時序邏輯電路的特點詳解

　　時序邏輯路是數(shù)字電路的一種，時序邏輯電路在邏輯功能上的特點是任意時刻的輸出不僅取決于當時的輸入信號，而且還取決于電路原來的狀態(tài)，或者說，還與以前的輸入有關(guān)。

　　時序邏輯路的結(jié)構(gòu)

　　時序邏輯電路由組合電路和存儲電路兩部分組成，通過反饋回路將兩部分連成一個整體。時序邏輯電路的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖中，X1，…，Xn為時序邏輯電路的輸入信號，又稱為組合電路的外部輸入信號；Z1，…，Zm為時序邏輯電路的輸出信號，又稱為組合電路的外部輸出信號；y1，…，ys為時序邏輯電路的“狀態(tài)”，又稱為組合電路的內(nèi)部輸入信號；Y1，…，Yr為時序邏輯電路中的激勵信號，又稱為組合電路的內(nèi)部輸出信號，它決定電路下一時刻的狀態(tài)；CP為時鐘脈沖信號，它是同步時序邏輯電路中的定時信號。

　　時序邏輯電路的狀態(tài)y1，…，ys是存儲電路對過去輸入信號記憶的結(jié)果，它隨著外部信號的作用而變化。在對電路功能進行研究時，通常將某一時刻的狀態(tài)稱為“現(xiàn)態(tài)”，記yn，簡記為y；而把在某一現(xiàn)態(tài)下，外部信號發(fā)生變化時即將到達的新的狀態(tài)稱為“次態(tài)”，記作yn+1。

　　時序邏輯電路具有如下特征：

　?、?電路由組合電路和存儲電路組成，具有對過去輸入進行記憶的功能；

　　② 電路中包含反饋回路，通過反饋使電路功能與“時序”相關(guān)；

　　③ 電路的輸出由電路當時的輸入和狀態(tài)（過去的輸入）共同決定。

　　時序邏輯電路的分類

　　一、按“功能、用途”分為：

　　1、寄存器；

　　2、計數(shù)（分頻）器；

　　3、順序（序列）脈沖發(fā)生器；

　　4、順序脈沖檢測器；

　　5、碼組變換器；

　　二、按各觸發(fā)器的“動作特性” 分為：

　　1、同步時序電路：電路中所有觸發(fā)器的狀態(tài)變化同步進行。其時鐘方程：CP1= CP2=…= CPK= CP↓（或CP↑）。即：所有CP端聯(lián)在一起，由CP信號同一有效沿觸發(fā)。

　　2、異步時序電路：

　　3、電路中根本沒有CP同步信號。

　　4、各觸發(fā)器不是用同一CP脈沖的同一有效沿觸發(fā)的。

　　三、摩爾（Moore）型和米里（Mealy）型

　　1、摩爾型：電路的輸出Yn，只取決于各觸發(fā)器的輸出Q n，而與外輸入X n無關(guān)。即：Yn＝F（Q n）。

　　2、米里型：電路的輸出Yn，不僅取決于各觸發(fā)器的輸出Q n，而且還與外輸入X n有關(guān)。即：Yn＝F（Q n，X n）。

　　四、“完全描述的”和“非完全描述的”含有K個狀態(tài)變量（K個觸發(fā)器）的時序電路，最多可描述K個不同狀態(tài)。

　　1、若電路功能必須用 個狀態(tài)來描述，則稱之為“完全描述的”（二進制的）；

　　2、若只用 個狀態(tài)中的一部分來描述，則稱之為“非完全描述的”（非二進制的）。

　　時序邏輯電路特點：

　　功能特點：電路在某采樣周期內(nèi)的穩(wěn)態(tài)輸出Y（n），不僅取決于該采樣周期內(nèi)的“即刻輸入X（n）”，而且還與電路原來的狀態(tài)Q（n）有關(guān)。（通常Q（n）記錄了以前若干周期內(nèi)的輸入情況）

　　結(jié)構(gòu)特點：除含有組合電路外，時序電路必須含有存儲信息的有記憶能力的電路：觸發(fā)器、寄存器、計數(shù)器等。

　　時序邏輯電路框圖

　　常用的時序邏輯電路

　　常用時序邏輯電路有計數(shù)器和寄存器兩種。寄存器分為數(shù)據(jù)寄存器和移位寄存器。計數(shù)器種類較多，有同步計數(shù)器、異步計數(shù)器；有二進制計數(shù)器、十進制計數(shù)器、任意進制計數(shù)器；二進制計數(shù)器又有加法計數(shù)器、減法計數(shù)器等。

　?。?）寄存器

　　數(shù)字電路中用來存放數(shù)碼或指令的部件稱為寄存器。寄存器具有以下邏輯功能：可在時鐘脈沖作用下將數(shù)碼或指令存入寄存器（稱為寫入），或從寄存器中將數(shù)碼或指令取出（稱為讀出）。由于一個觸發(fā)器只能寄存1位二進制數(shù)，要存多位數(shù)時，就得用多個觸發(fā)器。常用的有4位、8位、16位等。

　　寄存器存放和取出數(shù)碼的方式有并行和串行兩種。并行方式就是數(shù)碼各位同時從各對應(yīng)位輸入端輸入到寄存器中，或同時出現(xiàn)在輸出端；串行方式就是數(shù)碼逐位從一個輸入端輸入到寄存器中，或由一個輸出端輸出。

