數(shù)字電路與邏輯設(shè)計第6章1122中規(guī)模計數(shù)器.ppt

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,,M=12,,例：分析下圖所示的時序邏輯電路，試畫出其狀態(tài)圖和在CP脈沖作用下QD、QC、QB、QA的波形，并指出計數(shù)器的模是多少？,N M 的實現(xiàn)方法：,設(shè)需用模M集成計數(shù)器（異步清零、同步置數(shù)）組成模N 計數(shù)器,反饋清零法,反饋置數(shù)法,利用清零輸入端，使電路計數(shù)到N+1狀態(tài)時產(chǎn)生清零操作，越過后續(xù)M–N個狀態(tài)實現(xiàn)模N計數(shù),利用計數(shù)器的置數(shù)功能，通過進(jìn)位輸出給計數(shù)器置數(shù)M-N，跳過0至M-N的狀態(tài)實現(xiàn)模N計數(shù),,用集成計數(shù)器構(gòu)成任意進(jìn)制計數(shù)器小結(jié)：,思考：若計數(shù)器為同步清零和異步置數(shù)，其反饋清零法和反饋置數(shù)法與上述有何不同,,N M 的實現(xiàn)方法：,采用多片M進(jìn)制計數(shù)器構(gòu)成,各芯片可以連接為串行進(jìn)位方式或并行進(jìn)位方式,,對于擴展為M’的計數(shù)器再采用反饋清零或反饋置數(shù)進(jìn)行設(shè)計,中規(guī)模計數(shù)器的級聯(lián),級聯(lián)后的中規(guī)模計數(shù)器同樣可以通過復(fù)位或者預(yù)置來改變整個計數(shù)器的模值。 有兩種基本的做法： a、一種是將級聯(lián)后的計數(shù)器看成是一個整體，直接通過預(yù)置或者復(fù)位來改變計數(shù)模值。 b、另一種是將單片的計數(shù)器先通過預(yù)置或復(fù)位到達(dá)一定的模值，級聯(lián)后的計數(shù)器的模值等于被級聯(lián)計數(shù)器模值的乘積。只有級聯(lián)后計數(shù)器的模值可以被分解為幾個整數(shù)的乘積時，才可以用第二種方法。,,,3、雙時鐘4位二進(jìn)制同步可逆計數(shù)器 74LS193,集成計數(shù)器,,,,,,,異步清零：,異步預(yù)置數(shù)：,,3、雙時鐘4位二進(jìn)制同步可逆計數(shù)器 74LS193,同步加計數(shù)：,同步減計數(shù)：,CR =1,CR =0, LD=0,CR =0, LD=1,CP+=,CR =0, LD=1,CP-=,集成計數(shù)器,0 1 1 1 X X X X 保 持,,,,,集成計數(shù)器,,74LS193時序圖,,,,,四位二進(jìn)制可逆計數(shù)器—CT74193,中規(guī)模計數(shù)器,D ? A:高位?低位 CPU ，CPD :雙時鐘輸入 R: 異步清除,高電平有效 LD: 異步預(yù)置,低電平有效 QD ? QA:高位?低位,（一）邏輯符號,加到最大值時 產(chǎn)生進(jìn)位信號 QCC=0,減到最大值時 產(chǎn)生借位信號 QDD=0,,4. 異步十進(jìn)制計數(shù)器——74xx290,,（1）74xx290的功能,輸出端,,,,,,異步計數(shù)器相關(guān)連接,,,,時鐘輸入端,直接清零端,直接置9端,,,,,,,,,,,,,,,,,二進(jìn)制計數(shù)器,五進(jìn)制計數(shù)器,十進(jìn)制計數(shù)器,,,,,（1）74LS290的功能,二進(jìn)制計數(shù)器 CPA? QA,五進(jìn)制計數(shù)器CPB? QD QC QB,0,0,,,,74xx290的功能表,,,,,在計數(shù)或清零時，均要求R9(1)和R9(2)中至少一個必須為0,只有在R0(1)和R0(2)同時為1時，才能清零,,,,,,,,,,例 1：采用CT74290 設(shè)計M=6計數(shù)器,方法一：利用R端,M=6 態(tài)序表 N QDQCQBQA 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 0 3 0 0 1 1 4 0 1 0 0 5 