淺談時序邏輯電路

李 彩

（信陽師范學(xué)院 物理電子工程學(xué)院，河南 信陽 464000）

0 引言

隨著社會的科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展，人們所使用的電子產(chǎn)品也越來越高科技，像我們生活中所用的手機(jī)、計(jì)算機(jī)，相機(jī)等都逐漸趨于智能化。而在這些電子產(chǎn)品中時序邏輯電路應(yīng)用的十分廣泛。下面將是對時序邏輯電路進(jìn)行的簡單介紹。

1 時序邏輯電路的介紹

在數(shù)字電路中，我們常用的兩種電路分別是組合邏輯電路和時序邏輯電路，而這兩種電路卻有著本質(zhì)的區(qū)別。組合邏輯電路任意時刻的輸出信號只取決于當(dāng)時的輸入信號，它沒有記憶的功能，換一句話來說，如果電路的輸入信號突然消失了，那么它的輸出信號就會相應(yīng)的發(fā)生改變。而時序邏輯電路是一種具有記憶功能的邏輯電路，其任意時刻的輸出信號不僅與當(dāng)時的輸入信號有關(guān)，而且還與該時序邏輯電路原來的狀態(tài)有關(guān)。因此這也就決定了時序邏輯電路的基本單元就是觸發(fā)器，因?yàn)橹挥杏|發(fā)器才具有記憶功能。時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)中有兩個特點(diǎn)：（1）組合電路和存儲電路是時序邏輯電路的兩個部分，且存儲電路在該電路中是必不可少的；（2）這兩個部分之間要具有反饋的關(guān)系即存儲電路的輸出狀態(tài)必須反饋到組合電路的輸入端，組合邏輯電路的輸出是由存儲電路的輸出和輸入信號共同決定的。因?yàn)榇鎯﹄娐分械挠|發(fā)器具有不同的動作特點(diǎn)，所以時序邏輯電路可以區(qū)分為異步時序電路和同步時序電路，而所有觸發(fā)器狀態(tài)的變化都是在同一時鐘脈沖信號下同時發(fā)生的則成為同步時序邏輯電路，若觸發(fā)器的狀態(tài)不是同時變化的則稱為異步時序邏輯電路。在一般情況下，若給定我們一個電路，我們都希望用另外一種形式來描述其所要表達(dá)的含義，而時序邏輯電路也不例外。對時序邏輯電路的邏輯功能的描述有很多種形式，其中包括邏輯表達(dá)式、狀態(tài)表、卡諾圖、狀態(tài)圖和時序圖，這幾種描述方式為我們研究較為復(fù)雜的時序邏輯電路提供了很大的方便。

2 時序邏輯電路的分析方法

時序邏輯電路的分析過程就是根據(jù)給定的電路，分析出該電路所實(shí)現(xiàn)的邏輯功能的過程，在這個過程中要找出電路的狀態(tài)和輸出的狀態(tài)在輸入變量和時鐘信號的作用下的變化規(guī)律。

分析一個時序電路一般可按照以下幾個步驟：

（1）分析邏輯電路的組成：確定輸入和輸出信號，區(qū)分出組合電路部分和存儲電路部分，確定該電路是同步的還是異步的。

（2）從給定的邏輯電路圖中寫出每個觸發(fā)器的驅(qū)動方程。

（3）把得到的驅(qū)動方程帶入相應(yīng)的觸發(fā)器的特性方程中去，從而得到每個觸發(fā)器的狀態(tài)方程，然后就可以得到由這些觸發(fā)器的狀態(tài)方程組成的整個時序邏輯電路的狀態(tài)方程組。

（4）根據(jù)邏輯電路圖再寫出整個電路的輸出方程。

（5）把電路的輸入信號和存儲電路現(xiàn)態(tài)的所有可能的取值組合代入狀態(tài)方程和輸出方程進(jìn)行計(jì)算，求出相應(yīng)的次態(tài)和輸出。列表時應(yīng)注意，時鐘信號CP只是一個操作信號，不能作為輸入變量。在由狀態(tài)方程確定次態(tài)時，須首先判斷觸發(fā)器的時鐘條件是否滿足，如果不滿足，觸發(fā)器狀態(tài)保持不變。

（6）畫狀態(tài)圖或時序圖。

3 時序邏輯電路的設(shè)計(jì)方法

時序邏輯電路的設(shè)計(jì)過程其實(shí)就是其分析的逆過程。而設(shè)計(jì)的主要任務(wù)則是給定一個具體的邏輯問題，如何能設(shè)計(jì)出一個時序邏輯電路，且該電路能實(shí)現(xiàn)該題中所描述的邏輯功能。

