第四章同步时序逻辑电路

同步和异步时序逻辑电路的原理
同步时序逻辑电路和异步时序逻辑电路是数字电路中常见的两种
设计方式。

同步时序逻辑电路的设计原理是基于时钟信号，即在设计电路中
需要引入一个时钟信号作为同步时序电路的控制信号。

同步电路中各
个逻辑门的输入信号只能在时钟上升沿之前稳定，而在时钟上升沿后，所有逻辑门输出信号也都会变成稳定的。

同步电路的时钟控制能够确
保电路的正确性，并且在同步时序电路中，设计师只需要考虑时序问题，简化了设计流程。

异步时序逻辑电路则没有时钟信号控制。

其设计原理是基于信号
的时序间隔，该电路中每一个逻辑门的输入信号在数学“连续性”的
要求下改变其状态，没有同步电路中严格的时钟同步。

异步电路跨越
时序间隔的时间存在一定的延迟，需要设计者考虑信号传播的速度和
稳定性等问题，所以相对来说设计复杂度较高。

综上所述，同步时序逻辑电路和异步时序逻辑电路分别适用于不
同的应用场景，设计时需要根据具体情况进行选择。

同步时序逻辑电路设计的一般步骤
设计同步时序逻辑电路的一般步骤如下：
1. 确定问题需求：明确电路的功能和性能要求，了解电路所需的输入和输出信号。

2. 分析问题需求：分析输入信号的特性和逻辑关系，了解所需实现的逻辑功能。

3. 确定电路的逻辑结构：根据问题需求，确定所需逻辑模块（如触发器、计数器、状态机等）的类型和数量，并确定它们之间的连接关系。

4. 设计逻辑电路图：根据确定的逻辑结构和所需逻辑功能，绘制逻辑电路图，包括逻辑模块的输入输出端口和信号线的连接方式。

5. 进行逻辑时序设计：根据问题需求，确定逻辑元件的时序性质，如时钟频率、延迟要求等，以及逻辑元件的输入输出关系。

6. 进行逻辑优化：分析设计电路的性能指标和优化需求，可尝试对电路进行逻辑简化、速度优化或面积优化等。

7. 进行电路模拟验证：使用电路模拟器对设计的电路进行验证，确保电路的功能和性能满足设计要求。

8. 进行电路布局布线：将设计的逻辑电路转化为物理电路，在
布局设计中，要考虑电路布局的最小化、布线的最短路径和最小功耗等因素。

9. 进行静态时序分析：进行静态时序分析，检查电路中的时序相关问题，如时钟走时、数据到达时间等，以确保电路的正确性和稳定性。

10. 进行时序验证和测试：对设计的电路进行时序验证和测试，以确保电路的功能和性能满足设计要求。

11. 进行电路仿真和验证：通过仿真和验证，确认电路的正确
性和性能，以便进一步进行优化和改进。

12. 进行后续维护和优化：根据实际应用情况，进行电路的后
续维护和优化，以适应新的功能需求或改进电路的性能。

时序逻辑电路的设计，就是从给定的逻辑功能入手，通过一系列的设计过程，最终得到电路的实现方案，即逻辑电路图。

当然，最终得到的时序电路也分两种，即同步时序电路和异步时序电路。

一般来讲，完成相同的逻辑功能，异步时序电路的整体结构要比同步时序电路简单一些，但是，其设计过程也明显较后者复杂，难以掌握。

组合逻辑电路的设计过程，基本可看做分析的逆过程，类似的，同步时序路的设计过程和分析过程之间，也有互逆的特点。

★ 同步时序逻辑电路的设计步骤◆ 逻辑抽象根据逻辑要求，进行逻辑抽象，明确该电路的状态量的含义，并确定输入、输出变量和状态数；根据电路的逻辑功能，明确状态迁移关系，从而建立原始状态图。

