基于數(shù)據(jù)選擇器和D觸發(fā)器的多輸入時(shí)序電路設(shè)計(jì)

摘 要:為了探索多輸入時(shí)序邏輯電路的簡(jiǎn)便實(shí)現(xiàn)方法，介紹了基于數(shù)據(jù)選擇器和D觸發(fā)器的多輸入時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)技術(shù)。即將D觸發(fā)器和數(shù)據(jù)選擇器進(jìn)行組合，用觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)作為數(shù)據(jù)選擇器選擇輸入變量、數(shù)據(jù)選擇器的輸出函數(shù)作為觸發(fā)器的D輸入信號(hào)，構(gòu)成既有存儲(chǔ)功能又有數(shù)據(jù)選擇功能的多輸入端時(shí)序網(wǎng)絡(luò)。由觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)選擇輸入變量、所選擇的輸入變量決定觸發(fā)器的次態(tài)轉(zhuǎn)換方向。該方法適合實(shí)現(xiàn)互斥多變量時(shí)序邏輯電路，且在設(shè)計(jì)過(guò)程中不需要進(jìn)行函數(shù)化簡(jiǎn)。

關(guān)鍵詞:D觸發(fā)器; 數(shù)據(jù)選擇器; 時(shí)序網(wǎng)絡(luò); 多輸入時(shí)序邏輯電路

中圖分類號(hào):TP331.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)12-0010-03

Design of Data Multi-input Sequential Logic Circuit Based on Data Multiplexer and D Flip-flop

REN Jun-yuan

(Bohai University， Jinzhou 121000， China)

Abstract:The design technique of multi-input sequential logic circiut based on multiplexer and D flip-flops is introduced to investigate a simple method to realize the multi-input sequential logic circiut， which D flip-flops are combined with multiplexer. Taking the present states as the data multiplexer to select input variables and the output functions of the data multiplexer as the input signals of D flip-flops， the multi-input sequential network with the functions of storage and selection is composed. The input variables are selected according to the present states of D flip-flops， the transformation direction of the next states of D flip-flops is determined by the selected variables. The combination of these two components is suitable to the realization of the mutual exclusion multi-variable sequential logic circuit. The function simplification is unnecessary in design process. This is a new method to design sequential logic circuits.

Keywords: D flip-flop; data multiplexer; sequential network; multi-input sequential logic circuit

在SSI時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)中，遵循的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是:在保證所設(shè)計(jì)的時(shí)序邏輯電路具有正確功能的前提下，觸發(fā)器的激勵(lì)函數(shù)應(yīng)最小化，從而簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)。

用卡諾圖法或公式法化簡(jiǎn)觸發(fā)器的激勵(lì)函數(shù)，在多輸入變量時(shí)相當(dāng)繁瑣甚至難以進(jìn)行。因此，需要尋求多輸入時(shí)序邏輯電路簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì)方法。

本文給出多輸入變量時(shí)序邏輯網(wǎng)絡(luò)的一種新型結(jié)構(gòu):將D觸發(fā)器[ 1-10] 和數(shù)據(jù)選擇器[ 1-10] 進(jìn)行組合，構(gòu)成既有存儲(chǔ)功能又有數(shù)據(jù)選擇功能的多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)[ 1] ，并給出設(shè)計(jì)過(guò)程中不需要進(jìn)行函數(shù)化簡(jiǎn)的設(shè)計(jì)技術(shù)。

1 基本原理

1.1 基本多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)

1.1.1 多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)的基本形式

用1個(gè)D觸發(fā)器和1個(gè)2選1數(shù)據(jù)選擇器構(gòu)成多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)的基本電路[1]，如圖1所示。

圖1 多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)的基本電路

圖1中，觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)輸出Qn作為數(shù)據(jù)選擇器的A選擇輸入變量，數(shù)據(jù)選擇器的Y輸出作為觸發(fā)器的D輸入信號(hào)，數(shù)據(jù)選擇器的輸入端D0，D1作為所構(gòu)成時(shí)序網(wǎng)絡(luò)的外部信號(hào)輸入端。

