实验十 Moore型同步时序逻辑电路的分析与设计

同步时序逻辑电路的分析一.分析的目的：得出时序电路的逻辑功能。

二.分析的方法（步骤）：1、写方程式（1）时钟方程：CP的逻辑式（2）输出方程：时序电路输出逻辑表达式，它通常为现态的函数。

（3）驱动方程：各触发器输入端的逻辑表达式＜（4）状态方程：把驱动方程代入相应的触发器的特性方程，即可求出各个触发器次态输出的逻辑表达式。

2、列真值表；3、画状态转换图；4、画时序图；5、逻辑功能说明：由状态表归纳说明给定的时序电路的逻辑功能；6、检查电路能否自启动。

注意：常见时序电路：1）计数器：同（异）步N进制加（减）法计数器。

2）寄存器三.时序逻辑电路中的几个概念说明1. 有效状态与有效循环有效状态：在时序电路中，凡是被利用了的状态, 都称为有效状态。

有效循环：在时序电路中，凡是有效状态形成的循环，都称为有效循环。

2. 无效状态与无效循环无效状态：在时序电路中，凡是没有被利用的状态，都叫无效状态。

无效循环：在时序电路中，如果无效状态形成了循环，那么这种循环就称为无效循环。

3. 电路能自启动与不能自启动能自启动：在时序电路中，虽然存在无效状态，但是它们没有形成循环，这样的时序电路叫能够自启动的时序电路。

不能自启动：在时序电路中，既有无效状态存在, 且它们之间又形成了循环，这样的时序电路被称之为不能自启动的时序电路。

在这种电路中，一旦因某种原因使循环进入无效循环，就再也回不到有效状态了，所以，再要正常工作也就不可能了。

四.同步时序电路的分析举例CP 例1试分析如图所示的时序电路的逻辑功能解：(1)写方程式 时钟方程： 输出方程： 驱动方程：CP 0 CR CP 2 CP 丫 Q 2n Q 1nQ o nJ i QoJ 2 Q ；K o Q ； K iQ o nK 2 Q 1n状态方程：把驱动方程分别代入特性方程 JK 触发器的特性方程：Q n1JQ nKQ nQ 011J o Q o nK oQoQ ；Q o nQ 2nQ o nQ ；1J Q K 1Q ；Q ⑥Qg nQ A(6-2-4)，得状态方程:K 2Q 2n Q?Q 2n Q ：Q ； Q；J 2Q；Q 2n()Q2(2)列状态表 依次假设电路得现态Q ；Q1nQ o n，代入状态方程式和输出方程式，进行计算，求出相应得次态和输出，结果见状态表)画出状态图/1 /1 /1 /1 /10 0 0——► 0 0 1 ——► 0 1 1——► 1 1 1——► 1 1 0——► 1 0 0/0(a)有效循环110 1 0——►1 0 111(b)无效循环(4)画时序图(5)电路功能说明由状态图和时序图可知，该电路是一个6次CP 脉冲一循环的顺序发生器，又称为节拍发生器。

时序逻辑电路摩尔型和米利型时序逻辑电路是数字电路中一种重要的电路类型，用于实现各种复杂的计算和控制功能。

在时序逻辑电路中，电路的输出不仅取决于当前输入信号，还取决于该信号的先前状态。

本文将重点介绍时序逻辑电路中的两种常见类型：摩尔型和米利型。

一、摩尔型时序逻辑电路摩尔型时序逻辑电路是一种常见的时序逻辑电路类型，其设计基于摩尔触发器。

摩尔触发器是一种具有存储功能的电路元件，可以存储一位二进制数字，并在时钟信号的控制下改变其状态。

基于摩尔触发器，我们可以构建各种复杂的时序逻辑电路。

在摩尔型时序逻辑电路中，时钟信号起着非常重要的作用。

时钟信号会定期触发摩尔触发器的状态改变，从而使得整个电路按照一定的时间序列工作。

通过合理地设置时钟频率和时序逻辑电路的设计，我们可以实现各种时序逻辑功能，如计数器、时序比较器等。

摩尔型时序逻辑电路有许多优点。

它具有较高的抗噪声能力。

由于时钟信号的存在，摩尔型时序逻辑电路对输入信号的抖动和噪声具有一定的容忍度。

由于时钟信号的同步约束，摩尔型时序逻辑电路可以更容易地进行时序分析和验证。

摩尔型时序逻辑电路在面积和功耗方面通常比米利型时序逻辑电路更优秀。

然而，摩尔型时序逻辑电路也存在一些限制。

由于时钟信号的存在，摩尔型时序逻辑电路的工作速度较慢。

在大规模集成电路中，时钟分布和时钟抖动可能会导致时序逻辑电路的性能问题。

摩尔型时序逻辑电路在一些特殊应用场景下可能无法满足需求，如高速数据传输等。

二、米利型时序逻辑电路米利型时序逻辑电路是一种相对较新的时序逻辑电路类型，其设计基于米利触发器。

米利触发器是一种时序逻辑电路元件，可以将输入信号的状态变化保存在存储单元中，并在时钟信号的控制下改变输出信号的状态。

与摩尔型时序逻辑电路相比，米利型时序逻辑电路具有更高的速度和更低的功耗。

在米利型时序逻辑电路中，存储单元采用动态存储器或双稳态存储器，能够在非时钟边沿时实现状态的改变，从而提高了时序逻辑电路的工作速度。

同步时序逻辑电路设计的教学方法探讨摘要：本文对“数字逻辑”课程中同步时序逻辑电路设计的教学方法进行了探讨，提出了根据二进制状态表导出激励函数的行之有效的简化方法及卡诺图的变换。