此过程中，重点在于找到电路的状态量，理解其含义。

◆ 状态化简在原始状态图中，若两个电路状态在相同的输入条件下，得到相同的次态结果和输出结果（即状态迁移关系相同），就称这两个状态为等价状态。

显然，等价状态是可以合并的，合并后，得到该电路的最简状态图。

◆ 状态编码根据最简状态图中，状态的数量，确定需要使用的触发器的数量，并用二进制代码表示各个状态，即对状态进行编码。

至此，最初的设计要求已完全数学化，得到了一个完全数学化的状态图。

设最简状态图中，状态个数为 ，需要使用的触发器个数为，则两者数量关系上满足： 。

同时，如果 ，则意味着是从 种状态中选取 个，对电路的状态图进行赋值，这样的选择方案是不唯一的。

如果选择的编码方案得当，则可以很大程度上简化设计过程和最终得到的电路结构，反之，如果选择不当，设计出来的电路就会比较复杂。

因此，选择编码方案是有一定技巧性的。

此外，这也意味着电路存在无效状态，那么，设计完成后，需要检查电路的自启动能力。

◆ 推导逻辑表达式根据编码后的状态图，得到逻辑表达式，即电路的输出方程和触发器的状态方程。

n n M 221≤<-n M 2≠n 2M n M这一步工作中，一般是将状态图转化为表示输出信号和次态的卡诺图，并进行卡诺图法化简，从而得到对应的输出方程和状态方程。

同步时序逻辑电路设计的一般步骤1.确定需求：首先，需要明确电路的功能和性能需求。

这包括输入和输出的规格，时钟频率，输入和输出的时序关系以及其他约束条件。

2.确定设计规范：根据需求，制定电路设计的一般规范，包括数据通路、控制器、状态机等的规范。

这些规范有助于设计过程的准确性和一致性。

3.划分功能模块：将整个电路设计划分为不同的功能模块，每个模块负责实现一个具体的功能。

根据设计规范，确定各个模块的边界和功能。

4.设计每个功能模块：对于每个功能模块，进行详细的设计。

这包括选择适当的逻辑元件，如逻辑门、触发器等，进行逻辑电路设计。

根据需要，可能需要使用编码器、解码器、计数器等组件。

5.进行时序分析：对于整个电路，进行时序分析以确保时序正确性。

这包括设计验证、时序约束分析、时钟域划分和检查等步骤。

时序分析可通过模拟、仿真或形式化验证实现。

6.进行综合与布局布线：将设计转化为物理实现。

这包括综合工具的使用，将设计转换为标准单元表述。

然后进行布局布线，将标准单元放置在芯片上，并通过金属线端口互连。

这个过程需要综合工具和布局布线工具的支持。

7.进行时序优化：根据实际硬件资源和时序约束，对设计进行优化。

目标是满足时序要求并最小化资源使用。

优化方法包括逻辑重写、时钟树优化、功耗优化等。

8.进行后仿真和验证：对设计进行后仿真和验证，以确保设计的正确性和功能性。

这可以通过模拟或仿真来完成。

如果发现问题或错误，需要进行相应的调整和修改。

9.实现和测试：将优化后的设计转化为实际的电路板或芯片。

然后进行测试和验证以确保设计的正确性、可靠性和性能。

10.文档编写和更新：为了方便后续的维护和理解，对设计过程进行文档编写。

这包括设计规范、电路原理图、时序约束、布局布线规则等的文档。

同时，需要根据实际使用情况对设计进行更新和维护。

总之，同步时序逻辑电路设计是一个系统性的过程，涉及到多个步骤和环节。

这些步骤的顺序和重要性可能会因实际情况而有所不同，但总体原则是确保设计的正确性、功能性和可靠性。

数字电子技术基础第四章习题及参考答案第四章习题1．分析图4-1中所示的同步时序逻辑电路，要求：（1）写出驱动方程、输出方程、状态方程；（2）画出状态转换图，并说出电路功能。

