1、第五模塊：時序邏輯電路一、本模塊學習目標1、掌握時序邏輯電路的特點；2、熟練掌握時序邏輯電路的分析與設計方法；3、掌握同步和異步的二十進制計數器的構成方法和工作原理；4、熟練掌握中規模集成芯片，運用“反饋歸零法”、“反饋置數法”、“反饋置最小數法”和“級聯法”等四種方法構成“N進制計數器”。二、本模塊重難點內容1、時序邏輯電路在邏輯功能和電路結構上的特點，以及時序邏輯電路邏輯功能的描述方法。2、同步時序邏輯電路的分析方法和設計方法。3、幾種常見中規模集成時序邏輯電路的邏輯功能和使用方法（會讀功能表，掌握擴展接法及任意進制計數器的構成方法等）。三、本模塊問題釋疑1、時序邏輯電路由哪幾部分組成？它

2、和組合電路的區別是什么？答：時序邏輯電路由組合電路和存儲電路兩部分組成。組合邏輯電路在任一時刻的輸出信號僅與當時的輸入信號有關；而時序邏輯電路還與電路原來的狀態有關。時序電路可分為同步時序電路和異步時序電路兩大類。2、描述時序電路邏輯功能的方法有哪幾種？答：描述時序電路邏輯功能的方法有：狀態方程、驅動方程、輸出方程、狀態表、狀態圖和時序圖。3、什么是狀態表、狀態圖、時序圖？答：反映時序邏輯電路的輸出Z、次態Qn+1和電路的輸入X，現態Qn間對應取值關系的表格稱為狀態表。反映時序邏輯電路狀態轉換規律及相應輸入、輸出取值關系的圖形稱為狀態圖。時序圖即時序電路的工作波形圖。4、 狀態圖怎樣構成？答：

3、在狀態圖中，圓圈及圈內的字母或數字表示電路的各個狀態，連線箭頭表示狀態轉換的方向（由現態到次態）。標在連線一側的數字表示狀態轉換前輸入信號的取值和輸出值。例如已知狀態表，請作出狀態轉換圖。答：其對應的狀態轉換圖如下：5、存儲電路的作用？答：由于時序邏輯電路在任一時刻的輸出信號不僅與當時的輸入信號有關，而且還與電路原來的狀態有關，因此，時序邏輯電路中必須存儲電路，由它將某一時刻之前的電路狀態保存下來。6、 時序邏輯電路的特點？解：時序邏輯電路的特點如下：a) 時序邏輯電路由組合電路和存儲電路組成。b) 時序邏輯電路中存在反饋，因而電路的工作狀態與時間因素相關，即時序電路的輸出由電路的輸入和電路原

4、來的狀態共同決定。7、 分析比較同步時序電路和異步時序電路？答：同步時序電路：電路中的觸發器均用一個時鐘脈沖，在它的統一控制下，各觸發器同時翻轉，工作的速度較快。異步時序電路：電路中存在多個時鐘信號，分別控制不同的觸發器，因此，各觸發器不是在同一時刻翻轉，時間上有先有后，工作速度較慢。8、 時序電路按輸出與輸入的關系如何分類？答：可分為米里型和莫爾型兩類。米里型電路的輸出是輸入變量和電路現狀的函數；莫爾型電路的輸出僅與電路的現態有關。9、 什么是時序邏輯電路的分析？答：根據給定的時序邏輯電路圖，通過分析，求出它的輸出Z的變化規律，以及電路狀態Q的轉換規律，進而說明該時序電路的邏輯功能和工作特性

5、。10、 列寫狀態表的方法？答：先填入電路現態Qn的所有組合狀態以及輸入信號X的所有組合狀態，然后根據輸出方程及狀態方程，逐行填入當前輸出Z的相應值，以及次態Qn+1的相應值。如下例所示：11、 什么是原始狀態圖？做圖方法？答：直接由要求實現的邏輯功能求得的狀態轉換圖叫做原始狀態圖。具體做法：a) 分析給定的邏輯功能，確定輸入變量、輸出變量及該電路應包含的狀態，并用字母SO、S1、表示這些狀態。b) 分別以上述狀態為現態，考察在每一個可能的輸入組合作用下應轉入哪個狀態及相應的輸出，便可求得符合題意的狀態圖。12、 作出原始狀態圖？設計一個串行數據檢測電路，當連續輸入3個或3個以上1時，電路的輸

