数字电子技术 —— 第五章:时序逻辑电路

0、概述

一、时序逻辑电路的基本特性
时序逻辑电路(Sequential Logic Circuit)，简称为时序电路。

定义：任何时刻电路的输出，不仅和该时刻的输入信号有关，而且还取决于电路原来的状态。

特点：由存储电路和组合逻辑电路组成，与时间因素(CP) 有关。

二、时序逻辑电路的类型

按逻辑功能分：计数器、移位寄存器、读/写存储器、寄存器、顺序脉冲发生器
按电路结构分：同步时序逻辑电路、异步时序逻辑电路

信号输出特性：Mealv型时序逻辑电路、Moore型时序逻辑电路
同步时序逻辑电路：所有触发器的时钟端连在一起，所有触发器在同一个时钟脉冲 CP控制下同步工作。
异步时序逻辑电路：时钟脉冲 CP只触发部分触发器，其余触发器由电路内部信号触发。因此，触发器不在同一时钟作用下同步工作。

1、时序电路的分析与设计

主要要求：
掌握时序电路的分析方法。
理解时钟方程、输出方程、驱动方程、状态方程、状态表、状态转换图和时序图等概念及分析方法。
了解时序电路的设计方法

1.1 同步时序电路的分析方法

一、基本步骤

1、写方程式:

时钟方程：各个触发器时钟信号的逻辑表达式，同步时序电路可省去不写。
输出方程：时序电路的输出逻辑表达式，通常为现态和输入变量的函数。
驱动方程：各触发器输入端的逻辑表达式

2、求状态方程

状态方程：将驱动方程代入相应触发器的特性方程所得到的方程。

3、计算，列状态表:

状态表：将电路输入和现态的各种取值组合，代入状态方程和输出方程进行计算，求出相应的次态和输出。

如现态的起始值已给定，则从给定值开始计算。如没有给定，则可设定一个现态起始值依次进行计算。

4、画状态转换图、时序图

状态转换图：指电路由现态转换到次态的示意图

时序图：在时钟脉冲CP作用下，各触发器状态变化的波形图。

5、检查电路能否“自启动”

能自启动：存在无效状态，但没有形成循环
不能自启动：存在无效状态，且形成了循环

6、电路功能说明:

逻辑功能：根据状态表或状态转换图来说明电路逻辑功能。

二、分析举例

[例1]分析下图时序电路的逻辑功能

解:这是时钟 CP下降沿触发的同步时序电路，分析时不必考虑时钟信号。没有外部输入，只有输出，且输出仅与现态有关，属Moore型时序电路。

电路在输入第 6 个CP 时返回初始状态，同时在Y端输出一个进位信号。之后再输入脉冲，将重复上述过程。

有效状态：有效状态构成的循环称为“有效循环”
无效状态：无效状态若构成循环称为“无效循环”

5、检查电路能否“自启动”
电路虽然存在无效状态，但没有形成循环，所以电路能自启动。即使电路由于某种原因进入无效状态，只要给足够的脉冲，就能返回到有效循环。

6、电路功能说明
该电路能对 CP 脉冲进行六进制计数，并在 Y端输出一个下降沿作为进位输出信号，为“同步六进制计数器

解:这是时钟 CP下降沿触发的同步时序电路，分析时不必考虑时钟信号。但有外部输入X，也有输出Y，且输出与现态和外部输入有关，属Mealy 型时序电路。

三、练习

1.2 异步时序电路的分析方法

在异步时序电路中，只有部分触发器由时钟脉冲 CP 触发，其它触发器由电路内部信号触发。分析异步时序电路时需写出时钟方程，并特别注意各触发器的时钟条件在何时满足，其状态方程才能使用。

5、检查电路能否“自启动”
电路存在无效状态，但没有形成循环，所以电路能自启动。
6、电路功能说明:
该电路能对 CP 脉冲进行六进制计数，并在Y端输出一个下降沿作为进位输出信号，为“异步六进制计数器。

