第五章 时序逻辑电路 5.1 时序逻辑电路的分析方法 5.2 常用时序逻辑 5.3 时序逻辑电路的设计方法 本章小结

第五章 时序逻辑电路 组合逻辑电路（第三章内容）—— 无记忆 任何一个时刻的输出，仅取决于当时的输入，而与电路以前的状态无关 组合逻辑电路（第三章内容）—— 无记忆 任何一个时刻的输出，仅取决于当时的输入，而与电路以前的状态无关 时序逻辑电路 —— 有记忆 任何一个时刻的输出，不仅与当时的输入有关，还与电路以前的状态有关 例如：拉线开关有记忆、而计算机的复位开关就没有记忆 若时序电路中所有触发器在同一时钟作用下使能, 叫做同步时序电路, 否则就是异步时序电路

5.1 时序逻辑电路的分析方法 分析时序逻辑电路的一般步骤 1．由逻辑图写出下列方程 时钟方程 驱动方程 输出方程 2．将驱动方程代入相应触发器的特性方程，求状态方程 3．根据状态方程和输出方程，设定初态,计算状态转换表，画出状态转换图、时序图 （在异步电路中应注意使能条件） 4．根据状态转换表或状态转换图，说明给定时序逻辑电路的逻辑功能

{ { 一、同步时序逻辑电路的分析 Q0 Q1 M 1 1 CP F1 F0 例5-1：试分析下图所示时序逻辑电路 J C1 K Q =1 解：该电路为同步时序逻辑电路，时钟方程可以不写 { { （1）写出驱动方程： （2）写输出方程：本例除Q1、Q0外没有其他输出，无输出方程

（3）求状态方程（即各触发器的次态） 或：M=0时 M=1时 （4）状态转换表及状态图 M M=0时 Q1Q0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 11 00 01 10 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 M=1时 1 0 1 0 0 10 01 00 11 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0

M=0 3进制加法计数器，能自启动 M=1 3进制减法计数器，能自启动 该电路是一个能自启动的可逆3进制计数器 （5）给定时序逻辑电路的逻辑功能 M=0时 自启动 11 00 01 10 无效状态 有效循环 无效状态 M=0 3进制加法计数器，能自启动 M=1时 10 01 00 11 有效循环 自启动 M=1 3进制减法计数器，能自启动 该电路是一个能自启动的可逆3进制计数器

{ 例5-2：试分析如图所示的时序逻辑电路 Q2 Q1 Q0 C 1 CP 解：（1）写出驱动方程： （2）写输出方程： （3）求状态方程： & J C1 K Q J C1 K Q J C1 K Q 1 F2 F1 F0 CP 解：（1）写出驱动方程： （2）写输出方程： （3）求状态方程： {

（4）状态转换表、状态转换图 （5）时序图 CP C 1 0 0 0 0 0 1 0 2 0 0 1 0 1 0 0 3 0 1 0 0 1 1 0 4 0 1 1 1 0 0 0 5 1 0 0 1 0 1 0 6 1 0 1 1 1 0 0 7 1 1 0 1 1 1 0 8 1 1 1 0 0 0 1 /0 /0 /0 000 001 010 011 /C /1 /0 111 110 101 100 /0 /0 /0

思考 时钟的时针、分针、秒针之间的关系和计数器的关系 /0 /0 /0 （6）电路的功能 000 001 010 011 /1 /0 111 110 101 100 /0 /0 /0 同步八进制（3位二进制）加法计数器 Q0对CP二分频 Q1对CP四分频 进位信号 Q2对CP八分频 C对CP八分频

二、异步时序逻辑电路的分析 例5-3：试分析如图所示的时序逻辑电路 Q2 Q1 Q0 1 1 1 CP F2 F1 F0 J C1 K Q J C1 K Q J C1 K Q F2 F1 F0 1 1 1 CP 解：该电路为异步时序逻辑电路 （2）驱动方程 （1）时钟方程 CP0=CP2=CP CP1=Q0

