时序逻辑电路分析

第五章时序逻辑电路前面介绍的组合逻辑电路无记忆功能。

而时序逻辑电路的输出状态不仅取决于当时的输入信号，而且与电路原来的状态有关，或者说与电路以前的输入状态有关，具有记忆功能。

触发器是时序逻辑电路的基本单元。

本章讨论的内容为时序逻辑电路的分析方法、寄存器和计数器的原理及应用。

第一节时序逻辑电路的分析一、概述1、时序逻辑电路的组成时序逻辑电路由组合逻辑电路和存储电路两部分组成，结构框图如图5-1所示。

图中外部输入信号用X（x1，x2，…，x n）表示；电路的输出信号用Y（y1，y，…，y m）表示；存储电路的输入信号用Z（z1，z2，…，z k）表示；存储电2路的输出信号和组合逻辑电路的内部输入信号用Q（q1，q2，…，q j）表示。

图5-1 时序逻辑电路的结构框图可见，为了实现时序逻辑电路的逻辑功能，电路中必须包含存储电路，而且存储电路的输出还必须反馈到输入端，与外部输入信号一起决定电路的输出状态。

存储电路通常由触发器组成。

2、时序逻辑电路逻辑功能的描述方法用于描述触发器逻辑功能的各种方法，一般也适用于描述时序逻辑电路的逻辑功能，主要有以下几种。

（1）逻辑表达式图5-1中的几种信号之间的逻辑关系可用下列逻辑表达式来描述：Y =F(X，Q n)Z =G(X，Q n)Q n+1=H(Z，Q n)它们依次为输出方程、状态方程和存储电路的驱动方程。

由逻辑表达式可见电路的输出Y不仅与当时的输入X有关，而且与存储电路的状态Q n有关。

（2）状态转换真值表状态转换真值表反映了时序逻辑电路的输出Y、次态Q n+1与其输入X、现态Q n的对应关系，又称状态转换表。

状态转换表可由逻辑表达式获得。

（3）状态转换图状态转换图又称状态图，是状态转换表的图形表示，它反映了时序逻辑电路状态的转换与输入、输出取值的规律。

（4）波形图波形图又称为时序图，是电路在时钟脉冲序列CP的作用下，电路的状态、输出随时间变化的波形。

应用波形图，便于通过实验的方法检查时序逻辑电路的逻辑功能。

时序逻辑电路分析例题1、分析下图时序逻辑电路。

解：1、列出驱动方程：111==K J1//122Q A AQ K J +==2、列出状态方程：将驱动方程代入JK 触发器的特性方程Q K JQ Q //*+=得：/1*1Q Q =212/1//21//2/1*2Q AQ Q Q A Q Q A Q AQ Q +++=3、列出输出方程：21//2/1Q Q A Q AQ Y +=4、列出状态转换表： （1）当A=1时：根据：/1*1Q Q =；21/2/1*2Q Q Q Q Q +=；/2/1Q Q Y =得：（2）当A=0时：根据：/1*1Q Q =；2/1/21*2Q Q Q Q Q +=；21Q Q Y =得：5、画状态转换图：6、说明电路实现的逻辑功能：此电路是一个可逆4进制（二位二进制）计数器，CLK 是计数脉冲输入端，A 是加减控制端，Y 是进位和借位输出端。

当控制输入端A 为低电平0时，对输入的脉冲进行加法计数，计满4个脉冲，Y 输出端输出一个高电平进位信号。

当控制输入端A 为高电平1时，对输入的脉冲进行减法计数，计满4个脉冲，Y 输出端输出一个高电平借位信号。

2、如图所示时序逻辑电路，试写出驱动方程、状态方程，画出状态图，说明该电路的功能。

解：驱动方程⎩⎨⎧=⊕=1010K Q X J n ⎩⎨⎧=⊕=111K Q X J n 状态方程()()n n n n n n n nn nn n n n QXQ Q Q X QQ X QQ Q X Q Q X Q Q X Q 0101011001011011+=⊕=+=⊕=++1J 1K C11J 1K C11Q 0Q CPXZ=1=1=1&FF 1FF 011输出方程()01Q Q X Z ⊕=1、 状态转换表，如表所示。

状态转换图，略。

2、这是一个3进制加减计数器，当X=0时为加计数器，计满后通过Z 向高位进位；X=1时为减计数器，计满后通过Z 向高位借位；能自启动。

数字电路第6章(1时序逻辑电路分析方法)1、第六章时序规律电路本章主要内容6.1概述6.2时序规律电路的分析方法6.3若干常用的时序规律电路6.4时序规律电路的设计方法6.5时序规律电路中的竞争-冒险现象1.时序规律电路的特点2.时序规律电路的分类3.时序规律电路的功能描述方法§6.1概述一、时序规律电路的特点1、功能：任一时刻的输出不仅取决于该时刻的输入；还与电路原来的状态有关。