5、检查电路能否“自启动”
电路存在无效状态，但没有形成循环，所以电路能自启动。
6、电路功能说明。
该电路能对 CP 脉冲进行五进制计数，并在 Y端输出一个下降沿作为进位输出信号，为“异步五进制计数器。

1.3时序电路的设计方法

一、基本步骤

[例5] 设计一个按自然态序变化的同步七进制加法计数器，计数规则为逢七进一，产生一个进位输出。

5、求驱动方程:
变换状态方程，使之形式与选用触发器的特性方程一致，比较后得驱动方程。

[例6] 设计一个串行数据检测电路，要求输入3个或3个以上1时，输出为1，其它情况下输出为0。

解:1、建立原始状态转换图:
确定输入变量，输出变量，电路内部状态间的关系及状态数，并进行状态赋值及状态编号。

[习题3] 设计一个按自然态序变化的同步七进制减法计数器，000减1时产生一个借位输出。

3、求驱动方程:

5、检查电路能否自启动:

解: 采用异步方案，为了直观清楚，需根据状态转换图画出对应的时序图，然后从翻转要求出发，为每个触发器选择合适的时钟信号。
选择时钟脉冲的基本原则: 凡是要翻转的触发器都能够获得相应的时钟触发沿，且触发沿越少越好。

2、计数器

主要要求:
掌握二进制计数器的工作原理、逻辑功能及使用方法。
理解常用集成二进制和十进制计数器的功能及其应用。
掌握利用集成计数器构成N进制计数器的方法。

2.1 计数器的作用与分类

一、计数器(Counter)的作用

用于累计输入时钟脉冲(CP)的个数，还常用于分频、定时、产生脉冲序列和进行数字运算，是一种Moore型时序电路。

二、计数器的分类

按数的进制分：二进制计数器、十进制计数器、N 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

按时控制分：同步计数器、异步计数器

三、计数器的计数规律

具有5个独立的状态，计满5个计数脉冲后，电路状态自动进入循环，故为五进制计数器。

计数的最大数目称为计数器的“模”，用M 表示。模也称为“计数长度”或“计数容量”
五进制计数器也称模5计数器;十进制计数器则为模10计数器:3位二进制计数器为模8计数器。

2.2 二进制计数器

一、二进制同步加法计数器

设计方法一:按前述同步时序电路的设计步骤进行
设计方法二:按计数规律进行级联。

二、二进制同步减法计数器

设计方法一:按前述同步时序电路的设计步骤进行
设计方法二:按计数规律进行级联

三、二进制同步可逆计数器

在加减控制信号管理下，把二进制同步加法计数器和减法计数器组合起来，便可获得二进制同步可逆计数器。

四、集成二进制同步计数器

1、集成4 位同步二进制加法计数器 74LS161 和74LS163

2、集成 4 位同步二进制可逆计数器 74LS191(单时钟）

3、集成4 位同步二进制可逆计数器 74LS193 (双时钟）

五、二进制异步加法计数器

[例8] 设计一个3位二进制异步加法计数器

解: 根据状态转换图画出对应的时序图，然后从翻转要求出发，为每个触发器选择合适的时钟信号。
选择时钟脉冲的基本原则: 凡是要翻转的触发器都能够获得相应的时钟触发沿，且触发沿越少越好

2、求驱动方程
变换状态方程，使之形式与选用触发器的特性方程一致，比较后得驱动方程。

4、检查电路能否自启动:

电路没有无效状态，所以能自启动

六、二进制异步减法计数器

[例9] 设计一个3位二进制异步减法计数器。

2、求驱动方程:
变换状态方程，使之形式与选用触发器的特性方程一致，比较后得驱动方程。

七、集成二进制异步计数器

2.3 十进制计数器

一、十进制制同步计数器

1、十进制同步加法计数器

例10] 设计一个十进制同步加法计数器，要求电路按8421BCD码进行加法计数。

2、求驱动方程:
变换状态方程，使之形式与选用触发器的特性方程一致，比较后得驱动方程。

2、十进制同步减法计数器(设计过程略)

