时序电路分析

概述

学习数字逻辑这门课程的目的有两个,第一是为了后续的电路设计,是硬件工程师的入门课程;第二则是为了更好地理解计算机的工作原理,为后续嵌入式开发、软件开发等打下坚实的基础。绝大部分人应该属于后者,毕竟纯粹的硬件开发工程师职位不多。

时序电路是数字逻辑这门课的关键,因为引入了时间这一维度,理解掌握其功能特性的难度比组合逻辑要高,因此,很多童鞋可能学到这有点晕,这是正常现象。应对办法也很简单:熟记典型的几个触发器功能特征,多做几个习题,对付考试和后续课程的理解绰绰有余。

时序电路这门课程的要求是最终能够进行简单的电路设计(包括组合逻辑和时序逻辑),完成特定的功能。学会跑之前,要先学会走,也就是先看看别人的电路是怎么设计的,分析其规律,然后再尝试设计简单的电路。

分析原理

要对时序电路进行分析,需要先理解其结构特征,时序电路的基本结构如下图所示:

图1:时序电路结构特征

由图1知,时序电路由组合变换电路、存储电路和对外输出的组合电路三部分组成。一般情况下,称存储电路中保存的数据为时序电路的状态;外部输出Z有两种形式,一种是Z只与电路的现态相关,称为Moore型电路,一种是与电路的状态和外部输入相关,称为Mealy型电路。

要分析时序电路,很多教材上要写第一步做什么、第二步做什么之类的,这种方法很容易让童鞋们死记硬背,误入歧途,较为合理的方法应该是抓住时序电路的本质,即是什么导致电路状态发生改变?电路的状态如何改变?电路的对外输出是什么规律?这三个问题搞清楚了,画出电路的状态迁移图,根据状态迁移图对其功能进行说明,简单的分析就算完成了。

什么导致电路状态发生改变?

答:激励方程,即存储电路的输入(激励就是输入,在本课程中特指触发器的输入)

电路状态如何改变?

答:次态方程,比如J-K触发器和D触发器等,这就需要大家熟记几种典型的触发器的功能特性。当然,后面还会提到一些典型的时序电路逻辑器件如计数器、移位器等,这也需要大家灵活理解并熟记。

电路对外的输出是什么规律?

答:输出方程,就是一个组合电路,比较简单。

综上,只要抓住这三个方程,电路分析不是什么难事,大家只要掌握这个规律,没有分析不了的电路。

例子

根据上面的原理,下面由简单到难,分别举两个例子进行分析。

例1:试分析下图所示时序电路,画出X=101101的时序图。

图2:例1电路图

显然,这时一个同步的Mealy型电路(Z与输入和X和D触发器的状态相关),分别写出输出方程、激励方程和次态方程:

图3: 例1的三个方程

由此,可以写出电路的次态(状态转移)和输出:

图4: 例1的次态和输出表

根据输出表,画出电路的状态转移图和波形图,分别入图5和图6所示:

图5:例1的状态转移图

图6:例1的波形图

注:在画波形图时,一定要搞清楚哪是现态,哪是次态,输出是和输入和现态同步变化的(这里指的是理想情况),因此这里的D触发器是上升沿时引起状态变化,所以,要以CP从0跳变到1为界区分现态和次态

根据状态转移图,很容易看出,例1中的功能为:当输入为1时,电路状态变化,且当处于0状态时,输入1,输出为1,当处于1状态时,输入1,输出为0;其它输入(即0),电路状态保持不变,且输出为1.

例2: 分析下图的逻辑功能

其中的D0的输入为D00*D01

图7: 例2的电路图

这个电路的特点是:只有一个CP输入,没有其它输入,也没有输出,只有电路状态的转移。(另外,这四个D触发器的状态组成了电路的状态)因此,这里只需要分析其激励方程和状态转移方程(D触发器的状态转移这里不再赘述)

这个电路中每个触发器的激励方程为:

图8: 例2的激励方程

对于这样的电路,可以口述,假设Q3Q2Q1Q0初态为0000,当一个时钟脉冲来临时,Q3Q2Q1Q0转换为:0001;再来一个时钟脉冲则为:0011,类似进行分析,可以得到其转换状态为:

图9: 例2的状态转移表

类似这样的电路在后续学习中非常常见,请大家熟悉,并且最好能直接口述或绘制其状态转移图

小结

对于时序电路分析,抓住核心的三个方程(根据情况),很容易绘制状态转移图和波形图。

如有错,请各位批评指正!

最后编辑于
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 203,362评论 5 477
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 85,330评论 2 381
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 150,247评论 0 337
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 54,560评论 1 273
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 63,580评论 5 365
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 48,569评论 1 281
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 37,929评论 3 395
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 36,587评论 0 258
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 40,840评论 1 297
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 35,596评论 2 321
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 37,678评论 1 329
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 33,366评论 4 318
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 38,945评论 3 307
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 29,929评论 0 19
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 31,165评论 1 259
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 43,271评论 2 349
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 42,403评论 2 342

推荐阅读更多精彩内容

  • 概述 时序电路是数字逻辑课程的核心部分,也是学习后续硬件相关课程的重要基础部分,PC中的计数器、内存、倍频/分频器...
    CodingTech阅读 2,399评论 5 7
  • fpga规范 工作过的朋友肯定知道,公司里是很强调规范的,特别是对于大的设计(无论软件还是硬件),不按照规范走几乎...
    Michael_Johnson阅读 1,869评论 1 4
  • 一个计数器通常是由一组触发器构成,该组触发器按照预先给定的顺序改变其状态,如果所有触发器的状态改变是在同一时钟脉冲...
    锦穗阅读 13,173评论 0 6
  • Spring Cloud为开发人员提供了快速构建分布式系统中一些常见模式的工具(例如配置管理,服务发现,断路器,智...
    卡卡罗2017阅读 134,580评论 18 139
  • 片段一《坚持,一种可以养成的习惯》 I:在不受影响的时间和空间里,实际操练尝试,找到最适合自己的行为模式。 A1:...
    KingPenelope阅读 96评论 0 0