关键词：数字逻辑，同步时序逻辑电路，卡诺图一、引言作为功能部件级的逻辑电路设计的教学，难度最大的莫过于时序逻辑电路了。

对于难点的教学，力求在讲述过程上有一个清晰的思路，教给学生一个简单有效的设计方法，尽量避免烦琐的推导和计算。

本文就设计过程中的“由给定的二进制状态表确定触发器的激励函数和输出函数”的一个环节来说明这个问题。

二、根据二进制状态表求指定触发器激励表的简化方法这个环节通常是用触发器的激励表来转换的。

这种转换无疑对熟练激励表的应用有好处，但繁琐的转换工作增加了很多工作量，降低了设计工作的效率，不利于教学任务进度的完成。

例如，在给出的二进制状态表的情况下，用触发器的激励表的转换，求出选用J -K 触发器时的激励函数和输出函数表达式就比较麻烦。

设二进制状态表如下表1所示，J -K 触发器的激励表如表2所示。

因为给出的状态表有4个状态，它需要2个J -K 触发器。

要求的激励函数有J 2、K 2、J 1、K 1等4个，一个输出函数1个Z ，总共需要画5个卡诺图来求解。

由于输出函数与激励表无关，可直接根据状态表填出3变量卡诺图求解：观察输出函数Z 的卡诺图，它就是按状态表的行列顺序直接填写的，具有很强的直观性。

根据这个卡诺图可求出输出函数表达式为：112xy y y Z +=求激励函数J 2、K 2、J 1、K 1的表达式则需要根据状态表和激励表按步骤填写。

一、求J 2、K 2时，在状态表中只保留y 2和y 2n+1的对应状态，求J 1、K 1时则保留y 1和y 1n+1的对应状态列，保留后的状态表如表3和表4所示。

二、根据表2（激励表）和表3（或表4）填写求J 2、K 2（或J 1、K 1）的卡诺图。

如图2所示。

这样，根据图2所示的卡诺图，激励函数才能求出来：x J 2=2y ；x K 2= ；1J 1= ；1K 1=当然，二进制状态表的现态排列秩序必须按格雷码排列，如本例按00、01、11、10排列，否则在填写卡诺图前须先作好格雷码排列。

实验十Moore型同步时序逻辑电路的分析与设计一．实验目的：1.同步时序逻辑电路的分析与设计方法2.掌握时序逻辑电路的测试方法。

二．实验原理：1.Moore同步时序逻辑电路的分析方法：时序逻辑电路的分析，按照电路图（逻辑图），选择芯片，根据芯片管脚，在逻辑图上标明管脚号；搭接电路后，根据电路要求输入时钟信号（单脉冲信号或连续脉冲信号），求出电路的状态转换图或时序图（工作波形），从中分析出电路的功能。

2.Moore同步时序逻辑电路的设计方法：（1）分析题意，求出状态转换图。

（2）状态分析化简：确定等价状态，电路中的等价状态可合并为一个状态。

（3）重新确定电路状态数N，求出触发器数n，触发器数按下列公式求：2n-1<N <2n（N为状态数、n为触发器数）。

（4）触发器选型（D、JK）。

（5）状态编码，列出状态转换表，求出状态方程、驱动方程。

（6）画出时序电路图。

（7）时序状态检验，当N <2n时，应进行空转检验，以免电路进入无效状态不能启动。

（8）功能仿真，时序仿真。

3.同步时序逻辑电路的设计举例：试用D触发器设421码模5加法计数器。

（1）分析题意：由于是模5（421码）加法计数器，其状态转换图如图1所示：（2）状态转换化简：由题意得该电路无等价状态。

（3）确定触发器数：根据，2n-1<N <2n，n=3。

（4）触发器选型：选择D触发器。

（5）状态编码：Q3、Q2、Q1按421码规律变化。

（6）列出状态转换表，如表1.（7）利用卡诺图如图2，求状态方程、驱动方程。

（8）自启动检验：将各无效状态代入状态方程，分析状态转换情况，画出完整的状态转换图，如图3所示，检查是否能自启动。

（9）画出逻辑图，如图4 所示。

三、实验仪器：1.示波器1台。

2.函数信号发生器1台。

3.数字万用表1台。

4.多功能电路实验箱1台；四、实验内容：1.模5（421码）（基于D触发器）加法计数器功能检验：按图4搭接电路，Cp 接单脉冲信号P+，Q3Q2Q1分别接逻辑指示灯L3L2L1，Rd----接逻辑开关K12，Sd1----、Sd2----、Sd3----分别接逻辑开关K1、K2、K3；接通电源后利用Rd----使计数器复位后，加单脉冲，观察计数器工作情况，写出时序表。

