逻辑电路，用于存储和读取数据。

同步存储器是在时钟信号作用下进行数据存取的，并且数据的读取和写入操作都在时钟的上升沿或下降沿进行。

同步存储器主要包括静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM）等。

2. 异步存储器异步存储器是一种时序逻辑电路，用于存储和读取数据。

与同步存储器不同的是，异步存储器的读取和写入操作不依赖时钟信号，而是由数据访问信号和存储器内部的同步电路进行控制。

《时序逻辑电路》知识要点复习一、时序逻辑电路1、时序逻辑电路：电路的输出状态不仅与同一时刻的输入状态有关，也与电路原状态有关。

时序逻辑电路具有记忆功能。

2、时序逻辑电路分类：可分为两大类：同步时序电路与异步时序电路。

（1）同步时序电路：各触发器都受到同一时钟脉冲控制，所有触发器的状态变化都在同一时刻发生。

（2）异步时序电路：各触发器没有统一的时钟脉冲(或者没有时钟脉冲)，各触发器状态变化不在同一时刻发生。

计数器、寄存器都属于时序逻辑电路。

3、时序逻辑电路由门电路和触发器组成，触发器是构成时序逻辑电路的基本单元。

二、计数器1、计数器概述：（1）计数器：能完成计数，具有分频、定时和测量等功能的电路。

（2）计数器的组成：由触发器和门电路组成。

2、计数器的分类：按数制分：二进制计数器、十进制计数器、N 进制(任意进制)计数器；按计数方式分：加法计数器、减法计数器、可逆计数器；按时钟控制分：同步计数器、异步计数器。

3、计数器计数容量（长度或模）:计数器能够记忆输入脉冲的数目，就称为计数器的计数容量（或计数长度或计数模），用 M 表示。

3 位二进制同步加法计数器：M=23=8，n 位二进制同步加法计数器：M=2n，n 位二进制计数器需要用n个触发器。

4、二进制计数器(1)异步二进制加法计数器：如下图电路中，四个JK触发器顺次连接起来，把上一触发器的Q 端输出作为下一个触发器的时钟信号，CP0=CP CP1=QCP2=Q1CP3=Q2，J=K=1J1=K1=1 J2=K2=1 J3=K3=1Q3Q2Q1Q为计数输出，Q3为进位输出，Rd 为异步复位（清0）这样构成了四位异步二进制加计数器。

在计数前清零，Q3Q2Q1Q=0000；第一个脉冲输入后，Q3Q2Q1Q=0001；第二个脉冲输入后，Q3Q2Q1Q=0010；第三个脉冲输入后，Q3Q2Q1Q=0011，……，第15个脉冲输入后，Q3Q2Q1Q=1111，第16个脉冲输入后，Q3Q2Q1Q=0000，并向高位输出一个进位信号，当下一个脉冲来时，进入新的计数周期。

触发器（基本的SR触发器、同步触发器、D触发器）⼀、能够存储1位⼆值信号的基本单元电路统称为触发器（Filp-Flop） 触发器是构成时序逻辑电路的基本逻辑部件。