（3）状态方程 （CP0↓） （CP1↓） （CP2↓） (4)状态转换表、状态转换图 CP CP2CP1CP0 无效状态 1 0 0 0 0 0 1 ↓ ↓ 1 0 0 1 0 1 0 ↓ ↓ ↓ 111 110 101 1 0 1 0 0 1 1 ↓ ↓ 1 0 1 1 1 0 0 ↓ ↓ ↓ 1 1 0 0 0 0 0 ↓ ↓ 000 001 010 1 0 1 0 1 0 ↓ ↓ ↓ 无效状态 有效循环 1 1 0 0 1 0 ↓ ↓ 100 011 1 1 1 0 0 0 ↓ ↓ ↓

（5）时序图（设初态为000） （6）结论： 能自启动得异步五进制加法计数器

5.2 常用时序逻辑电路 一、计数器 （一）计数器的基本概念 计数器有几个有效状态构成循环（即有效循环），就叫做几进制计数器 5.2 常用时序逻辑电路 一、计数器 （一）计数器的基本概念 计数器——对时钟脉冲CP计数的电路。 计数器有几个有效状态构成循环（即有效循环），就叫做几进制计数器 按计数器的内容随CP脉冲的增减可分为加法计数器、减法计数器和可逆计数器。 按计数器中触发器翻转是否与CP脉冲同步分为同步计数器和异步计数器。

（二）中规模集成计数器 1．74LS90异步计数器 （1）功能：异步2-5-10进制加法计数器 二进制计数器：时钟端CP1，输出端为Q0； 五进制计数器：时钟为CP2，输出端为Q3、Q2、Q1 ，有效状态为位：000，001，010，011，100 R0(1)、R0(2) ——— 异步清0端 S9(1)、S9(2) ——— 异步置9端 Q3 Q2 Q1 Q0 CP0 CP1 R0(1) R0(2) S9(1) S9(2) 如果将Q0与CP2相连，CP1作时钟输入端， Q3～Q0作输出端，则为8421BCD码十进制计数器。如果将Q3与CP0相连，CP2作时钟输入端，从高位到低位的输出为Q0 Q3 Q2 Q1 时，则构成5421BCD码十进制计数器

输入 输出 CP R0(1) R0(2) S9(1) S9(2) QD QC QB QA 异步清0 异步置9 计数 74LS90的功能表： × 1 1 0 × 0 0 0 0 0 0 0 0 × 1 1 X 0 异步置9 1 0 0 1 × 0 X 1 1 1 0 0 1 × X 0 1 1 ↓ X 0 X 0 ↓ X 0 0 X 计数 ↓ 0 X X 0 ↓ 0 X 0 X 注意：清0和置9信号不得同时有效，更不能同时由有效变为无效

因为是异步清0的，所以111状态并不能保持，称其为过渡状态，实际有效状态为000～110 （2）74LS90的应用（以7进制为例） 000 001 010 011 先接成10进制计数器 再用反馈归零法，接成7进制计数器 111 110 101 100 过渡状态 000 001 010 011 111 110 101 100 因为是异步清0的，所以111状态并不能保持，称其为过渡状态，实际有效状态为000～110 输出端的清0速度一般是不一致，假设QC先回0，清零信号R立即消失，QB、QA来不及清零，造成误动作

清0电路的改进 利用基本RS触发器（由G3、G4组成），可将清零信号加宽（第7个CP的下降沿开始，第8个CP的上升沿结束），使计数器能可靠清零

改进后的时序图 清0信号R，在第7个CP的下降沿时被置1，第8个CP的上升沿才置0，使计数器能可靠清零 清0脉冲被加宽

2.同步计数器74LS160、74LS161、74LS162、 74LS163 （1）功能 同步计数、同步置数管脚完全相同 其中 74LS160、74LS161 为异步清零 74LS162、74LS163 为同步清零 74LS160、74LS162为十进制计数 74LS161、74LS163为十六进制（4位2进制）计数 CP— 计数时钟 -- 同步预置端 D、C、B、A -- 并行预置数 -- 同步或异步清0端 P 、T – 使能端 Q3、Q2、Q1、Q0 – 数据输出端 TC -- 为进位输出端，

注1： P T CP D B C A 0 X X X X X X X X 0 0 0 0 1 0 X X ↑ d c b a d c b a 74LS162、 74LS163的功能表 将“X”换为“↑” 74LS160、 74LS161的功能表 注1： P T CP D B C A 数据输出保持，进位C置0 0 X X X X X X X X 0 0 0 0 1 0 X X ↑ d c b a d c b a 注2： 1 1 X 0 X X X X X 注1 注2 1 1 0 1 X X X X X 数据输出保持，进位C也保持 1 1 1 1 ↑ X X X X 计数

