第11章时序逻辑电路

第11章数字电路综合案例内容提要前面的章节介绍了数字电路的基本知识、基本理论、常用器件，以及数字电路分析和设计的基本方法。

本章涉及到复杂数字系统的设计。

数设计对象从译码器、计数器等这些基本逻辑功能电路到了数字钟等综合的数字逻辑系统的设计；设计方法也由采用真值表到求逻辑表达式、画出电路图的方式到通过确定总体方案，采取从局部到整体，用各种中、大规模集成电路来满足要求的数字电路系统的方式。

本章结合数字钟这一实际的案例来介绍数字电路系统的设计方法，进一步提高学生的综合能力和解决实际问题的能力。

基本教学要求1.了解中小规模集成电路的作用及实用方法。

2.了解数字钟电路的原理。

3.掌握综合数字电路系统的设计流程和设计方法。

11.1概述数字系统的设计，采用从整体到局部，再从局部到整理的设计方法。

首先对系统的目标、任务、指标要求等进行分析，确定系统的总体方案；然后把系统的总体方案分成若干功能部件，绘出系统的方框图；之后运用数字电路的分析和设计方法分别进行设计，或者是直接选用集成器件去构成功能部件；最后把这些功能部件连接组合起来，便构成了完整的数字系统，通过对电路的分析和测试修改，完善与优化整个系统。

这是传统的数字系统的设计方法，也是下面要介绍的内容。

随着计算机技术的发展，电子设计自动化EDA成为了现代电子系统设计与仿真的重要手段，对于复杂系统的设计十分有效，尤其是硬件描述语言的使用，使硬件软件化，让数字系统的设计更加方便、高效。

下面以数字钟系统设计为例，介绍综合数字电路系统的设计方法。

数字钟是一种用数字电子技术实现时、分、秒计时的装置，与传统的机械式时钟相比具准确、直观、寿命长等特点。

目前广泛用于个人家庭以及车站、码头、剧场、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。

数字钟也是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序逻辑电路。

通过数字钟的设计进一步了解数字系统设计时用到的中小规模集成电路的使用方法，进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法。

时序电路逻辑功能描述方式时序电路是一种电子电路，其逻辑功能在不同时间点上发生变化。

在时序电路中，电路的输出不仅依赖于当前的输入信号，还依赖于过去的输入信号和电路的内部状态。

时序电路通常由触发器（Flip-Flop）和组合逻辑门组成。

触发器是一种存储元件，可以存储一个二进制位的状态。

组合逻辑门通过将触发器的输出连接起来，并根据输入信号的条件决定是否改变触发器的状态。

通过这种方式，时序电路可以实现复杂的逻辑功能。

为了描述时序电路的逻辑功能，我们可以使用状态图、状态表和状态方程等方式。

状态图（State Diagram）是时序电路的一种图形表示方法。

它通过节点和有向边来表示电路的不同状态和状态之间的转换关系。

每个节点表示一个电路的状态，每条边表示一种条件下的状态转换。

状态图可以直观地描述时序电路的逻辑功能。

状态表（State Table）是时序电路的一种表格表示方法。

它列出了电路的每个状态和每个状态下的输出。

状态表通常包括当前状态、下一个状态和输出信号等列。

状态表可以清晰地描述电路的逻辑功能，并方便进行状态迁移和输出信号的计算。

状态方程（State Equation）是时序电路的一种数学描述方法。

它通过逻辑代数或布尔代数的形式表示电路的当前状态、输入信号和输出信号之间的关系。

状态方程可以使用逻辑门的真值表或卡诺图来推导得到。

在描述时序电路的逻辑功能时，我们通常需要确定以下几个方面的内容：1.电路的输入信号：输入信号是时序电路的触发条件，决定触发器状态的改变。

输入信号可以是外部输入，如开关和按钮，也可以是其他逻辑电路的输出。

2.电路的内部状态：内部状态是触发器的状态，它存储了电路的前一时刻的信息。

内部状态可以是一个或多个触发器的组合。

3.电路的输出信号：输出信号是根据当前输入信号和内部状态计算得到的结果。

输出信号可以是一个或多个逻辑电平。

4.电路的逻辑功能：逻辑功能是指输入信号和输出信号之间的关系，在不同的状态和条件下，输出信号如何发生改变。

《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。

5-1 分析图所示时序电路的逻辑功能，写出电路的驱动方程、状态方程和输出方程，画出电路的状态转换图和时序图。

CLKZ图 题 5-1图解：从给定的电路图写出驱动方程为：00121021()n n nn n D Q Q Q D Q D Q ⎧=⎪⎪=⎨⎪=⎪⎩将驱动方程代入D 触发器的特征方程D Qn =+1，得到状态方程为：10012110121()n n n n n n n n Q Q Q Q Q Q Q Q +++⎧=⎪⎪=⎨⎪=⎪⎩由电路图可知，输出方程为2nZ Q =根据状态方程和输出方程，画出的状态转换图如图题解5-1(a ）所示，时序图如图题解5-1(b ）所示。