它有两个稳定状态：“0”和“1”。

在不同的输⼊情况下，它可以被置0状态或1状态，当输⼊信号消失后，所置成的状态能够保持不变。

所以触发器可以记忆1位⼆值的信号。

根据逻辑功能的不同，触发器可以分为SR触发器、D触发器、JK触发器、T和T'触发器。

按照结构形式的不同，⼜可分基本SR触发器、同步触发器、主从触发器和边沿触发器。

其状态图：a、当触发器处在0状态，即Q = 0，若S'R' = 10或11时，触发器仍为0状态。

若S'R' = 01，触发器翻转成为1状态。

b、当触发器处在1状态，即Q = 1，若S'R' = 01或11时，触发器仍为1状态。

若S'R' = 10，触发器翻转成为0状态。

约束条件是S’R’不能同时为0。

代码实现：module RS(rst_n,r,s,q,qn);input rst_n;input r;input s;output q;output qn;reg q;reg i;always @(rst_n or q)if(!rst_n)i = 0;else if(!q)i = 0;elsei = 1;always @(rst_n or r or s)if(!rst_n)q = 0;elsecase(i)0://置0if(({r,s} == 2'b01) || ({r,s} == 2'b11))q = 0;else if(({r,s} == 2'b10))q = 1;1://置1if(({r,s} == 2'b10) || ({r,s} == 2'b11))q = 1;else if(({r,s} == 2'b01))q = 0;endcaseassign qn = ~q;endmoduleView Code仿真代码：`timescale 1ns/1nsmodule RS_top;reg rst_n;reg r;reg s;wire q;wire qn;initial beginrst_n = 0;#10;rst_n = 1;beginr = 0;s = 1;#20;r = 1;s = 1;#20;r = 1;s = 0;#20;r = 1;s = 1;#20;endendRS rs1(.rst_n(rst_n),.r(r),.s(s),.q(q),.qn(qn));endmoduleView Code仿真波形：可以看到仿真结果是对的。

触发器是数字电路中重要的元件，它能够存储和传输数字信号，被广泛用于时序电路的设计中。

在设计同步时序电路时，合理选用触发器并进行相应的设计是十分关键的。

下面将介绍基于触发器设计同步时序电路的方法和步骤。

一、了解触发器的种类和特性在设计同步时序电路之前，首先需要对常见的触发器种类及其特性有所了解。

常见的触发器包括RS触发器、D触发器、JK触发器和T触发器。

它们具有不同的特性，如时序反馈、时钟边沿触发等，设计时需要根据具体的应用场景选择合适的触发器类型。

二、确定同步时序电路的功能需求在设计同步时序电路之前，需要明确电路的功能需求，包括输入信号的类型和频率、输出的预期行为等。

通过仔细分析功能需求，可以确定所需触发器的类型和数量，为后续设计提供指导。

三、进行触发器的选型和布局根据功能需求，选用合适的触发器类型，并进行布局设计。

在布局过程中，需要考虑触发器之间的相互影响、时钟信号的分布等因素，确保电路的稳定性和可靠性。

四、进行逻辑设计和时序分析在确定触发器的选型和布局后，进行逻辑设计和时序分析。

通过逻辑设计，确定各个触发器之间的逻辑关系和信号传输路径；通过时序分析，评估电路的时序性能，包括时钟周期、延迟时间等参数。

五、进行仿真和验证完成逻辑设计和时序分析后，进行仿真和验证。

利用仿真工具对电路进行验证，检查电路的功能是否符合设计要求，以及时序性能是否满足预期。

六、进行布线和布局设计在仿真和验证通过后，进行布线和布局设计。

根据实际的电路板布局要求，对电路进行合理的布线和布局设计，考虑信号传输的稳定性和抗干扰能力。

七、进行电路实现和调试完成布线和布局设计后，进行电路的实现和调试。

按照设计要求进行电路的焊接和连接，通过实际测试和调试，确保电路的稳定性和可靠性。

八、进行性能评估和优化进行电路性能的评估和优化。

通过实际测试和数据分析，评估电路的性能指标，对电路进行优化，以满足实际应用的需求。

总结：基于触发器设计同步时序电路的方法和步骤，需要从了解触发器的种类和特性开始，逐步确定功能需求，进行选型和布局设计，进行逻辑设计和时序分析，进行仿真和验证，进行布线和布局设计，进行电路实现和调试，最后进行性能评估和优化。

第8章触发器和时序逻辑电路及其应用习题解答8.1 已知基本RS 触发器的两输入端D S 和D R 的波形如图8-33所示，试画出当基本RS 触发器初始状态分别为0和1两种情况下，输出端Ｑ的波形图。

图8-33 习题8.1图解：根据基本RS 触发器的真值表可得：初始状态为0和1两种情况下，Ｑ的输出波形分别如下图所示：习题8.1输出端Ｑ的波形图8.2 已知同步RS 触发器的初态为0，当S 、R 和CP 的波形如图8-34所示时，试画出输出端Ｑ的波形图。

矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。

图8-34 题8.2图解：根据同步RS 触发器的真值表可得：初始状态为0时，Ｑ的输出波形分别如下图所示：习题8.2输出端Ｑ的波形图8.3 已知主从JK 触发器的输入端CP 、J 和K 的波形如图8-35所示，试画出触发器初始状态分别为0时，输出端Ｑ的波形图。

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图8-35 习题8.3图解：根据主从JK 触发器的真值表可得：初始状态为0情况下，Ｑ的输出波形分别如下图所示：图所示：习题8.3输出端Ｑ的波形图的波形图8.4 已知各触发器和它的输入脉冲CP 的波形如图8-36所示，当各触发器初始状态均为1时，试画出各触发器输出Ｑ端和Q 端的波形。