1.1.2 多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)基本電路的狀態(tài)方程

由D觸發(fā)器的特性方程Qn+1=D、數(shù)據(jù)選擇器的輸出邏輯表達(dá)式Y(jié)=AD0+AD1及A=Qn，D=Y的關(guān)系，得多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)基本電路的狀態(tài)方程:

Qn+1=QnD0+QnD1 (1)

寫成矩陣形式為:

[Qn+1]=[Qn]D0D1 (2)

1.1.3已知狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系確定時(shí)序網(wǎng)絡(luò)輸入矩陣參數(shù)的方法

由式(1)、式(2)有:

(1) 現(xiàn)態(tài)Qn=0時(shí)，Qn+1=D0，選擇輸入D0，由狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系確定D0可實(shí)現(xiàn)所要求的狀態(tài)轉(zhuǎn)換:

若Qn+1=0，即狀態(tài)轉(zhuǎn)換為0→0，則式(2)中的輸入矩陣應(yīng)填D0=0;

若Qn+1=1，即狀態(tài)轉(zhuǎn)換為0→1，則式(2) 中的輸入矩陣應(yīng)填D0=使?fàn)顟B(tài)產(chǎn)生變化的輸入變量。

(2) 現(xiàn)態(tài)Qn=1時(shí)，Qn+1=D1，選擇輸入D1，由狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系確定D1可實(shí)現(xiàn)所要求的狀態(tài)轉(zhuǎn)換:

若Qn+1=1，即狀態(tài)轉(zhuǎn)換為1→1，則式(2)中的輸入矩陣中應(yīng)填D1=1;

若Qn+1=0，即狀態(tài)轉(zhuǎn)換為1→0，則式(2)中的輸入矩陣中應(yīng)填D1=使?fàn)顟B(tài)產(chǎn)生變化的輸入變量取反。

1.2 2個(gè)狀態(tài)變量的多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)

1.2.1 2個(gè)狀態(tài)變量多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)的形式

用2個(gè)D觸發(fā)器和2個(gè)4選1數(shù)據(jù)選擇器可構(gòu)成有2個(gè)狀態(tài)變量的多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)[1]，如圖2所示。

圖2中，觸發(fā)器的2個(gè)現(xiàn)態(tài)輸出Qn1Qn0作為數(shù)據(jù)選擇器的A1A0選擇輸入變量，2個(gè)數(shù)據(jù)選擇器的Y輸出分別作為2個(gè)觸發(fā)器的D輸入信號(hào)，數(shù)據(jù)選擇器的輸入端D10~D13，D00~D03作為所構(gòu)成時(shí)序網(wǎng)絡(luò)的外部信號(hào)輸入端。

圖2 2個(gè)狀態(tài)變量的多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)

1.2.2 兩個(gè)狀態(tài)變量多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)方程

按基本多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)的分析方法，可得狀態(tài)方程的矩陣形式為:

[Qn+11Qn+10]=[Qn1Qn0]D10D00D11D01D12D02D13D03 (3)

1.2.3 現(xiàn)態(tài)對(duì)輸入信號(hào)的選擇及輸入矩陣參數(shù)的確定

現(xiàn)態(tài)Qn1Qn0的取值組合決定所選擇的數(shù)據(jù)輸入端，而數(shù)據(jù)輸入端的輸入情況又決定次態(tài):

(1) 現(xiàn)態(tài)Qn1Qn0=00時(shí)，Qn+11=D10，Qn+10=D00，選擇輸入D10，D00，由狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系確定D10，D00可實(shí)現(xiàn)所要求的狀態(tài)轉(zhuǎn)換;

(2) 現(xiàn)態(tài)Qn1Qn0=01時(shí)，Qn+11=D11，Qn+10=D01，選擇輸入D11，D01，由狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系確定D11，D01可實(shí)現(xiàn)所要求的狀態(tài)轉(zhuǎn)換;

(3) 現(xiàn)態(tài)Qn1Qn0=10時(shí)，Qn+11=D12，Qn+10=D02，選擇輸入D12，D02，由狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系確定D12，D02可實(shí)現(xiàn)所要求的狀態(tài)轉(zhuǎn)換;