例:串行加法器:两个多位数从低位到高位逐位相加一、时序规律电路的特点2.电路结构①包含存储电路和组合电路，且存储电路必不行少；②存储电路的输出状态必需反馈到组合电路输入端，与输入变量共同确定组合规律的输出。

yi:输出信号xi:输2、入信号qi:存储电路的状态zi:存储电路的输入可以用三个方程组来描述：Z=G(X,Q)二、时序电路的分类1.依据存储电路中触发器的动作特点不同时序电路存储电路里全部触发器有一个统一的时钟源;触发器状态改变与时钟脉冲同步.同步：异步：没有统一的时钟脉冲，电路中要更新状态的触发器的翻转有先有后，是异步进行的。

二、时序电路的分类2.依据输出信号的特点不同时序电路输出信号不仅取决于存储电路的状态，而且还取决于输入变量。

Y=F(X,Q)米利(Mealy)型：穆尔(Moore)型：输出状态仅取决于存储电路的状态。

犹如步计数器Y=F(Q)三、时序规律电路的功能描述方法描述方法3、规律方程式状态转换表状态转换图时序图三、时序规律电路的功能描述方法(1)规律方程式：写出时序电路的输出方程、驱动方程和状态方程。

输出方程反映电路输出Y与输入X和状态Q之间关系表达式；驱动方程反映存储电路的输入Z与电路输入X和状态Q之间的关系状态方程反映时序电路次态Qn+1与驱动函数Z和现态Qn之间的关系三、时序规律电路的功能描述方法(2)状态〔转换〕表：反映输出Z、次态Qn+1和输入X、现态Qn间对应取值关系的表格。