6、出為1，其它情況下輸出為0。例如：輸入X輸入Y 000000001000110答：所作出的原始狀態圖如下：13、 什么是狀態等價？如何進行狀態化簡？答：所謂狀態等價，是指在原始狀態圖中，如果有兩個或兩個以上的狀態，在輸入相同的條件下，不僅有相同的輸出，而且向同一個次態轉換，則稱這些狀態是等價的。凡是等價狀態都可以合并。例如S1與S2等價，可取消S2并且將S2出發的所有連線去掉，將指向S2的連線改而指向S1。14、 指出下列原始狀態轉換圖中有否等價的狀態？答：所得原始狀態圖中，狀態S2和S3等價。因為它們在輸入為1時輸出都為1，且都轉換到次態S3；在輸入為0時輸出都為0，且都轉換到次態S0。所以

7、它們可以合并為一個狀態，合并后的狀態用S2表示。15、 選擇觸發器個數的要求？答：在進行時序邏輯電路設計時，設電路包含M個狀態，則選擇觸發器的個數為n，應滿足2n-1N，則需一片M進制計數器；如果MN，則需多片M進制計數器。46、 分析反饋清零法？答：反饋清零法適用于有清零輸入端的集成計數器。74161具有異步清零功能，在其計數過程中，使RD=0，74161的輸出會立即回到0000狀態，清零信號消失后，74161又從0000狀態開始重新計數。47、 分析反饋置數法？答：適用于具有預置數功能的集成計數器。在其計數過程中，將它輸出的任何一個狀態通過譯碼，產生一個預置數控制信號反饋至預置數控制端，在

8、下一個CP脈沖作用后，計數器從被置入的狀態開始重新計數。48、 列出74290的清零和置位功能端的電平？答：74290的清零和置位功能端的電平如下：49、 列出7490：二五十進制計數器的輸入脈沖和輸出狀態？答：二五十進制計數器的輸入脈沖和輸出狀態如下：50、 用7290構成8進制計數器，畫出電路圖。答：其電路圖如下：51、 用兩片7490構成100進制計數器。答：電路圖如下：52、 什么是寄有器？答：寄存器是用以暫存二進制代碼的邏輯部件，能實現對數據的清除、接收、保存和輸出等功能。移位寄存器還有移位功能。53、 寄存器與鎖存器的區別？答：兩者功能一致，區別僅在于寄存器中用邊沿觸發器，而鎖存器

9、中用電平觸發器。用哪一種電路寄存信息，取決于觸發器信號和數據之間的時間關系。54、 數碼寄存器和移位寄存器有什么區別？答：數碼寄存器只能寄存數據，且只能并行輸入和輸出數據。移位寄存器不僅能寄存數據，而且能實現數據的左、右移位，其輸入和輸出數據不僅可并行操作，也可串行操作。55、 什么是并行輸入、串行輸入、并行輸出和串行輸出？答：并和輸入是將整個數碼由各位寄存器輸入端同時一次輸入到寄存器中，并行輸出則是由寄存器各位觸發器輸出端同時輸出二進制數的各位值，串行輸入是由寄存器的第一位觸發器輸入端將二進制數碼逐位輸入到寄存器中，每輸入一位則數碼在寄存器中向左或向右移一位，直到全部各位輸入完畢為止。串行輸

10、出則由寄存器末位輸出端將數碼通過移位的方法逐位移出寄存器。56、 分析移位寄有器？答：移位寄存器具有數碼的寄存和移位兩個功能。若在移位脈沖作用下，寄有器中的數碼依次向左移動一位，則稱左移。依次向右移動一位，稱為右移。既可左移又可右移的稱雙向移位寄存器。57、 移位寄存器的應用？答：移位寄存器的應用如下：b) 可進行串行數據和并行數據的互相轉換。c) 可組成移位型計數器。包括環形計數器和扭環形計數器。58、 寄存器有幾種工作方式？答：寄存器有兩種工作方式：單拍工作方式和雙拍工作方式。如下圖示。59、 雙拍工作方式的過程是怎樣的？答：工作過程如下：60、 請畫出一個單項移位寄存器的電路圖？答：電路

11、圖如下：61、 單項移位寄存器有哪些特點？答：單項移位寄存器的特點如下：d) 單向移位寄存器中的數碼，在CP脈沖操作下，可以依次右移或左移。e) n位單向移位寄存器可以寄存n位二進制代碼。n個CP脈沖即可完成串行輸入工作，此后可從Q0Qn-1端獲得并行的n位二進制數碼，再用n個CP脈沖又可實現串行輸出操作。f) 若串行輸入端狀態為0，則n個CP脈沖后，寄存器便被清零。62、 (A)試分析下圖所示電路，說明它是多少進制的計數器。答：由上圖所示電路可知，該計數器是用“反饋清零法”構成的。當輸出端狀態為10101110時，由與非門輸出一個清零信號，使兩片74161同時被清零，計數器又從0000000