(4) 現(xiàn)態(tài)Qn1Qn0=11時(shí)，Qn+11=D13，Qn+10=D03，選擇輸入D13，D03，由狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系確定D13，D03可實(shí)現(xiàn)所要求的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

已知狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系確定式(3)中輸入矩陣參數(shù)的方法如1.1.2所述。

1.3 n個(gè)狀態(tài)變量的多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)

按照D觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)組合作為數(shù)據(jù)選擇器的選擇輸入變量、數(shù)據(jù)選擇器的輸出作為D觸發(fā)器輸入信號(hào)的構(gòu)成方法，用n個(gè)D觸發(fā)器、n個(gè)2n選1數(shù)據(jù)選擇器組合，可構(gòu)成n個(gè)狀態(tài)變量的多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)[1]。

2基于數(shù)據(jù)選擇器和D觸發(fā)器的多輸入時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)步驟

采用數(shù)據(jù)選擇器和D觸發(fā)器構(gòu)成的多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多輸入時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)的步驟:

(1) 由設(shè)計(jì)要求做出最簡(jiǎn)狀態(tài)圖;

(2) 根據(jù)狀態(tài)個(gè)數(shù)確定多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)中D觸發(fā)器、數(shù)據(jù)選擇器的個(gè)數(shù)及數(shù)據(jù)選擇器的選擇規(guī)模;

(3) 根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系確定輸入矩陣的參數(shù)，即確定數(shù)據(jù)選擇器輸入端所接的變量或常量;

(4) 畫出時(shí)序邏輯圖。

2.2 應(yīng)用舉例

主干道、支干道十字路口交通燈控制電路中的控制器共有4個(gè)狀態(tài)，在不同輸入信號(hào)的作用下進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換:

(1) Qn1Qn0=00狀態(tài)，主干道綠燈亮、支干道紅燈亮，到了規(guī)定的30 s時(shí)間隔由控制電路中的計(jì)數(shù)器向控制器輸入1個(gè)T30 =1的信號(hào)，控制器轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài);

(2) Qn1Qn0=01狀態(tài)，主干道黃燈亮、支干道紅燈亮，到了規(guī)定的5 s時(shí)間隔由控制電路中的計(jì)數(shù)器向控制器輸入1個(gè)T5=1的信號(hào)，控制器轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài);

(3) Qn1Qn0=10狀態(tài)，主干道紅燈亮、支干道綠燈亮，到了規(guī)定的20 s時(shí)間隔由控制電路中的計(jì)數(shù)器向控制器輸入1個(gè)T20=1的信號(hào)，控制器轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài);

(4) Qn1Qn0=11狀態(tài)，主干道紅燈亮、支干道黃燈亮，到了規(guī)定的5 s時(shí)間隔由控制電路中的計(jì)數(shù)器向控制器輸入1個(gè)T5=1的信號(hào)，控制器轉(zhuǎn)到第(1)種工作狀態(tài)。

控制器的狀態(tài)圖如圖3所示。

圖3 交通燈控制電路中控制器的狀態(tài)圖

用有2個(gè)狀態(tài)變量的多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，由圖3所示狀態(tài)圖的狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系，可確定輸入矩陣參數(shù)為:

0T30T5T51T20T5T5 (4)

選用雙D觸發(fā)器74LS74和雙4選1數(shù)據(jù)選擇器74LS153構(gòu)成多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)并由式(4)連接輸入端畫出邏輯圖如圖4所示，其中R，C構(gòu)成通電復(fù)位電路。

3 結(jié) 語(yǔ)

基于數(shù)據(jù)選擇器和D觸發(fā)器的多輸入時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)方法，適合實(shí)現(xiàn)互斥多變量時(shí)序邏輯電路，且在設(shè)計(jì)過(guò)程中不需要進(jìn)行函數(shù)化簡(jiǎn)，而這一過(guò)程在多變量 時(shí)是相當(dāng)繁瑣甚至難以進(jìn)行。

圖4 交通燈控制電路中控制器的邏輯電路圖

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