例11] 设计一个十进制同步减法计数器，要求电路按8421BCD码进行递减计数。

3、十进制同步可逆计数器

(3)在4位二进制(十六进制) 同步可逆计数器的基础上，通过修改驱动逻辑和输出逻辑，可以获得单时钟或双时钟2种类型的可逆计数器。

4、集成十进制同步计数器

(1)集成十进制同步加法计数器 74LS160 和 74LS162

2、集成十进制同步可逆计数器 74LS190(单时钟）

3、集成十进制同步可逆计数器 74LS192 (双时钟）

二、十进制异步计数器

1、十进制异步加法计数器

[例12] 设计一个十进制异步加法计数器，要求电路按8421BCD码进行加法计数。

2、十进制异步减法计数器

例13] 设计一个十进制异步减法计数器，要求电路按8421BCD码进行递减计数。

3、集成十进制异步计数器

二-五-十进制异步计数器 74LS290

2.4 N 进制计数器

一、利用同步清零端或置数端设计

1、利用同步清零端获得 N 进制计数器

例14]试用4位二进制计数器74LS163(清零端)构成十二进制计数器。
解:74LS163的清零端和置数端均为同步方式;计数器的功能是统计输入脉冲CP的个数，要构成十二进制计数器需输入12个CP(上升沿)

2、利用同步置数端获得 N 进制计数器

[例15]试用4位二进制计数器74LS163(置数端构成十二进制计数器。

二、利用异步清零端或置数端设计

1、利用异步清零获得 N 进制计数器

例16]试用4位二进制计数器 74LS161(清零端构成十二进制计数器。

解:74LS161的清零采用异步方式，而置数采用同步方式

2、利用异步置数端获得 N 进制计数器

例17]试用74LS197(置数端构成十二进制计数器

解:74LS197是一个二-八- 十六进制异步加法计数器，需注意脉冲端的连接方式。清零和置数均采用异步方式。

例18] 试用74LS290 构成九进制计数器。
解:74LS290是一个二-五-十进制异步计数器，需注意脉冲端的连接方式。有异步清0和异步置9功能

反馈法构成N 进制计数器小结：

三、集成计数器容量的扩展

1、集成计数器级联扩展容量

[例19]由两片74LS161 级联组成 256 进制(8位二进制同步加法计数器。

例20]用两片74LS290 级联组成100 进制异步加法计数器

2、级联获得大容量N 进制计数器

例20]用两片74LS161 构成60 进制加法计数器

解:先将两片74LS161 级联组成256进制加法计数器，再用反馈清零法或反馈置数法获得60进制加法计数器。

方法三(1):先将个位片构成十进制计数器，十位片构成六进制计数器，再进行串联。(采用清零端）

方法三(2):先将个位片构成十进制计数器，十位片构成六进制计数器，再进行串联。(采用置数端）

方法三(3): 先将个位片构成十进制计数器，十位片构成六进制计数器，再使用CO端进行串联。(采用置数端）

例21]用两片74LS160构成60 进制加法计数器
解:先将两片74LS160级联组成100进制加法计数器，再用反馈清零法或反馈置数法获得60进制加法计数器。

注意: 74LS160 与 74LS161 都是采用异步清零，同步置数方式，但74LS160 是十进制数加法计数器，采用8421编码，在写状态对应代码，要转换为8421代码。