0 1 0 1 6 0 1 1 0,,,,,,0110,0 0 0 0,,,,,,,,,,,例 2：采用CT74290 設(shè)計M=7計數(shù)器,M=7 態(tài)序表 N QDQCQB QA 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 0 3 0 0 1 1 4 0 1 0 0 5 0 1 0 1 6 0 1 1 0 7 1 0 0 1,方法二：利用S 端,,,,,,1 0 0 1,,,,,,,,,,,0 1 1 0,,例 3：用CT74290 設(shè)計M=10計數(shù)器,M=10 態(tài)序表 N QAQDQC QB 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 0 3 0 0 1 1 4 0 1 0 0 5 1 0 0 0 6 1 0 0 1 7 1 0 1 0 8 1 0 1 1 9 1 1 0 0,要求：采用5421碼計數(shù),,,,,,,,,,,三、 寄存器，移位寄存器。 寄存器是一種常用的時序邏輯電路,用來存儲多位二進(jìn) 制代碼。這些代碼可以是數(shù)據(jù)，指令，地址或其他信 息。由于一個觸發(fā)器只能存放一位二進(jìn)制代碼，因此， 用n個觸發(fā)器和一些起控制作用的門電路，可以組成 n位寄存器。 按功能劃分，寄存器可分為： 數(shù)碼寄存器 移位寄存器 1 、 數(shù)碼寄存器,,1D CI,,,,,,,,,DI,存數(shù)指令,Q,Q,,1 、 數(shù)碼寄存器 數(shù)碼寄存器是能夠存放二進(jìn)制數(shù)碼的電路。由于 觸發(fā)器具有記憶功能，因此可以作為數(shù)碼寄存器 的電路。 下圖為由D觸發(fā)器實現(xiàn)寄存一位數(shù)碼的寄存單元。 工作原理： 若DI=0， 在存數(shù)指令的作用下， Qn+1 =0， 若DI=1， 在存數(shù)指令的作用下， Qn+1=1。,,這樣，在存數(shù)指令的作用下，將輸入信號的數(shù)碼DI存入到D觸發(fā)器中。 這樣寄存器只用來存放數(shù)碼，一般僅具有接收數(shù)碼，保持并清除原有數(shù)碼等功能，電路結(jié)構(gòu)和工作原理都比較簡單。 一個多位的數(shù)碼寄存器，可以看作是多個觸發(fā)器的并行使用。,、移位寄存器 移位寄存器是一個同步時序電路，除具有存放數(shù) 碼的功能外，還具有將數(shù)碼移位的功能，即在時鐘CP 作用下，能夠把寄存器中存放的數(shù)碼依次左移或右移。,⑴ 下圖為由4個D觸發(fā)器構(gòu)成的4位左移的移位寄存器 由圖可見：Q1n+1=VI， Q2n+1=Q1n Q3n+1=Q2n，Q4n+1=Q3n,1D 4 CI,,,1D 4 CI,,,1D 4 CI,,,1D 4 CI,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Q4,Q3,Q2,Q1,輸入 VI,CP,就實現(xiàn)了數(shù)碼在移存脈沖作用下，向左依位移存。 同理可構(gòu)成右移位寄存器。,1011,1,1,1,1,0,0,1,0,1,1,⑵ 雙向寄存器 同時具有左移和右移的功能，是左移還是右移取決于 移存控制信號M。 如圖所示 由圖可寫出各級D觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程： Q4n+1=AM+MQ3n 其中，A為右移輸入數(shù)碼 Q3n+1=MQ4n+MQ2n B為左移輸入數(shù)碼 Q2n+1=MQ3n+MQ1n Q1n+1=MQ2n+MB,,,,,,,,,,,,,,,,當(dāng)M=1時， Q4n+1=A Q3n+1=Q4n Q2n+1=Q3n Q1n+1=Q2n 因此，在移存脈沖CP作用下，實現(xiàn)右移移位寄存功能。 當(dāng)M=0時， Q4n+1=Q3n Q3n+1=Q2n Q2n+1=Q1n Q1n+1=B 因此，在移存脈沖CP作用下，實現(xiàn)左移移位寄存功能。,,,所以在雙向移位寄存器中，我們可通過控制M的取 值來完成左右移功能。在上例中， M=1時，完成右移功能； M=0時，完成左移功能。