12、0狀態開始重新計數。由于（10101110）B=（174）D，因此該計數器的模M=174。(B)試分析下圖所示電路，說明它是多少進制的計數器。答：兩片74161級連后，輸出端共有1616=256個不同的狀態，而在用“反饋置數法”構成的上圖所示電路中，預置數輸入端所加的數據為01010010，它所對應的十進制數是82，說明該電路從01010010狀態開始計數，跳過了82個狀態，因此該計數器的模M=256-82=174。63、 畫出循環移位寄存器的電路圖，有何特點？答：其電路圖如下：最后位的輸出成為第一位的輸入。四、本模塊例題詳解例5.1 分析圖5.3所示電路的邏輯功能，檢查電路能否自啟動。解：（

13、1）方程式時鐘方程：驅動方程： （5.1）狀態方程：（5.2）狀態轉換表（見表5.3）表5.3例5.1的狀態轉換真值表CPQ2nQ1nQ0nQ2n+1Q1n+1Q0n+110001002100010301000140010001111110211010131011004011010(3)畫出狀態轉換圖（見圖5.4）Q2Q1Q0000100101110111001010011圖5.4邏輯電路的狀態轉換圖（4）檢查自啟動。經查，電路有111、110、101、011四個無效狀態如圖5.2所示，電路能夠啟動。（5）時序圖（見圖5.5） CP Q1 Q2 Q3圖5.5例5.1邏輯電路的時序圖（6）功能說

14、明：圖5.1邏輯電路是一個同步四進制計數器。例5.2試分析圖5.6所示電路，并說明其邏輯功能。解：（1）驅動方程： (5.3) (2)狀態方程：（5.4）（3）狀態表（見表5.4）表5.4 例5.2的狀態表（4）狀態圖（見圖5.7）（5）時序圖（見圖5.8）（6）功能說明：圖5.6電路是同步六進制加法計數器。例5.3試分析圖5.9所示電路的功能，說明電路是幾進制計數器，能否自啟動，畫出其狀態轉換圖。解：電路由三個FF構成，其計數長度N8，即電路不會超過8進制，電路下降沿觸發的JKFF組成，觸發時刻為CP的（1）驅動方程： （5.5）(2)輸出方程： （5.6）（3）狀態方程： （5.7）(4)

15、列狀態轉換表（見表5.5）表5.6狀態轉換表圖5.10狀態轉換圖從圖中可清楚地看出，電路是能夠自啟動的，而且電路每來6個時鐘，其狀態變化循環一遍，故稱電路有6個有效狀態，亦稱電路為6進制計數器。將圖5.9與圖5.6相比較可以看出：6進制加法計數器能由不同的邏輯電路結構實現。另外由電路的輸出方程可知，電路在出現101狀態時，輸出Y1。可將此信號看作一個進位脈沖信號，每來6個時鐘CP，Y輸出一個正脈沖，其正脈沖的寬度與時鐘CP的周期相同。（6）結論：圖5.9所示電路為一個同步的能自啟動的六進制加法計數器。例5.4分析圖5.11邏輯電路的功能，說明電路是幾進制計數器，能否自啟動，并畫出電路的狀態轉換

16、圖。（1）時鐘方程CP1CP2CP3CP驅動方程：圖5.11例5.4的邏輯電路圖（5.8）（2）列狀態轉換表。根據上述驅動方程組和JK觸發器真值表可列狀態轉換表如表5.6表5.6 例5.4的狀態轉換表（3）功能描述。由表5.6可知電路的工作狀態轉換圖為：因為在這個工作狀態循環內包含5個工作狀態，所以該電路是模5（或稱五進制）同步計數器。（4）檢查能自啟動 有非工作狀態011，100，111。將它們分別代入驅動方程，可得列表5.6倒數三行的內容。由此可知011100101，111010，即所有的非工作狀態都可以進入工作狀態（即有效狀態），因此，該計數器可以自啟動。（5）完整的狀態轉換圖（見圖5-