题解5-1(a ）状态转换图1Q 2/Q ZQ题解5-1(b ）时序图综上分析可知，该电路是一个四进制计数器。

5-2 分析图所示电路的逻辑功能，写出电路的驱动方程、状态方程和输出方程，画出电路的状态转换图。

A 为输入变量。

YA图 题 5-2图解：首先从电路图写出驱动方程为：()0110101()n n n n nD AQ D A Q Q A Q Q ⎧=⎪⎨==+⎪⎩将上式代入触发器的特征方程后得到状态方程()101110101()n n n n n n nQ AQ Q A Q Q A Q Q ++⎧=⎪⎨==+⎪⎩电路的输出方程为：01n nY AQ Q =根据状态方程和输出方程，画出的状态转换图如图题解5-2所示YA题解5-2 状态转换图综上分析可知该电路的逻辑功能为：当输入为0时，无论电路初态为何，次态均为状态“00”，即均复位；当输入为1时，无论电路初态为何，在若干CLK 的作用下，电路最终回到状态“10”。

5-3 已知同步时序电路如图(a)所示，其输入波形如图 (b)所示。

试写出电路的驱动方程、状态方程和输出方程，画出电路的状态转换图和时序图，并说明该电路的功能。

X(a) 电路图1234CLK5678X(b)输入波形 图 题 5-3图解：电路的驱动方程、状态方程和输出方程分别为：00101100011011011, ,n n n n n n n n n nJ X K X J XQ K XQ X Q XQ XQ XQ Q XQ XQ XQ Y XQ ++⎧==⎪⎨==⎪⎩⎧=+=⎪⎨⎪=+=+⎩= 根据状态方程和输出方程，可分别做出1110,n n Q Q ++和Y 的卡诺图，如表5-1所示。

实验十一时序逻辑电路的设计与测试一、实验目的1．掌握时序逻辑电路的设计原理与方法。

2．掌握时序逻辑电路的实验测试方法。

二、实验原理该实验是基于JK触发器的时序逻辑电路设计，要求设计出符合一定规律的红、绿、黄三色亮灭循环显示的电路，并且在实验板上搭建实现出来。

主要的设计和测试步骤如下：（1）根据设计的循环显示要求，列出有关Q3Q2Q1状态表；（2）根据状态表，写出各触发器的输入端J和K的状态；（3）画出各触发器的输入端J和K关于Q3Q2Q1的卡诺图；（4）确定各触发器的数软J和K的最简方程；（5）根据所得的最简方程设计相应的时序逻辑电路；（6）在实验板上，有步骤有次序的搭建实验电路，测试所设计的电路是否满足要求。

具体设计过程参见【附录二】提供的实例。

三、预习要求1．查阅附录芯片CC4027B和芯片74LS00的管脚定义。

2．阅读理论教材关于时序逻辑电路的内容，掌握实验的理论基础。

四、实验设备与仪器1．数字电路实验板（箱）；2．芯片：CC4027B；74LS00；74LS20。

五、实验内容请任意选择下列一组彩灯循环显示的任务要求，设计相应的时序电路，并搭建实验线路测试之。

1．设计任务（一）2．设计任务（二）3．设计任务（三）4．设计任务（四）5．设计任务（五）6．设计任务（六）7．设计任务（七）8．设计任务（八）六、实验报告1．根据实验内容的设计要求，完成实验时序电路的设计和测试。

2．小结时序逻辑电路的设计思路与测试方法。

3．实验的心得与体会。

七、实验注意事项1．进行实验连线的过程中，注意有步骤的接线，避免多接和漏接的情况。

2．在设计好的时序逻辑电路中，若管脚没有接任何信号，处于悬空状态，注意最好给其提供高电平信号。

3．实验结束或者改接线路时，注意断开电源，保护芯片。

八、思考题1．实验要求设计的时序电路，可否设计成异步时序逻辑电路？这相对于同步时序逻辑电路有什么不同？2．能否设计一个时序逻辑电路，若初态为“000”是一个“000—〉001—〉010—〉011”循环的加法计数器，若初态为“111”是一个“111—〉110—〉101—〉100”循环的减法计数器？试设计之。

5-1分析图所示时序电路的逻辑功能，写出电路的驱动方程、状态方程和输出方程, 画出电路的状态转换图和时序图。

解：从给定的电路图写出驱动方程为:D o (Q 0Q i n)e Q 2D i Q 01D 2 Q i nQ 01 1(Q 0Q n)eQ ；Q i n 1Q 0Q 21Q ；由电路图可知，输出方程为Z Q ；CLK将驱动方程代入D 触发器的特征方程Q n 1D ，得到状态方程为:5-1(a )所示，时序图如图题解Z图题5-1图根据状态方程和输出方程，画出的状态转换图如图题解题解5-1(a )状态转换图综上分析可知，该电路是一个四进制计数器。