　　寄存器根據(jù)功能的不同可分為數(shù)碼寄存器和移位寄存器兩種。

　?。╝） 數(shù)碼寄存器：這種寄存器只有寄存數(shù)碼和清除數(shù)碼的功能。圖1所示是由D觸發(fā)器組成的4位數(shù)碼寄存器。該數(shù)碼寄存器的工作方式為并行輸入、并行輸出。

　　圖1 4位數(shù)碼寄存器

　　（b）移位寄存器：移位寄存器不僅能存放數(shù)碼而且有移位功能。根據(jù)數(shù)碼在寄存器內(nèi)移動的方向又可分為左移移位寄存器和右移移位寄存器兩種。

　　在移位寄存器中，數(shù)碼的存入或取出也有并行和串行兩種方式。

　　圖2所示是由J—K觸發(fā)器組成的4位左移移位寄存器。F0接成D觸發(fā)器，數(shù)碼由D端串行輸入；也可由d0～d3作并行輸入。從4個觸發(fā)器的Q端得到并行的數(shù)碼輸出。也可從Q3端逐位串行輸出。

　　圖2 4位左移移位寄存器

　?。?）計數(shù)器

　　因為計數(shù)器是最常用而又典型的時序邏輯電路，其分析方法即為一般時序邏輯電路的分析方法。常用計數(shù)器有多種類型，重點掌握以下幾種。

　　①二進制計數(shù)器：二進制計數(shù)器能按二進制的規(guī)律累計脈沖的數(shù)目，也是構(gòu)成其它進制計數(shù)器的基礎(chǔ)。一個觸發(fā)器可以表示l位二進制數(shù)，表示n位二進制數(shù)就得用n個觸發(fā)器。

　?。╝）異步二進制加法計數(shù)器：圖3所示邏輯電路是由4個J—K觸發(fā)器組成的4位異步二進制加法計數(shù)器。圖中各觸發(fā)器輸入端均為“1”（懸空）即計數(shù)狀態(tài)。只要有時鐘脈沖就會翻轉(zhuǎn)，但前級觸發(fā)器的輸出作為后級觸發(fā)器的時鐘脈沖，只有在前級觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)后，后級觸發(fā)器才能翻轉(zhuǎn)，故為異步計數(shù)器。其狀態(tài)真值表見圖4。

　　可見，在第16個時鐘脈沖到來后，計數(shù)器循環(huán)一周回到原態(tài)，因此也稱為十六進制計數(shù)器。其波形圖如圖5所示，由圖可知，各觸發(fā)器輸出端Q0，Q1，Q2，Q3的脈沖頻率分別為時鐘脈沖的1／2，l／4，l／8，1／16，也稱分頻器。

　　圖3 4位異步二進制加法計數(shù)器

　　圖4異步計數(shù)器狀態(tài)真值表

　　圖5 十六進制計數(shù)器波形圖

　　（b）同步二進制加法計數(shù)器：異步二進制計數(shù)器線路簡單，工作速度較慢。同步計數(shù)器工作速度較快，電路較復(fù)雜。圖6所示為同步4位二進制加法計數(shù)器的邏輯電路圖。從圖中可以看出計數(shù)脈沖同時供給各觸發(fā)器，它們的狀態(tài)變換和計數(shù)脈沖同步。圖中每個觸發(fā)器有多個J端和K端，各J端或各K端之間都是“與”邏輯關(guān)系。

　　各觸發(fā)器輸入端的邏輯表達式（驅(qū)動方程）為

　　J0=K0=1

　　J1=K1=Q0

　　J2=K2=Q1Q0

　　J3=K3= Q2Q1Q0

　　該計數(shù)器的狀態(tài)表和波形圖與異步4位二進制加法計數(shù)器相同。分析可知，n位二進制加法計數(shù)器能計的最大十進制數(shù)為2n－1。

　　圖6 同步4位二進制加法計數(shù)器的邏輯電路圖

　?、谑M制計數(shù)器：從4位二進制數(shù)碼的16種狀態(tài)中任取10種狀態(tài)，來表示1位十進制數(shù)，可有多種組合，也稱編碼。常用的編碼形式是8421加權(quán)碼，相應(yīng)的計數(shù)器稱8421十進制計數(shù)器。圖7所為同步十進制加法計數(shù)器。

　　圖7 同步十進制加法計數(shù)器

　　③集成計數(shù)器：將多個觸發(fā)器構(gòu)成的計數(shù)器做在一塊中規(guī)模芯片上構(gòu)成集成計數(shù)器，用它可構(gòu)成所需模數(shù)的各種計數(shù)器。

　?、苡弥幸?guī)模集成計數(shù)器組成任意進制計數(shù)器，通常有兩種方法：

　?。╝）反饋復(fù)位法（或稱反饋“清0”法）：它是利用中規(guī)模組件進行正常計數(shù)，當計數(shù)器達到N進制進位要求時，形成復(fù)位脈沖，并用此脈沖反饋到組件的異步復(fù)位（/）端，使計數(shù)器復(fù)位（“清0”），實現(xiàn)N進制計數(shù)功能。

　?。╞）反饋置數(shù)法（或稱反饋預(yù)置法）：根據(jù)74LSl6l等通用計數(shù)器的功能，可將任意狀態(tài)譯碼后反饋到置數(shù)命令端（），并在下一個脈沖時給計數(shù)器并行輸入0000～1111之間的任意一個狀態(tài)，從而實現(xiàn)任意計數(shù)方法的N進制計數(shù)器。例如當計數(shù)器計到1001時發(fā)出反饋信號給，下一個脈沖將計數(shù)器置成0100，于是計數(shù)器便成為六進制計數(shù)器，其狀態(tài)由0100到1001循環(huán)變化。這種方法稱反饋預(yù)置法。