,移位寄存器的邏輯功能： 既能寄存數(shù)碼，又能在時鐘脈沖的作用下使數(shù)碼向高位或向低位移動,移位寄存器,,,按移動方式分,單向移位寄存器,,,雙向移位寄存器,左移位寄存器,右移位寄存器,移位寄存器的邏輯功能分類,實現(xiàn)數(shù)碼串—并行轉(zhuǎn)換 通常信息在線路上的傳遞是串行傳送，而終 端的輸入或輸出往往是并行的，因而需對信號進(jìn)行 串—并行轉(zhuǎn)換或并—串轉(zhuǎn)換。,⑶ 移位寄存器的應(yīng)用,并入并出、并入串出、串入并出、串入串出,移位寄存器的應(yīng)用,并入并出－數(shù)據(jù)寄存,并入串出－多位數(shù)據(jù)共信道傳輸,串入并出－共信道傳輸數(shù)據(jù)接收,串入串出－數(shù)字延遲,可變長度移位寄存器,,A 、 串行轉(zhuǎn)換成并行 （5單位信息的串—并轉(zhuǎn)換電路） 組成：由兩部分: 5位右移移位寄存器, 5個與門組成的并行讀出電路. 5單位信息：是由5位二進(jìn)制數(shù)碼組成一個信 息的代碼。 并行讀出脈沖必須在經(jīng)過5個移存脈沖后出 現(xiàn)，并且和移存脈沖出現(xiàn)的時間錯開。,1D CI,,,1D CI,,,1D CI,,,1D CI,,,1D CI,,,＆,＆,＆,＆,＆,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,并行讀出指令,串行輸入,移存脈沖CP,D5,D4,D3,D2,D1,Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,,,,,,11001,分析：假設(shè)串行輸入的數(shù)碼為10011（左邊先入）,串—并行轉(zhuǎn)換狀態(tài)表,,,,,,,,,,,,,,,波形：,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,并行輸出脈沖,移存脈沖,Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,,,,,,,,,,,,1,1,0,0,1,1,0,0,1,,,B 并行轉(zhuǎn)換為串行（輸入是并行，輸出是串行） 組成： 右移移位寄存器和輸入電路 分析：由于是D觸發(fā)器，有Qn+1=D 由于D1=MD11=MD11，D2=…… 因此在移存脈沖作用下，狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程為： Q1n+1=MD11， Q2n+1=MD12 + Q1n Q3n+1=MD13 + Q2n， Q4n+1=MD14 + Q3n Q5n+1=MD15 + Q4n,工作時: (1) RD首先清零，使所有觸發(fā)器置0。 (2)當(dāng)并行取樣脈沖M=1時，在第一個移存脈沖 CP的作用下，輸入信號D11~D15并行存入 到各級觸發(fā)器中。 (3)存入以后并行取樣脈沖M=0，在移存的脈沖 CP的作用下，實行右移移存功能，從Q5端輸 出串行數(shù)碼。,,假設(shè) 輸入的5位數(shù)碼為11001（Q1…Q5）， 第二組為10101。,5單位數(shù)碼并—串行轉(zhuǎn)換狀態(tài)轉(zhuǎn)移表,M=1,,,,,,,,,,,,,,M=1,M=0,波形：,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,RD,CP,并行 取樣,Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,,,1,1,0,0,1,,,,,,,,,,,0,0,0,1,1,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,1,0,0,1,1,,,,注：并行取樣脈沖M與移存脈沖之間有一定的關(guān)系。 若輸入信號的位數(shù)為N位，則由n級觸發(fā)器構(gòu)成移位寄存器。 移存脈沖頻率為 ： fcp=n fm fcp為移存脈沖，fm并行取樣脈沖頻率， M的脈沖寬度應(yīng)比CP脈沖的寬。 ② 移位寄存器用于脈沖節(jié)拍延遲。 輸入信號經(jīng)過n級移位寄存器后才到達(dá)輸出端，因此 輸出信號比輸入信號延遲了n個移存脈沖周期，這樣 就起到了節(jié)拍延遲的作用。