CPY图4-12．由D触发器组成的时序逻辑电路如图4-2所示，在图中所示的CP脉冲及D作用下，画出Q0、Q1的波形。

设触发器的初始状态为Q0=0，Q1=0。

D图4-23．试分析图4-3所示同步时序逻辑电路，要求：写出驱动方程、状态方程，列出状态真值表，画出状态图。

CP图4-34．一同步时序逻辑电路如图4-4所示，设各触发器的起始状态均为0态。

（1）作出电路的状态转换表；（2）画出电路的状态图；（3）画出CP作用下Q0、Q1、Q2的波形图；（4）说明电路的逻辑功能。

图4-45．试画出如图4-5所示电路在CP波形作用下的输出波形Q1及Q0，并说明它的功能（假设初态Q0Q1=00）。

CPQ1Q0CP图4-56．分析如图4-6所示同步时序逻辑电路的功能，写出分析过程。

Y图4-67．分析图4-7所示电路的逻辑功能。

（1）写出驱动方程、状态方程；（2）作出状态转移表、状态转移图；（3）指出电路的逻辑功能，并说明能否自启动；（4）画出在时钟作用下的各触发器输出波形。

CP图4-78．时序逻辑电路分析。

电路如图4-8所示：（1）列出方程式、状态表；（2）画出状态图、时序图。

并说明电路的功能。

1C图4-89．试分析图4-9下面时序逻辑电路：（1）写出该电路的驱动方程，状态方程和输出方程；（2）画出Q1Q0的状态转换图；（3）根据状态图分析其功能；1B图4-910.分析如图4-10所示同步时序逻辑电路，具体要求：写出它的激励方程组、状态方程组和输出方程，画出状态图并描述功能。

1Z图4-1011．已知某同步时序逻辑电路如图4-11所示，试：（1）分析电路的状态转移图，并要求给出详细分析过程。

（2）电路逻辑功能是什么，能否自启动？（3）若计数脉冲f CP频率等于700Hz，从Q2端输出时的脉冲频率是多少?CP图4-1112．分析图4-12所示同步时序逻辑电路，写出它的激励方程组、状态方程组，并画出状态转换图。

自我测验题1．图T4.1所示为由或非门构成的基本SR锁存器，输入S、R的约束条件是。

A．SR=0B．SR=1C．S+R=0D．S+R=1QG22QRS图T4.1 图T4.22．图T4.2所示为由与非门组成的基本SR锁存器，为使锁存器处于“置1”状态，其RS⋅应为。

A．RS⋅=00C．RS⋅=10D．RS⋅=113．SR锁存器电路如图T4.3所示，已知X、Y波形，判断Q的波形应为A、B、C、D 中的。

假定锁存器的初始状态为0。

XYXYABCD不定不定（a）(b)图T4.34．有一T触发器，在T=1时，加上时钟脉冲，则触发器。

A．保持原态B．置0C．置1D．翻转5．假设JK触发器的现态Q n=0，要求Q n+1=0，则应使。

A．J=×，K=0B．J=0，K=×C．J=1，K=×D．J=K=16．电路如图T4.6所示。

实现AQQ nn+=+1的电路是。

4 时序逻辑电路习题解答63A AA AA ．B ．C ．D ．图T4.67．电路如图T4.7所示。

实现n n Q Q =+1的电路是 。

CPCPCPA ．B ．C ．D ．图T4.78．电路如图T4.8所示。

输出端Q 所得波形的频率为CP 信号二分频的电路为 。

1A ． B ． C ．D ．图T4.89．将D 触发器改造成T 所示电路中的虚线框内应是 。

TQ图T4.9A ．或非门B ．与非门C ．异或门D ．同或门 10．触发器异步输入端的作用是 。

A ．清0 B ．置1 C ．接收时钟脉冲 D ．清0或置1 11．米里型时序逻辑电路的输出是 。

A ．只与输入有关B ．只与电路当前状态有关C ．与输入和电路当前状态均有关D ．与输入和电路当前状态均无关12．摩尔型时序逻辑电路的输出是 。

A ．只与输入有关 B ．只与电路当前状态有关C ．与输入和电路当前状态均有关D ．与输入和电路当前状态均无关13．用n 只触发器组成计数器，其最大计数模为 。

数字电路第四章答案【篇一：数字电路答案第四章时序逻辑电路2】p=1，输入信号d被封锁，锁存器的输出状态保持不变；当锁存命令cp=0，锁存器输出q?d，q=d；当锁存命令cp出现上升沿，输入信号d被封锁。