（2）应用 ①反馈归0法 以74LS161、7SLS163构成十进制计数器为例 同步清0（74LS163） 异步清0（74LS161） 注意区别 同步清0 异步清0，有过渡状态 0000 0001 0010 0011 0100 1010 1001 1000 0111 0110 0101

都是五进制，使用的有效状态不同 ②预置数法 0000 0001 0010 0001 0010 0011 0100 0011 0101

& 例5-4 用74LS161组成48进制计数器 解：先用两片74LS161接成100进制（也叫模为100）的计数器。 再利用反馈清0或预置数法构成84进制（00-83）计数器。 & 虽然CP同时送到了个位和十位（同步），但只有个位计到1001时，TC=1，十位的T=1，在下一个CP的上升沿到来时，十位才加1计数，个位回到0000

一、寄存器 常用来临时存放数据、指令 （一） 数据寄存器 1.由D触发器构成的寄存器 由高电平有效的D触发器构成的两位数据寄存器。G1、G0为低电平有效的三态反相器。 当CP=1时，存入数据， CP=0时，保持数据。 当 =1时，输出为高阻状态， =0时，输出数据。 只有最简单的存（写入）、取（读出）功能的寄存器称为数据寄存器

0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 X 保持 1 X X 高阻 2. 8D数据锁存器74HC373、 74HC573 LE D Q 功能表 符号 LE D Q 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 X 保持 1 X X 高阻 LE – 锁存 – 输出使能 74HC373 和 74HC573 的功能完全一样，只是管脚不一样。 74HC373 比较常用，如：单片机的地址锁存，但 74HC573 的管脚分布更便于排印刷电路板。

二、移位寄存器 在时钟（移位）脉冲作用下寄存器的数据向左移位或向右移位，具有移位功能的寄存器称作移位寄存器 1．由D触发器构成的移位寄存器 DR是数据输入端，它在CP脉冲（移位脉冲）的作用下，输入数据逐个地输入寄存器 状态方程为：

移位过程： 上升沿有效 并行输出 移位脉冲 串行输入 1 0 1 0 0 0 串行输出 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 在CP上升沿时，DR端数据依次移入寄存器、数据依次右移 DR端称为串行输入端，Q2端称为串行输出端 移位过程，Q0、Q1、Q2的波形相同，依次滞后一个CP的周期

2.双向移位寄存器74LS194 逻辑符号 74LS194是具有双向移位和并行输入数据的四位移位寄存器 S0、S1——功能选择端 ——为异步清零端 SR——右移串行输入端 功能表 SL——左移串行输入端 CP S1S0 功能 DCBA——并行输入端 X 0 X X 清零 CP——时钟 X 1 0 0 保持 QDQCQBQA——输出端 ↑ 1 0 1 右移QD为串行输出 ↑ 1 1 0 左移QA为串行输出 QD——右移串行输出端 ↑ 1 1 1 并行输入 QA——左移串行输出端

功能表 CP S1S0 功能 QD QC QB QA X 0 X X 清零 0 0 0 0 X 1 0 0 保持 D C B A ↑ 1 0 1 右移 ↑ 1 1 0 左移 ↑ 1 1 1 并行输入 QD QC QB QA DR D C B A QD QC QB QA D C B A DL

74LS164是一个8位移位寄存器 A、B——串行输入数据端 CP CP——移位脉冲输入端 QH～QA为输出端 逻辑符号 ——异步清零端 CP——移位脉冲输入端 QH～QA为输出端 功能表 CP 功能 X 0 异步清零 ↑ 1

由74LS164构成扭环计数器 0 0 0 0 0 0 0 QH通过反相器G反馈到串行输入端A、B 设初态（QH～QA） 为00000000 0 0 0 0 0 0 0 QH通过反相器G反馈到串行输入端A、B 设初态（QH～QA） 为00000000 1 在CP上升沿的作用下其状态转换过程为： 00000000→0000001→00000011→00000111→00001111→……→11111111→11111110→11111100→……→10000000→00000000。由16个状态构成一个循环，称它为16进制扭环形计数器。