同步时序逻辑电路的设计同步时序逻辑电路是一种电路设计技术，它通过使用锁存器和触发器等特定的时钟信号来确保电路的操作在特定的时间序列内发生。

在本文中，我们将讨论同步时序逻辑电路的设计原理和流程，并通过一个实际的案例来说明如何设计一个同步时序逻辑电路。

同步时序逻辑电路的设计原理主要基于时钟信号的使用。

时钟信号是一个周期性的脉冲信号，它指示了电路中各个操作的发生时机。

同步时序逻辑电路中的数据操作只能在时钟信号的上升沿或下降沿发生，这样可以确保数据的稳定性和一致性。

1.确定需求和功能：首先，需要明确电路的需求和功能。

这包括输入输出信号的数量和特性，以及电路要实现的逻辑功能。

2.确定时钟信号：根据电路的需求和功能，确定时钟信号的频率和周期。

时钟信号的频率决定了电路操作的速度，周期决定了电路操作的时间序列。

3.确定触发器和锁存器：根据电路的需求和功能，选择适合的触发器和锁存器来实现电路的时序控制。

触发器和锁存器是存储元件，可以存储和传输电路中的数据。

4.确定逻辑门和电路结构：根据电路的需求和功能，选择适合的逻辑门来实现电路的逻辑功能。

逻辑门是将输入信号进行逻辑运算的元件，常见的逻辑门有与门、或门和非门等。

5.进行逻辑设计：根据电路的需求和功能，进行逻辑设计。

逻辑设计包括将输入信号经过逻辑门的运算得到输出信号的表达式，以及设计触发器和锁存器的实现电路。

6.进行位宽设计：根据电路的需求和功能，确定各个信号的位宽。

位宽是指信号在逻辑门和触发器中占据的位数，它决定了电路的运算和存储的精度和范围。

7.进行时序设计：根据电路的需求和功能，进行时序设计。

时序设计包括确定电路的时钟信号的频率和周期，以及电路操作在时钟信号的上升沿或下降沿发生。

8.进行电路调试：将设计好的电路进行实现和调试。

可以使用常见的电路设计软件进行仿真和验证，以确保电路的正确性和可靠性。

以上就是同步时序逻辑电路的设计原理和流程。

下面我们将通过一个实际的案例来说明如何设计一个同步时序逻辑电路。

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。

6.3 同步时序逻辑电路设计同步时序逻辑电路的设计是分析的逆过程,其任务是根据实际逻辑 问题的要求，设计出能实现给定逻辑功能的电路。

„同步时序电路分析/设计的部分步骤比较:ƒ 分析步骤(部分) ƒ 设计步骤(部分)逻辑电路图 激励方程 状态方程 输出方程逻辑电路图 激励方程状态方程(或激励表)输出方程状态(真值)表 状态图/时序图状态真值表 时序图/状态图1同步时序电路设计的一般步骤给定逻辑功能 原始状态图/表(符号化) 状态化简 状态编码→ 状态(真值)表 选触发器类型修改激励和输出方程 N能自启动?Y逻辑电路图2原始状态图/表的建立„根据给定的逻辑功能建立原始状态图和原始状态表①根据电路的输入条件和相应的输出要求,分别确定输入变量 和输出变量的含义和数目。

②找出所有可能的状态(以符号表示)，根据电路的工作过程 和规律确定状态之间的转换关系。

③根据原始状态图建立原始状态表。

„建立原始状态图没有统一的方法，但一般可以如下考虑： - 设立初始状态,然后从初始状态出发考虑在各种输入信号作用下的状态转移和输出响应。

- 根据问题中要求记忆和区分的信息去考虑设立每一个状态。

一般说来，若在某个状态下输入信号后不能用已有状态表示 时，应增加一个新的状态。

3状态化简合并等价状态，消去多余状态的过程称为状态化简. ƒ 等价状态：在相同的输入下有相同的输出，并且它们的 次态相同或次态等价。

例： 原始状态表 最后简化的状态表现态 （Sn） a b c d e f g 次态/输出（S n+1/Y） A=0 A=1 a/0 b/0 c/0 d/0 a/0 d/0 e/0 f/1 a/0 f/1 g/0 f/1 a/0 f/1 e与g 等价 d与 f 等价 删掉 g与f 现态 (Sn) a b c d e 次态/输出（S n+1/Y） A=0 a/0 c/0 a/0 e/0 a/0 A=1 b/0 d/0 d/0 d/1 d/1（状态化简有时需要经过反复多次检查）4状态编码„状态编码(或状态分配) :将每个状态用一个n位二进制代码表示。