3、寄存器

主要要求：
掌握基本寄存器和移位寄存器的工作原理、逻辑功能及使用方法
了解集成移位寄存器的应用。

3.1 寄存器的作用与分类

一、寄存器(Register)的概念

寄 存 ：把二进制数据或代码暂时存储起来
寄存器：具有寄存功能的电路

二、寄存器的特点

1.主要由触发器构成，一般不对存储内容进行处理
2.每个触发器只能记忆一位二进制信息，如果存放 n 位二进制信息，则需要 n 个触发器。

三、寄存器的分类

按功能分：基本寄存器：并入并出
移位寄存器：并入并出、并入串出、串入并出、串入串出
按开关元件分：TTL 寄存器、CMOS寄存器

3.2 基本寄存器

一、4 边沿D触发器

二、集成4 位D寄存器74LS175

3.3 移位寄存器

寄存器中的数码在移位脉冲的作用下依次向左或向右移动。

1.单向移位寄存器：左移寄存器、右移寄存器
2.双向移位寄存器

一、单向移位寄存器

1、右移寄存器

2、左移寄存器

3、集成移位寄存器(8位右移寄存器74LS164)

4、集成4位双向移位寄存器 74LS194

3.4 移位寄存器型计数器

若把移位寄存器的输出以一定方式反馈到串行输入端，则可以得到一些电路连接简单、编码别具特色的移位寄存器型计数器。

一、环形计数器

1、电路组成

3、能自启动的环形计数器

二、扭环计数器

三、集成5 位扭环计数器(十进制计数/分配器) CC4017

4、顺序脉冲发生器

主要要求：
了解顺序脉冲发生器的特点及产生原理
掌握移位型顺序脉冲发生器的工作原理
理解MSI构成顺序脉冲发生器的工作原理

顺序脉冲发生器:
1.在数字电路中，能按一定时间、一定顺序轮流输出脉冲波形的电路称为顺序脉冲发生器。
2.顺序脉冲发生器也称为脉冲分配器和节拍脉冲发生器，一般由计数器和译码器组成。
3.顺序脉冲发生器可分为“计数型”和“移位型”2类

4.1 计数型顺序脉冲发生器

一般由按自然态序计数的二进制计数器和译码器构成

4.2 移位型顺序脉冲发生器

由按非自然态序计数的移位寄存器型计数器和译码器构成

一、由环形计数器构成

二、由扭环计数器构成(略）

4.3用MSI构成顺序脉冲发生器

例22] 使用双向移位寄存器74LS194 构成左移顺序脉冲发生器。

[例23]用双向移位寄存器74LS194 构成七进制扭环计数器

[例24]用双向移位寄存器74LS194 构成六进制扭环计数器

[例25]使用集成计数器74LS163和3线-8线译码器74LS138构成8输出顺序脉冲发生器。

5、本章小结

时序逻辑电路由触发器和组合逻辑电路组成。时序电路的输出不仅与输入有关，而且还与电
路原来的状态有关。时序电路的工作状态由触发器存储和表示。

时序电路按时钟控制方式不同分为同步时序电路和异步时序电路

描述时序电路逻辑功能的方法有逻辑图、输出方程、驱动方程、状态方程、状态表、状态转换图和时序图等。

时序电路分析的关键是求出状态方程和状态表/状态转换图，然后分析时序逻辑电路的功能。

时序电路设计的关键是根据设计要求写出原始状态编码表/时序图，然后用卡诺图求出输出方程、状态方程、驱动方程，并画出逻辑图

计数器用于记录输入脉冲的个数。按计数进制分有:二进制计数器、十进制计数器和N进制计数器;按计数增减分有:加法计数器、减法计数器和可逆计数器;按触发器翻转是否同步分有:同步计数器和异步计数器。计数器除了用于计数外，还常用于分频、定时等。

集成计数器功能完善、使用方便灵活。功能表是其正确使用的依据。利用集成计数器可很方便地构成N进制计数器，其主要方法为:

寄存器主要用以存放数码。移位寄存器不但可存放数码，还能对数码进行移位操作。移位寄存器有单向和双向移位寄存器。集成移位寄存器使用方便、功能全、输入和输出方式灵活。移位寄存器常用于实现数据的串/并行转换，构成环形计数器、扭环计数器和顺序脉冲发生器等