残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。

图8-36 习题8.4图解：根据逻辑图及触发器的真值表或特性方程，且将驱动方程代入特性方程可得状态方程。

即：（a ）J ＝K ＝1；Ｑn ＋1＝n Ｑ，上升沿触发酽锕极額閉镇桧猪訣锥。

（ｂ）J ＝K ＝1；Ｑn ＋1＝n Ｑ， 下降沿触发下降沿触发（ｃ）K ＝0，J ＝1；Ｑn ＋1＝J n Ｑ＋K Ｑn ＝1，上升沿触发，上升沿触发 （ｄ）K ＝1，J ＝n Ｑ；Ｑn ＋1＝J nＱ＋K Ｑn ＝n Ｑn Ｑ＋０·Ｑn ＝n Ｑ，上升沿触发，上升沿触发 （ｅ）K ＝Ｑn ，J ＝n Ｑ；Ｑn ＋1＝J n Ｑ＋K Ｑn ＝n Ｑn Ｑ＋０＝n Ｑ，上升沿触发，上升沿触发（ｆ）K ＝Ｑn ，J ＝n Ｑ；Ｑn ＋1＝J n Ｑ＋K Ｑn ＝n Ｑn Ｑ＋０＝nＱ，下降沿触发，，下降沿触发， 再根据边沿触发器的触发翻转时刻，可得当初始状态为1时，各个电路输出端Ｑ的波形分别如图（a ）、（b ）、（c ）、（d ）、（e ）和（f ）所示，其中具有计数功能的是：（a ）、（b ）、（d ）、（e ）和（f ）。

第8章 触发器和时序逻辑电路及其应用习题解答8.1 已知基本RS 触发器的两输入端D S 和D R 的波形如图8-33所示，试画出当基本RS 触发器初始状态分别为0和1两种情况下，输出端Ｑ的波形图。

图8-33 习题8.1图解：根据基本RS 触发器的真值表可得：初始状态为0和1两种情况下，Ｑ的输出波形分别如下图所示：习题8.1输出端Ｑ的波形图8.2 已知同步RS 触发器的初态为0，当S 、R 和CP 的波形如图8-34所示时，试画出输出端Ｑ的波形图。

图8-34 题8.2图解：根据同步RS 触发器的真值表可得：初始状态为0时，Ｑ的输出波形分别如下图所示：习题8.2输出端Ｑ的波形图8.3 已知主从JK触发器的输入端CP、J和K的波形如图8-35所示，试画出触发器初始状态分别为0时，输出端Ｑ的波形图。

图8-35 习题8.3图解：根据主从JK触发器的真值表可得：初始状态为0情况下，Ｑ的输出波形分别如下图所示：习题8.3输出端Ｑ的波形图8.4 已知各触发器和它的输入脉冲CP的波形如图8-36所示，当各触发器初始状态均为1时，试画出各触发器输出Ｑ端和Q端的波形。

图8-36 习题8.4图解：根据逻辑图及触发器的真值表或特性方程，且将驱动方程代入特性方程可得状态方程。

即：（a ）J ＝K ＝1；Ｑn ＋1＝n Ｑ，上升沿触发 （ｂ）J ＝K ＝1；Ｑn ＋1＝n Ｑ， 下降沿触发 （ｃ）K ＝0，J ＝1；Ｑn ＋1＝J n Ｑ＋K Ｑn ＝1，上升沿触发 （ｄ）K ＝1，J ＝n Ｑ；Ｑn ＋1＝J n Ｑ＋K Ｑn ＝n Ｑn Ｑ＋０·Ｑn ＝n Ｑ，上升沿触发 （ｅ）K ＝Ｑn ，J ＝n Ｑ；Ｑn ＋1＝J n Ｑ＋K Ｑn ＝n Ｑn Ｑ＋０＝n Ｑ，上升沿触发 （ｆ）K ＝Ｑn ，J ＝n Ｑ；Ｑn ＋1＝J n Ｑ＋K Ｑn ＝n Ｑn Ｑ＋０＝n Ｑ，下降沿触发， 再根据边沿触发器的触发翻转时刻，可得当初始状态为1时，各个电路输出端Ｑ的波形分别如图（a ）、（b ）、（c ）、（d ）、（e ）和（f ）所示，其中具有计数功能的是：（a ）、（b ）、（d ）、（e ）和（f ）。