延遲周期：td=ntcp。 還可構(gòu)成計數(shù)分頻電路。,3 集成移位寄存器 ⑴ 集成74LS195 首先看一下195 內(nèi)部電路構(gòu)成（189頁） 及外部端口的作用。 CR為異步清0端 J，K為 串行數(shù)據(jù)輸入端 D0，D1，D2，D3為并行數(shù)據(jù)輸入端。 SH/LD 為 移位/置入控制 端,,,,分析： 根據(jù)D觸發(fā)器的狀態(tài)方程和激勵函數(shù)，有 Q0n+1=SH/LD D0+SH/LD（JQ0n+KQ0n） Q1n+1=SH/LD D1+SH/LDQ0n Q2n+1=SH/LD D2+SH/LDQ1n Q3n+1=SH/LD D3+SH/LDQ2n 當(dāng)SH/LD=0時，即置入功能時，有 Q0n+1=D0 Q1n+1=D1,,,,,,,,,,,,,,,,Q2n+1=D2 Q3n+1=D3 若SH/LD=1，即右移功能時，有 Q0n+1=J Q０ｎ+K Q0n Q1n+1=Q0n Q2n+1=Q1n Q3n+1=Q2n 74LS195的邏輯符號（書上190圖6—2—14）,,,,,,74LS195的功能表,,,⑵ 集成移位寄存器74LS195的應(yīng)用 a 串行—并行轉(zhuǎn)換 下圖所示為7位串行-并行轉(zhuǎn)換器,J K D0 D1 D2 D3 SH/LD Ⅰ CR Q0 Q1 Q2 Q3 Q3,,,,,,,J K D0 D1 D2 D3 SH/LD Ⅱ CR Q0 Q1 Q2 Q3 Q3,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,串輸入行DI,0,1,Q0 Q1 Q2 Q3,Q4 Q5 Q6,CR,CP,,,,,,并行輸出,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,電路結(jié)構(gòu)分析： 串行輸入數(shù)據(jù)DI加到片Ⅰ的J，K和D0端。 片Ⅰ的D1端接0，作為標(biāo)志碼，片Ⅰ其余 的D2，D3接1。 片Ⅱ的串行數(shù)據(jù)輸入端J， K接片Ⅰ的Q3。 片Ⅱ的輸入端D0~D3均接1。片Ⅱ的Q3輸出作 片Ⅰ和片Ⅱ的SH/LD輸入。,,,,工作過程： ①器件通過CR清0，使所有Q輸出均為0， 包括片Ⅱ的Q3=0。 ②由于此時片ⅡQ3=0，使片Ⅰ，片Ⅱ的SH/LD 均為0，在第一個CP上升沿到達(dá)時，兩芯片均 執(zhí)行并行置入功能，使轉(zhuǎn)換器總輸出 “Q0~Q6”=“D0 011111” ③由于片ⅡQ3=1，使SH/LD=1，在下一個CP 上升沿到達(dá)時，執(zhí)行右移寄存功能。使串行數(shù),,,,數(shù)據(jù)的D1移入寄存器，使總輸出 “D0~D6”= “D1D0 01111”。 ④ 在CP上升沿作用下，由于片ⅡQ3=1，使電路 繼續(xù)執(zhí)行右移移位功能，串行輸入數(shù)據(jù)逐個存 入到移位寄存器，直到“Q0~Q6”=“D6~D0”。 ⑤ 這時標(biāo)志碼0移到了片Ⅱ的Q3，使SH/LD=0， 在下一CP上升沿到達(dá)時，執(zhí)行又一次的并行置入 功能，開始新的一組7位數(shù)碼的串—并開始。,,ｂ 并行—串行轉(zhuǎn)換器 （書上１９２頁） 工作過程： ①在啟動脈沖和時鐘ＣＰ作用下，執(zhí)行并 行置入功能。片ⅡＱ３＝ＤＩ６。 ②啟動脈沖消失，在ＣＰ作用下，由于標(biāo)志位０ 的存在，使門Ｇ１輸出為１，使得ＳＨ／ＬＤ ＝１，執(zhí)行右移移位寄存功能。 ③以后在移存脈沖作用，并行輸入數(shù)據(jù)由片Ⅱ的 Ｑ３逐位串行輸出，同時又不斷地將片Ⅰ的串 行輸入端Ｊ，Ｋ＝１的數(shù)據(jù)移位寄存到寄存器。,,,④第１個ＣＰ時： ＤＩ６ ２ ＤＩ５ ３ ＤＩ４ ４ ＤＩ３ ５ ＤＩ２ ６ ＤＩ１ ７ ＤＩ０,串出數(shù)據(jù) (Q3),⑤ 當(dāng)?shù)冢穫€ＣＰ脈沖到達(dá)后，片Ⅱ的 Ｑ２＝０，Ｑ３＝ＤＩ０，片Ⅰ，Ⅱ的 其余 輸入端均為１，門Ｇ１的輸入全為 １，使ＳＨ／ＬＤ＝ ０ 。 標(biāo)志著這一組７位并行輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié) 束。