17、12）圖5.12例5.4的完整狀態轉換圖 圖5.13例5.5邏輯電路圖例5.5 電路如圖5.13所示，設初態 Q3Q2Q1100 ，試畫出其工作狀態轉換表和狀態轉換圖，描述電路的功能，并檢查能否自啟動。若不能自啟動，請對電路進行修改，使其具有自啟動功能。解：（1） 時鐘方程：CP1=CP2=CP3=CP 驅動方程：狀態方程：(5.9) （5.10）（2） 列狀態轉換真值表（見表5.7）（3） 畫狀態轉換圖（見圖5.14）表5.7例5.5電路狀態轉換真值表圖5.14例5.5電路的狀態轉換圖d圖5.15J1的卡諾圖（4）檢查能否自啟動。將無效狀態=000代入特性方程，得到次態=000，所以此電路不

18、能自啟動。（5） 自啟動電路設計 保持原來儲存電路結構，只需重新設計J1K1 就行了。要使=000進入 =001，就只需要=0能進入=1。根據J-K觸發器的激勵表知，必須滿足（d為任意值），此處若取=0，則仍然有=。因此，只需要重新求J1 的方程即可達到目的。根據以上分析，由表5.7最下一行取值可得J1的卡諾圖如圖5.15所示。 (5.11)修改后，具有自啟動功能的電路如圖5.16所示 （6）功能說明：圖5.13是同步模7計數器 例5.6設計一個七進制加法計數器。要求：（1）用最少的JK邊沿觸發器和少量與非門實現。圖5.16圖5.13修改后可自啟動邏輯電路（2）利用集成電路芯片74LS160和

19、反饋清零法實現（異步清零）（3）利用集成電路芯片74LS160和反饋置數法實現（同步置數）解：（1）用最少的JK邊沿觸發器和少量的與非門實現計數器的狀態圖用3位二進制編碼。則電路狀態轉換圖如下圖5.17所示圖5.17例5.6狀態轉換圖畫出圖5.17所對應的卡諾圖，見圖5.18圖5.18例5.6的狀態轉換卡諾圖 從上圖中求得狀態方程如下：（5.12）JK觸發器的驅動方程圖5.19用JK觸發器構成的七進制計數器（5.13） 畫邏輯電路圖，如圖5.19所示，經檢查電路能夠自啟動。圖5.19例5.6的邏輯電路圖（2）用集成電路芯片74LS160的反潰歸零法實現，電路如圖5.20所示圖5.21用同步置數

20、法實現七進制加法計數器圖5.20用異步清零法實現七進制加法計數器（3）用74LS160和同步置數法實現（見圖5.21所示） 例5.7 設計一個同步11進制減法計數器。要求用JK邊觸法器和少量的門電路實現。解：（1）確定狀態數、狀態編碼，畫狀態轉換圖 N11 取n=4即4位輸出的JK邊沿觸發器，于是狀態轉換圖為： 圖5.22例5.7的狀態轉換圖（2）求狀態方程和驅動方程 將上述狀態轉換圖用卡諾圖表示，然后分別對的卡諾圖進行化簡（見圖5.23所示）圖5.2311進制減法計數卡諾圖圖5.23化簡后得到狀態方程為：（5.14）由上述狀態方程得驅動方程（5.15）（3）畫出電路圖（見圖5.24），經檢查

21、，電路能自啟動。圖5.2411進制減法計數器的邏輯電路圖例5.8 設計一個串行數據檢測器，要求當串行數據x連續輸入三個0時，輸出為1，否則輸出為1。解：（1）確定狀態狀態數、狀態編碼，并畫狀態轉換圖。 設一個0也沒有輸入時電路的初始狀態編碼為 S0=00, 輸入一個0后變為狀態編碼為S1=01，輸入兩個0后狀態編碼為S2=10，輸入三個0后狀態編碼為S3=11 ，輸出Y為高電平1，在任何一種狀態下，若x輸入1。則電路轉換初始狀態S0=00,即電路有四個狀態。表5.8 例5.8題的狀態轉換表狀態轉換圖如圖5.25所示現態次態輸出YX0X10001/000/00110/000/01011/100/

22、01111/100/0圖5.25例5.8的狀態轉換圖（2）求狀態轉換表和狀態方程 根據圖5.25可得到狀態轉換表（見表5.8所示） 根據表5.8可用圖5.26所示卡諾圖表示 0圖5.26 例5.8串行數據檢測器的卡諾圖 卡諾圖5.26經化簡后得到狀態方程、輸出方程：（5.16）（3）求驅動方程 對照主從J-K觸發器的特性方程得驅動方程（5.17）（4）畫出邏輯電路圖（見圖5.27）所示），電路沒有多余狀態，不需要檢查自啟動。圖5.27例5.8題串行數據檢測器電路圖例5.9 CMOS同步四位二進制計數器應用CMOS同步四位二進制加法計數器CC4520芯片的邏輯符號和功能如圖5.28和表5.9所示