同步时序电路和异步时序电路触发器是构成时序逻辑电路的基本元件，根据电路中各级触发器时钟端的连接方式，可以将时序逻辑电路分为同步时序电路和异步时序电路。

在同步时序电路中，各触发器的时钟端全部连接到同一个时钟源上，统一受系统时钟的控制，因此各级触发器的状态变化是同时的。

在异步时序逻辑电路中，各触发器的时钟信号是分散连接的，因此触发器的状态变化不是同时进行的。

8.2.1 同步时序电路设计1．同步时序电路原理说明从构成方式上讲，同步时序电路所有操作都是在同一时钟严格的控制下步调一致地完成的。

从电路行为上讲，同步电路的时序电路共用同一个时钟，而所有的状态变化都是在时钟的上升沿（或下降沿）完成的。

例如，基本的D触发器就是同步电路，当时钟上升沿到来时，寄存器把D 端的电平传到Q输出端；在上升沿没有到来时，即使D端数据发生变化，也不会立即将变化后的数据传到输出端Q，需要等到下一个时钟上升沿。

换句话说，同步时序电路中只有一个时钟信号。

2．同步电路的Verilog HDL描述同步逻辑是时钟之间存在固定因果关系的逻辑，所有时序逻辑都在同源时钟的控制下运行。

注意，在Verilog HDL实现时并不要求同一时钟，而是同源时钟。

所谓的同源时钟是指同一个时钟源衍生频率比值为2的幂次方，且初相位相同的时钟。

例如，clk信号和其同初相的2分频时钟、4分频就是同源时钟。

（1）典型的同步描述在Verilog HDL设计中，同步时序电路要求在程序中所有always块的posedge/negedge关键字后，只能出现同一个信号名称（包括同源的信号），并且只能使用一个信号跳变沿。

下面给出一个同步时序电路的描述实例。

【例8-9】通过Verilog HDL给出一个同步的与门。

上述程序比较简单，这里就不给出其仿真结果。

（2）同步复位的描述同步复位，顾名思义，就是指复位信号只有在时钟上升沿为有效电平时，才能达到复位的效果。

否则，无法完成对系统的复位工作。

课题十四：【学习内容】触发器按照其稳定工作状态分为多中类型，为了实现一定程序的运算，需要含有记忆功能的元件-触发器，它的输出状态不仅决定于当时的输入状态，而且还与电路的原来工作状态有关。