根据上述分析，画出锁存器输出q及 q的波形如习题4.3图（c）所示。

习题4.4 习题图4.4是作用于某主从jk触发器cp、j、k、 rd及 sd 端的信号波形图，试绘出q端的波形图。

解：主从jk触发器的 rd、且为低有效。

只有当rd?sd?1 sd端为异步清零和复位端，时，在cp下降沿的作用下，j、k决定输出q状态的变化。

q端的波形如习题4.4图所示。

习题4.5 习题4.5图（a）是由一个主从jk触发器及三个非门构成的“冲息电路”，习题4.5图（b）是时钟cp的波形，假定触发器及各个门的平均延迟时间都是10ns，试绘出输出f的波形。

cpf cp100ns10nsq（a）f30ns10ns（b）（c）习题4.5图解：由习题4.5图（a）所示的电路连接可知：sd?j?k?1，rd?f。

当rd?1时，在cp下降沿的作用下，且经过10 ns，状态q发生翻转，再经过30ns，f发生状态的改变，f?q。

rd?0时，经过10ns，状态q=0。

根据上述对电路功能的分析，得到q和f的波形如习题4.5图（c）所示。

习题4.6 习题4.6图（a）是一个1检出电路，图（b）是cp及j端的输入波形图，试绘出 rd端及q端的波形图（注：触发器是主从触发器，分析时序逻辑图时，要注意cp=1时主触发器的存储作用）。

cpj（a）qd（c）cp j（b）习题图解：分析习题4.6图（a）的电路连接：sd?1,k?0,rd?cp?q；分段分析习题4.6图（b）所示cp及j端信号波形。

（1）cp=1时，设q端初态为0，则rd?1。

j信号出现一次1信号，即一次变化的干扰，且k=0，此时q端状态不会改变；（2）cp下降沿到来，q端状态变为1，rd?cp，此时cp=0，异步清零信号无效；（3）cp出现上升沿，产生异步清零信号，使q由1变为0，在很短的时间里 rd又恢复到1；（4）同理，在第2个cp=1期间，由于j信号出现1信号，在cp下降沿以及上升沿到来后，电路q端和 rd端的变化与（2）、（3）过程的分析相同，其波形如习题4.6图（c）所示。

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。

解：分析习题4.3图（a ）所示的锁存器逻辑图，当锁存命令CP =1，输入信号D 被封锁，锁存器的输出状态保持不变；当锁存命令CP =0，锁存器输出D Q =，Q=D ；当锁存命令CP 出现上升沿，输入信号D 被封锁。

根据上述分析，画出锁存器输出Q 及Q 的波形如习题4.3图（c ）所示。

习题4.4 习题图4.4是作用于某主从JK 触发器CP 、J 、K 、R D 及S D 端的信号波形图，试绘出Q 端的波形图。

解：主从JK 触发器的R D 、S D 端为异步清零和复位端，且为低有效。

只有当1==D D S R 时，在CP 下降沿的作用下，J 、K 决定输出Q 状态的变化。

Q 端的波形如习题4.4图所示。

习题4.5 习题4.5图（a ）是由一个主从JK 触发器及三个非门构成的“冲息电路”， 习题4.5图（b ）是时钟CP 的波形，假定触发器及各个门的平均延迟时间都是10ns ，试绘出输出F 的波形。

解：由习题4.5图（a ）所示的电路连接可知：1D ===K J S ，F R =D 。

当1D =R 时，在CP 下降沿的作用下，且经过10 ns ，状态Q 发生翻转，再经过30ns ，F 发生状态的改变，Q F =。

0D =R 时，经过10ns ，状态Q =0。

根据上述对电路功能的分析，得到Q 和F 的波形如习题4.5图（c ）所示。

习题4.6 习题4.6图（a ）是一个1检出电路，图（b ）是CP 及J 端的输入波形图，试绘出R D 端及Q 端的波形图（注：触发器是主从触发器，分析时序逻辑图时，要注意CP =1时主触发器的存储作用）。

解：分析习题4.6图（a ）的电路连接：Q CP R K S ⋅===D D ,0,1；分段分析习题习题4.6图（a ）（b ）CP J（c ）CP JQR D（a ）（b ） 100nsCP习题4.5图10ns100nsCPQF（c ）F 10ns30ns30ns4.6图（b ）所示CP 及J 端信号波形。