下面來介紹時序邏輯電路的設(shè)計(jì)步驟：

（1）分析給定的邏輯問題，將其進(jìn)行邏輯抽象，然后設(shè)定其輸入、輸出變量并確定其含義，從而得出電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖或者狀態(tài)裝換表。

（2）狀態(tài)化簡：由于設(shè)計(jì)的宗旨一般都是力求電路簡單，因?yàn)檫@樣不但可以節(jié)省元器件而且還可以使我們設(shè)計(jì)的電路一目了然。而狀態(tài)化簡則能夠使等價(jià)的狀態(tài)進(jìn)行合并，從而能夠得到最簡的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

（3）狀態(tài)的分配又稱狀態(tài)編碼：這一步驟是整個設(shè)計(jì)中的重中之重，因?yàn)檫@將關(guān)系到整個設(shè)計(jì)電路的簡單與否，所以在此步驟中我們要特別注意。

（4）選定在設(shè)計(jì)中所要應(yīng)用的觸發(fā)器然后根據(jù)所得出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖求出電路的狀態(tài)方程、驅(qū)動方程、和輸出方程。注意由于不同的觸發(fā)器所具有的邏輯功能也不相同，所以在觸發(fā)器的選擇上一般要考慮器件的的供應(yīng)及盡量減少電路中觸發(fā)器的種類兩個方面。

（5）根據(jù)所得到的方程式畫出所設(shè)計(jì)的電路圖。

（6）檢查所設(shè)計(jì)的電路是否能夠自啟動，若不能則需要對電路在不能改變其邏輯功能的前提下進(jìn)行改動，從而使其能夠進(jìn)行自啟動。

4 幾種典型的時序邏輯電路

4.1 寄存器

寄存器是數(shù)字系統(tǒng)中用來存儲代碼或數(shù)據(jù)的邏輯部件，主要是由觸發(fā)器或鎖存器構(gòu)成，也可以理解為寄存器是若干觸發(fā)器的集合。

4.2 移位寄存器

移位寄存器除了具有一般寄存器的功能之外，還具有移位的功能。即寄存器里存儲的代碼能在移位脈沖的作用下可以向低位和高位移動。所以說移位寄存器不但可以用來寄存代碼，而數(shù)據(jù)的串行-并行轉(zhuǎn)換，數(shù)值的運(yùn)算以及數(shù)據(jù)處理等也是通過移位寄存器來實(shí)現(xiàn)的。

4.3 計(jì)數(shù)器

計(jì)數(shù)器是在數(shù)字電路中使用最多的時序邏輯電路了，這是因?yàn)橛?jì)數(shù)器不僅具有對輸入時鐘脈沖計(jì)數(shù)的功能，而在分頻、定時、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖和脈沖序列以及進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算時也可以使用計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器的種類有很多，根據(jù)不同的分類方法可以將計(jì)數(shù)器分成不同的類型，例如按計(jì)數(shù)器中的觸發(fā)器的動作是否同時改變可將計(jì)數(shù)器分為同步式和異步式兩類，而我們經(jīng)常遇到的加法計(jì)數(shù)器、減法計(jì)數(shù)器和可逆計(jì)數(shù)器則是按照計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)過程中的數(shù)字增減進(jìn)行分類的，有時也可以根據(jù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)容量將計(jì)數(shù)器區(qū)分成不同的計(jì)數(shù)器。

5 時序邏輯電路的應(yīng)用

時序邏輯電路的應(yīng)用是十分廣泛的。就拿我們現(xiàn)在所熟悉的計(jì)算機(jī)來說，它里面所含的存儲器都是有很多寄存器構(gòu)成的，而由上文所述我們知道了寄存器是時序電路的一種，還有我們所用來存儲文件所用的U盤，雖然它的體積很小，但是它里面也含有集成的時序邏輯電路。通過時序邏輯電路所制作出的電子產(chǎn)品還有很多。而在我們生活中，我們也可以通過利用時序邏輯電路制造出簡單的數(shù)字鐘、智能搶答器等。本文就不詳細(xì)介紹了。

6 總結(jié)

通過對時序邏輯電路各方面的描述，使我們對其有了簡單的了解。并且對其的分析和設(shè)計(jì)也有了頭緒。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，市場上的電子產(chǎn)品也逐漸趨于智能化，而時序邏輯電路在此起著至關(guān)重要的作用，并且在這個微電子技術(shù)不斷發(fā)展的時代，集成電路的工業(yè)水平也在不斷的提高，相信在未來的世界中，我們所見到的的時序邏輯電路都將趨于集成化。因此作為數(shù)字電路的一部分的時序邏輯電路在未來的經(jīng)濟(jì)市場中有著不可估量的前途。

［1］閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)(第四版)[M].北京:高等教育出版社，2011.

［2］陶永明.時序邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)方法的研究及探討[J].東北財(cái)經(jīng)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院,大連，2010.