23、。1. 根據芯片的功能表，說明芯片在作十進制加法計數時有關引腳的正確接法，并畫出相應的接線圖。CRENCP功能1清零00保持01加計數00加計數表5.9 CC4520功能表圖5.28 CC4520引腳圖2.若用兩片CC4520實現六十進制加法計數器，則電路應怎樣連接？畫出其接線圖。 解： CC4520為同步雙4位二進制加計數器，正常計數時共有S0、S1S15，十六種狀態，利用異步復位端CR，可將芯片構成模數M16內的任意進制計數器。由芯片的功能表5.9知，CC4520在計數時，既可由脈沖上升沿觸發，也可有脈沖的下降沿觸發。當CP=0時，觸發脈沖從使能端EN輸入時，電路在脈沖下降沿觸發，當EN=

24、1時，觸發脈沖從CP端輸入時，電路在脈沖的上升沿觸發。因此，CC4520在加計數時可任意選擇脈沖的觸發邊沿。(1) 用CC4520芯片實現十進制加計數，見圖5.29（a）所示，EN=1時脈沖觸發。當芯片輸出Q3Q2Q1Q0=1010時，與門G輸出高電平信號送CR端，使CR=1，使得Q3Q2Q1Q0=0000，即輸出1010狀態僅出現一瞬間就消失。相當于S9（1001）狀態加1后的為S0(0000)實現了電路的十進制計數。在圖（b）中，CP=0，EN輸入脈沖的觸發。圖5.30 兩片CC4520芯片實現六十進制加計數 圖5.29 用CC4520芯片實現十進制加計數 （2）用兩片CC4520實現六十

25、進制計數在圖5.30中，CC4520（I）為個位十進制計數。CC4520（II）為十位六進制計數。個位計數器的進位信號QCC是在CC4520(I)的 Q3Q2Q1Q0=1001時才出現，并送CC4520（II）的EN端，此時因第9個脈沖CP9的已過，故此時CC4520（II）不動作。當CP10的到達時，CC4520（II）才計數。CC4520（）的Q3Q2Q1Q0=1010狀態經與門G1產生的復位信號使電路返回到S0（0000）狀態，而S10（1010）狀態只出現一瞬間就消失，使CC4520（I）實現了十進制計數。個位計數器每十個脈沖產生的一次進位信號QCC,可使十位計數器CC4520(II)

26、芯片計一次數。CC4520（II）芯片作十位計數器，由于門G3的作用使CC4520（II）狀態轉換依次為0000 0001 0010 0011 0100 0101 從而實現六十進制計數。例5.10用集成計數器芯片74LS193分別構成模10加法計數器和模13減法計數器。74LS193邏輯符號如圖531所示。圖中是進位輸出端且，是借位輸出端。且。74LS193功能表如表5.10所示。 表5.11 74LS193功能表 圖5 .31 74LS193邏輯符號 解：（1）構成模10加法計數器。因為計數器模N=10,所以異步預置狀態M=15N=5，故預置數據DCBA=0101，且加法進位輸出端與置數端連

27、接。其它輸入端接上相應的信號。電路連接圖如圖5.32（a）所示1010 （b）74LS193構成模13減法計數（a）74LS193構成模10加法計數 5.3274LS193的應用 (2)構成模13減法計數器 因為構成的減法計數器，所以預置狀態M=N=13，故預置數據DCBA=1101，且減法借位輸出端與 連接，其他輸入端接相應信號。連接圖見圖5.32（b）所示。5.33序列信號發生電路例5.11試用8選1數據選擇器74LS151/251芯片和74LS161芯片設計序列信號發生器。序列信號為11001101（左位在先）解：由于序列信號的長度N=8，因此，首先要將74LS161作為一個模8計數器使用。當74LS161芯片的輸入端CTP CTT 都接“1”時，芯片就是一個模“16”計數器，QDQCQBQA 的狀態編號為0、1、2若放棄Q0不使用，則QCQBQA的狀態編號為 在這種情況下，芯片就可以當作模8計數器使用。設8選1數據選擇器地址信號輸入從高到低為C、B、