【学习重点】RS触发器的性质【学习难点】RS触发器的工作波形图RS触发器的“空翻”现象【学习内容】双稳态触发器组合电路和时序电路是数字电路的两大类。

门电路式组合电路的基本单元；触发器是时序电路的基本单元。

触发器按其稳定工作状态可分为双稳定触发器，单稳定触发器，无稳态触发器（多谐振荡器）等。

双稳态触发其按其逻辑功能可分为RS触发器，JK触发器,D触发器和T触发器等；按其结构可分为主从触发器和维持阻塞型触发器等。

基本RS触发器可由两个“与非”门交叉连接而成，如下图所示。

基本RS触发器可由两个“与非”门交叉连接而成，如下图所示。

Q与是基本触发器的输出端，两者的逻辑状态在正常条件下能保持相反。

这种触发器有两种稳定状态：一个状态是Q=1，=0，称为置位状态（“1”态）；另一个状态是Q=0，=1，称为复位状态（“0”态）。

相应的输入端分别称为直接置位端或直接置“1”端（）和直接复位端“0”端（）。

基本RS触发器输出与输入的逻辑关系。

1）=1，=0所谓=1，就是将端保持高电位；而=0，就是在端加一个负脉冲。

设触发器的初始状态为“1”态，即Q=1，=0。

这时“与非”门G2有一个输入端为“0”，其输出端变为“1”；而“与非”门G1的两个输入端全为“1”，其输出端Q变为“0”。

因此，在端加负脉冲后，触发器就由“1”态翻转为“0”态。

如果它的初始态为“0”态，触发器仍保持“0”态不变。

2）=0，=1设触发器的初始状态为“0”态，即Q=0，=1。

这是“与非”门G1有一个输入端为“0”，其输出端Q变为“1”；而“与非”门G2的两个输入端全为“1”，其输出端变为“0”。

因此，在端加负脉冲后，触发器就由“0”态翻转为“1”态。

如果它的初始状态为“1”态，触发器人保持“1”太不变。

触发器和时序逻辑电路测试题（十二章，十三章）一、填空题1、存放N为二进制数码需要_______个触发器。

2、一个四位二进制减法计数器状态为_______时，在输入一个计数脉冲，计数状态为1111，然后向高位发_____信号。

3、时序逻辑电路在结构方面的特点是;由具有____逻辑门电路和具有______的触发器两部分组成。

4、十进制计数器最少要用______个触发器。

5、用N个触发器可以构成存放_______位二进制代码寄存器。

6、在数字电路系统中，按逻辑功能和电路特点，各种数字集成电路可分位________逻辑电路和_________逻辑电路两大类。

7、8421BCD码位1001，它代表的十进制是_________。

8、8421BCD码的二一进制计数器当前计数状态是1000，再输入三个计数脉冲，计数状态位________。

9、数码寄存器主要由______和______组成，起功能是用来暂存_______数码。

10、同步计数器各个触发器的状态转换，与________同步，具有______特点。

11、寄存器在断电后，锁存的数码_______。

12、4个触发器构成8421BCD码计数器，共有______个无效状态，即跳过二进制数码_________到______6个状态。

二、判断题、1、移位寄存器每输入一个脉冲时，电路中只有一个触发器翻转。

（）2、移位寄存器即可并行输出也可串行输出。

（）3、右移寄存器存放的数码将从低位到高位，依次串行输入。

（）4、八位二进制能表示十进数的最大值是256. （）5、表示一位十进制数至少需要二位二进制。

（）6、触发器实质上就是一种功能最简单的时序逻辑电路，是时序逻辑存储记忆的基础。

（）7、数码寄存器存放的数码可以并行输入也可以串行输入。

（）8、显示器属于时序逻辑电路类型。

（）9、计数器、寄存器和加法器都属于时序逻辑电路。

（）10、时序逻辑电路具有记忆功能。

（）11、用4个触发器可构成4位二进制计数器。

实验八同步时序逻辑电路的分析一、实验目的⑴熟悉同步时序逻辑电路的一般分析、设计方法⑵熟悉移位寄存器和同步计数器的逻辑功能二、实验预习复习触发器的功能、特点和应用三、实验器材⑴直流稳压电源、数字逻辑实验箱⑵ 74LS00、74LS08、74LS10、74LS86、74LS74、74LS76四、实验内容和步骤1．移位寄存器型计数器⑵将集成D型触发器74LS74按图8-2接线。

电路的脉冲输入端CP接单脉冲，四个输出端Q4、Q3、Q2、Q1分别接发光二极管。

用触发器的异步清除端CLR将触发器初始状态复位为“0000”，Q4Q3Q2Q1＝0000。

（同样，可以用各触发器的预置端将触发器的初始状态置为某个状态。

）逐次按动单脉冲按钮，观察在CP脉冲作用下，计数器输出端的变化状态，将结果填入自制的表中。

分析电路输出端状态变化的规律，画出状态转换图，并说明电路的功能。

实验结果:五、思考题总结同步时序逻辑电路的一般分析方法。

(1) 根据逻辑电路写出各个触发器的驱动方程，即写出每个触发器输入端的逻辑函数表达式。

(2) 根据所给触发器，将得到的驱动方程代入触发器特性方程，得到时钟脉冲作用下的状态方程。

(3) 从逻辑电路中写出输出端的逻辑函数表达式。

(4) 将任何一组输入变量的取值及电路的初始状态，代入状态转移方程中和输出函数表达式中，得到时钟信号作用下的存储电路的次态逻辑值；再以得到的次态逻辑值为初始状态，和此时的输入变量的取值，再次代入状态转移方程中和输出函数表达式中，又得到新的次态逻辑值以及电路的输出值,如此循环代入逻辑值，直到所有输入变量的取值和所有逻辑状态值全部代入。

将存储电路的状态转换以及电路的输出用表格的形式来描述它们之间的关系，称为状态转移表。

将存储电路状态之间的转换关系用图形的方式来描述，就是状态转换图。

(5) 检查状态转换图(状态转移表)，如果在时钟信号和输入信号的作用下，各个状态之间能够建立联系，则说明该时序逻辑电路能够自启动，否则不能自启动。