(3)状态〔转换〕图：(4)时序图：反映时序规律电路状态转换规律及相应输入、输出取值关系的有向图形。

时序逻辑电路特点什么是时序逻辑电路？时序逻辑电路是数字电路中的一种重要类型，它是通过将逻辑门与时钟信号结合起来，实现对输入信号状态的记忆和控制。

时序逻辑电路能够对输入信号进行存储、延迟和触发，通过时钟信号的作用，在特定的时间进行功能运算和状态转换。

时序逻辑电路的基本单元时序逻辑电路的基本单元是触发器（Flip-Flop）。

触发器是一种具有两个稳定状态（0和1）的存储设备，可以将输入信号的状态在时钟信号的控制下保持不变，直到下一次时钟信号的到来。

常见的触发器有RS触发器、D触发器、JK触发器和T触发器等。

时序逻辑电路的特点1.存储能力：时序逻辑电路能够存储上一时钟周期内的输入信号状态，在下一时钟周期进行处理。

通过触发器的稳定状态保持，可以实现各种功能的状态记忆和控制。

2.时序性：时序逻辑电路在不同的时间阶段对输入信号进行处理和响应，它可以根据时钟信号的控制，在特定的时间点进行状态转换、数据传输和计算操作。

3.同步性：时序逻辑电路的操作是由外部时钟信号驱动的，同步性很强。

所有触发器的时钟输入端连接在一起，通过时钟信号的上升或下降沿，触发器的状态同时发生变化，实现电路中各部分的同步动作。

4.可插拔性：时序逻辑电路的设计灵活，可以根据具体要求进行组合和连接。

各种触发器可以根据需要的功能进行选择和应用，同时也可以通过级联和并联的方式构建复杂的时序逻辑电路。

5.实现复杂功能：时序逻辑电路可以通过组合和连接基本的触发器，实现各种复杂的功能和算法。

例如，时序逻辑电路可以用于实现计数器、移位寄存器、状态机、序列检测器等。

6.时延存在：由于时序逻辑电路中的触发器在时钟的作用下才会发生状态改变，所以在信号传输和处理过程中会引入一定的时延。

时序逻辑电路的时延是由信号传播延迟、触发器响应时间等因素决定的。

时序逻辑电路的应用时序逻辑电路广泛应用于各种数字系统和电子设备中，其特点使得它适合处理与时间相关的问题。

以下是一些常见的应用场景：1.计数器：时序逻辑电路可用于实现各种计数器，如二进制计数器、BCD计数器等。

一，特点结构分类学习指导：通过本知识点的学习，了解时序逻辑电路的结构，掌握组合逻辑电路与时序电路的区别及时序电路的分类方法。

某时刻的特定输出仅决定于该时刻的输入，而与电路原来的状态无关。

时序电路的特点数字逻辑电路按工作特点分为两大类：一类是组合逻辑电路，简称组合电路；另一类是时序逻辑电路，简称时序电路。

时序电路与组合电路的区别：如果一个电路，由触发器和组合电路组成，那么它就有能力把前一时刻输入信号作用的结果，记忆在触发器中。

这样，电路在某一给定时刻的输出不仅取决于该时刻电路的输入，而且还取决于该时刻电路的状态（触发器的状态）。

所谓时序就是电路的状态与时间顺序有密切关系，预定操作是按时间顺序逐个进行的时序电路的特点是电路在任一时刻的稳定输出，不仅取决于该时刻电路的输入，而且还与电路过去的输入有关，因此这种电路必须具有存储电路（绝大多数由触发器构成）保证记忆能力，以便保存电路过去的输入状态。

时序电路的结构时序电路的一般结构如图5-1所示,它由组合电路和存储电路两部分组成，图5-1中X(X1、X2、······X n) 代表输入信号，Z(Z1、Z2、······X m)代表输出信号，W(W1、W2、······W h )代表存储电路控制信号，Y(Y1、Y2、······Y k) 代表存储电路输出状态(时钟信号未标出)，这些信号之间的关系可以用下列三个方程(函数）表示：输出方程： Z（t n）= F[X（t n），Y（t n）] （5-1）状态方程： Y（t n+1）= G[W（t n），Y（t n）] （5-2）各触发器的输入端表达式.控制方程: W（t n）= H[X（t n），Y（t n）] （5-3）各方程中t n、t n+1表示相邻的两个离散时间Y（t n）一般表示存储电路(各触发器)输出现时的状态，简称现态，或原状态Y（t n+1）则描述存储电路下一个工作周期（来过一个时钟脉冲以后）的状态，简称次态、或新状态.∙时序电路的分类由输出方程可知，时序电路的现时输出Z（t n）决定于存储电路的现时状态Y（t n）及时序电路的现时输入X（t n）。

时序逻辑电路分析例题解：1、列出驱动方程:丿严K严1J2= K2= AQ{+A Q2、列出状态方程：将驱动方程代入JK触发器的特性方程。

=JQ1 + K'Q得: Q\ = Q\Q； = AQ[Q!2 + + A0Q3、列出输出方程：Y = AQ；Q^A,Q.Q24、列出状态转换表：(1)当A二1 时：根据：Q；=Q(； O；=a@+QQ；= Q[Qi得：(2)当A二0 时:根据：e；=Q[；6、说明电路实现的逻辑功能：此电路是一个可逆4进制(二位二进制)计数器，CLK是计数脉冲输入端，A 是加减控制端，Y是进位和借位输出端。

当控制输入端A为低电平0时，对输入的脉冲进行加法计数，计满4个脉冲，Y输出端输出一个高电平进位信号。

当控制输入端A为高电平1时，对输入的脉冲进行减法计数，计满4个脉冲，Y输岀端输出一个高电平借位信号。

2、如图所示时序逻辑电路，试写出驱动方程、状态方程，画出状态图，说明该电路的功能。

解：驱动方程J.=X®Q^{J,=X ㊉Q；；A=I k=i状态方程er* =(X ㊉0 広"=XQ；'Q'^ + XQ；l Q；；Q；r =(X ㊉Q；'= XQ；'Q；； + XQ；Q；；输出方程Z = （x㊉0也1、状态转换表，如表所示。

状态转换图，略。

2、这是一个3进制加减讣数器，当X二0时为加计数器，计满后通过Z向高位进位；X二1时为减计数器，计满后通过Z向高位借位；能自启动。

例30）,要求（1）画出状态转换图。

（2）画出时序图。

（3）说明是多少进制计数器。

答：(1)(2)时序图4、分析下图所示时序逻辑电路，写出电路的驱动方程、状态方程和输出方程, 画岀电路的状态转换图，说明电路实现的的逻辑功能。

A为输入变量。

解：(1)列写方程驱动方程：触发器的驱动方程为：D、= Q[ D2 = A㊉© ㊉Q2（2）列写方程驱动方程：触发器的特性方程为：Q"=D将驱动方程代入特性方程可得状态方程为：CLK-CPQ = D = Q{Q； = 2 = A ㊉© ㊉Q（3）列写输出方程：Y = A（Q i Q2+AQ；Q,2（4）列出状态转换表：当A二1时：根据：Q； =Q；； 0；= 00+00；Y = Q\Q1得:当A=0时:根据：Q： = Q；；Y = 得:（5）画状态转换图:（6）说明电路实现的逻辑功能：（2分）此电路是一个可逆4进制计数器，CLK是计数脉冲输入端，A是加减控制端，Y 是进位和借位输出端。