5-2分析图所示电路的逻辑功能，写出电路的驱动方程、状态方程和输出方程，画出电路的状态转换图。

A 为输入变量。

解：首先从电路图写出驱动方程为：D o A& D i A Qg ：A （Q ： Q i n）将上式代入触发器的特征方程后得到状态方程Q 0 1AQ ：Q ：1 AQ 0Q ：A （Q nQ ：）电路的输出方程为：CLKQ i12345——-A1 11 t----------- 1------------ 1|| 1 » 1 1 1----------- 1 ---------- 1 --------------►CLK0 Q 2/Z 仝题解5-1（b ）时序图0 Q o 胃AY图题5-2图丫AQoQ；根据状态方程和输出方程，画出的状态转换图如图题解5-2 所示综上分析可知该电路的逻辑功能为：当输入为0时，无论电路初态为何，次态均为状态" 00”，即均复位；当输入为1时，无论电路初态为何，在若干CLK 的作用下，电路最终回到状态“10”。

5-3已知同步时序电路如图（a ）所示，其输入波形如图 （b ）所示。

试写出电路的驱动方 程、状态方程和输出方程，画出电路的状态转换图和时序图，并说明该电路的功能。

CLK 1 2345678（b ）输入波形 图题5-3图解：电路的驱动方程、状态方程和输出方程分别为:J 。

第六章时序逻辑电路时序逻辑电路简称时序电路，与组合逻辑电路并驾齐驱，是数字电路两大重要分支之一。

本章首先介绍时序逻辑电路的基本概念、特点及时序逻辑电路的一般分析方法。

然后重点讨论典型时序逻辑部件计数器和寄存器的工作原理、逻辑功能、集成芯片及其使用方法及典型应用。

最后简要介绍同步时序逻辑电路的设计方法。

6.1 时序逻辑电路的基本概念一．时序逻辑电路的结构及特点时序逻辑电路——电路任何一个时刻的输出状态不仅取决于当时的输入信号，还与电路的原状态有关。

时序电路中必须含有具有记忆能力的存储器件。

存储器件的种类很多，如触发器、延迟线、磁性器件等，但最常用的是触发器。

由触发器作存储器件的时序电路的基本结构框图如图6.1.1所示，一般来说，它由组和电路和触发器两部分组成。

1 X i X Z1 Z jÊäÈëÐźÅÐźÅÊä³ö·¢Æ÷´¥·¢ÆÐźÅÊä³öÐźÅͼ6.1.1 ʱÐòÂß¼­µç·¿òͼ二．时序逻辑电路的分类按照电路状态转换情况不同，时序电路分为同步时序电路和异步时序电路两大类。

按照电路中输出变量是否和输入变量直接相关，时序电路又分为米里（Mealy）型电路和莫尔（Moore）型电路。

米里型电路的外部输出Z既与触发器的状态Q n有关，又与外部输入X有关。

时序逻辑电路的结构时序逻辑电路是一种数字电路，其输出不仅取决于当前的输入，还与之前的输入序列有关。

这种电路主要由组合逻辑电路和存储元件组成，存储元件用来存储状态信息。

下面将从五个方面详细介绍时序逻辑电路的结构。

1.输入和输出信号时序逻辑电路具有一组输入信号和一组输出信号。

输入信号用于改变电路的状态，而输出信号则表示电路的当前状态。

与组合逻辑电路不同的是，时序逻辑电路的输出信号不仅与当前的输入信号有关，还与其内部存储的状态信息有关。

2.存储元件存储元件是时序逻辑电路的核心部分，用于存储状态信息。

常见的存储元件包括触发器和寄存器等。

触发器在特定的时钟脉冲边缘触发下，根据输入信号的变化更新内部状态；寄存器则能够保存一个二进制数位的序列，常用于实现计数器、移位器等功能。

3.逻辑门逻辑门是实现逻辑运算的电路元件，用于处理输入信号并产生输出信号。

在时序逻辑电路中，逻辑门通常与存储元件配合使用，以实现特定的功能。

常见的逻辑门有与门、或门、非门等，这些门电路能够实现基本的逻辑运算。

4.时钟信号时钟信号是时序逻辑电路中控制电路运行的关键信号。

时钟信号通常是一个周期性的脉冲信号，用于控制触发器的触发时刻和状态更新。

在同步时序逻辑电路中，所有存储元件都在同一时钟信号的控制下进行状态更新。

5.反馈信号反馈信号是指从时序逻辑电路的输出端返回的信号，用于影响电路的下一个状态。

反馈信号通常由存储元件的输出提供，并作为输入信号的一部分影响下一个状态的计算。

通过适当的反馈设计，可以实现各种复杂的时序逻辑功能，如计数器、移位器等。

时序逻辑电路是一种重要的数字电路类型，其结构包含输入和输出信号、存储元件、逻辑门、时钟信号和反馈信号等方面。

通过这些组成部分的协同工作，时序逻辑电路能够实现各种复杂的逻辑功能，并在数字系统中得到广泛应用。

了解时序逻辑电路的结构和工作原理对于设计、分析和应用数字系统具有重要意义。