三、顺序脉冲发生器 CD4017是十进制计数器/脉冲分配器 逻辑符号 RESET——异步清零输入 ——时钟/使能输入 CLK——时钟输入 Q0～Q9——脉冲输出 Cout——进位输出 当 =0时，CLK上升沿有效 当CLK=1时， 下降沿有效 在CLK（或 )有效沿的作用下 Q0～Q9依次输出一个正脉冲

时序图 异步清0 这个↑不起作用 输出端依次输出脉冲的电路称为顺序脉冲发生器，或称脉冲分配器，他它也是周期性的工作，实际上也是一个计数器

右图是由计数器74LS163和译码器74LS138组成的顺序脉冲发生器 74LS163接成了8进制计数器，其输出QC、QB、QA分别接到译码器74LS138的A2、A1、A0 74LS138的输出依次输出低电平（即顺序输出负脉冲），发光二极管VB0～VB7依次点亮一个CP周期。

5.3 时序逻辑电路的设计方法 时序逻辑电路的设计，是分析的逆过程。 5.3 时序逻辑电路的设计方法 时序逻辑电路的设计，是分析的逆过程。 设计的任务就是根据设计的要求，选用基本逻辑单元电路或数字部件，通过逻辑设计，画出满足要求的时序逻辑电路。 计数器是一种简单而又典型的时序逻辑电路，它的设计具有普遍性。 值得一提的是，由于大、中规模集成电路的广泛采用，利用触发器来组成N进制计数器的方法已经不大采用了。

例5-3：试用JK触发器设计一个同步六进制加法计数器。 解：设计步骤如下 (1)确定触发器个数n 按照2n≥N，来确定 N为计数器状态数， N也称为计数长度， N也称为计数器的模 本例N=6，现取n＝３，用３个触发器 (2)选择状态编码、并画出状态转换图 本例有六个状态：S0～S5，可设S0=000；S1=001；S2=010；S3=011；S4=100；S5=101。 110、111为无效状态 因为是六进制加法计数，状态S5→S0时，产生进位：C=1

卡诺图 状态转换图 /C /0 /0 /1 /0 /0 /0 卡诺图 (3)求状态方程、输出方程 状态方程即计数器的次态方程 卡诺图 卡诺图 00 01 11 10 /0 /0 S0 000 S1 001 S2 010 1 1 /1 /0 1 X X /0 /0 S5 101 S4 100 S3 011 卡诺图 (3)求状态方程、输出方程 00 01 11 10 1 1 状态方程即计数器的次态方程 1 X X 卡诺图 卡诺图 00 01 11 10 00 01 11 10 001/0 010/0 100/0 011/0 1 1 1 1 101/0 000/0 XXX/0 XXX/0 1 X X

并不是最简形式，是为了和JK触发器的特性方程进行比较，得到驱动方程 00 01 11 10 1 0 0 1 0 并不是最简形式，是为了和JK触发器的特性方程进行比较，得到驱动方程 1 0 X X 00 01 11 10 1 0 1 0 1 0 0 X X 00 01 11 10 1 1 0 0 1 1 0 X X 为了和JK触发器的特性方程进行比较，得到的驱动方程 00 01 11 10 C 1 0 0 0 0 输出方程 0 1 X X

(4)求驱动方程 将状态方程和JK触发器的特性方程进行比较，即可求得驱动方程 JK触发器的特性方程 输出方程:

(5)根据驱动方程和输出方程画逻辑图

(6)检查能否自启动 将两个无效状态：110、111分别代入状态方程和输出方程，计算 /0 /0 /1 /0 /0 S0 000 S1 001 S2 010 /1 /0 /0 S5 101 S4 100 S3 011 计数器可以从无效状态进入有效状态，所以该计数器可以自启动。

本章小结 时序电路结构特点：电路中一定有触发器。 时序电路逻辑功能特点：有记忆功能。 时序电路逻辑功能的描述方法： 次态方程（注意使能条件特别是对于异步计数器）和输出方程：它是分析、设计时序电路所必需的描述方法。 状态转换表和状态转换图：非常直观地反映了时序电路工作的全过程和逻辑功能 时序图：适用于时序电路的调试、故障分析。 常见的时序逻辑电路有：计数器、寄存器、顺序脉冲发生器等，他们都是在时钟脉冲作用下工作的 本章系统地介绍了时序电路的分析方法和设计方法，重点介绍了典型中规模计数器、寄存器、顺序脉冲发生器的功能和应用。