同時在下一時鐘ＣＰ作用下，執(zhí)行下一組 ７位數(shù)據(jù)的并行置入，進(jìn)行下一組并行數(shù)據(jù)的 并—串轉(zhuǎn)換。,,,74LS194的功能表,,,,,,,,,,,,,0,0,1,8,L,,,,,,,,,0,,0,1,1,7,H,,,,,,,,,1,,0,1,1,6,,,,0,,,,,,,0,1,0,1,5,,,,1,,,,,,,1,1,0,1,4,D0,D1,D2,D3,D0,D1,D2,D3,,,,1,1,1,3,,,,,,,,,非上升沿,,,,,1,2,0,0,0,0,,,,,,,,,,0,1,D0,D1,D2,D3,右移DSR,左移DSL,MB,MA,Q0,Q1,Q2,Q3,并行輸入,時鐘脈沖CP,串行輸入,控制信號,輸 出,輸 入,清零 RD,序號,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,異步清零,同步置數(shù),低位向高位移動(右移),高位向低位移動(左移),保持,,,,按移存規(guī)律構(gòu)成的任意模值計數(shù)分頻器稱為移存型計數(shù)器。常用的移存型計數(shù)器有 環(huán)形計數(shù)器和扭環(huán)計數(shù)器。,用集成移位寄存器實現(xiàn)任意模值 的計數(shù)分頻,移位寄存器構(gòu)成的同步移位計數(shù)器,1. 環(huán)形計數(shù)器,環(huán)形計數(shù)器的特點： 電路簡單，N位移位寄存器可以計N個數(shù)，實現(xiàn)模N計數(shù)器。狀態(tài)為1的輸出端的序號等于計數(shù)脈沖的個數(shù)，通常不需要譯碼電路。,,1、環(huán)形計數(shù)器,例1：用CT1195構(gòu)成M=4 的環(huán)形計數(shù)器。,態(tài)序表 Ｑ３ Ｑ２ Ｑ１ Ｑ０ ０ ０ ０ １ ０ ０ １ ０ ０ １ ０ ０ １ ０ ０ ０,,,,,,,,,,,,移位寄存器構(gòu)成的移位計數(shù)器,1. 環(huán)形計數(shù)器,,,1、 環(huán)形計數(shù)器,1.電路除了有效計數(shù)循環(huán)外，還有五個無效循環(huán)； 2.不能自啟動; 3. 工作時首先在SH/LD加啟動信號進(jìn)行預(yù)置.,注意,1、 環(huán)形計數(shù)器,1. 連接方法： ——將移位寄存器的最后一級輸出Q反饋到第一級的Ｊ、K輸入端； 2. 判斷觸發(fā)器個數(shù)n ： ——計數(shù)器的模為Ｍ＝ｎ(n為所需移位寄存器的位數(shù)),設(shè)計方法,,2．扭環(huán)形計數(shù)器,為了增加有效計數(shù)狀態(tài)，擴大計數(shù)器的模，可用扭環(huán)形計數(shù)器。,一般來說，N位移位寄存器可以組成模2N的扭環(huán)形計數(shù)器，只需將末級輸出反相后，接到串行輸入端。,移位寄存器構(gòu)成的移位計數(shù)器,2 、 扭環(huán)形計數(shù)器,例1： M=8 的 扭環(huán)形計數(shù)器。,,,,,,,,,,,態(tài)序表 Q0 Q1 Q2 Q 3 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1,移位寄存器構(gòu)成的移位計數(shù)器,1. 電路除了有效計數(shù)循環(huán)外，還有一個無效循環(huán); 2. 不能自啟動; 3. 工作時首先在R加啟動信號進(jìn)行清零.,注意,2、 扭環(huán)形計數(shù)器,1. 連接方法： ——將移位寄存器的最后一級輸出Q經(jīng)反相器后反饋到第一級的Ｊ、K輸入端; 2. 判斷觸發(fā)器個數(shù)n ： ——計數(shù)器的模為Ｍ＝2n (n為移位寄存器的位數(shù)),設(shè)計方法,2、 扭環(huán)形計數(shù)器,,3．移位計數(shù)器的設(shè)計,移位計數(shù)器必定存在非工作循環(huán),無論環(huán)形或扭環(huán)形移位計數(shù)器，自啟動電路設(shè)計均只改變第一級輸入端,移位計數(shù)器的設(shè)計主要是自啟動設(shè)計：選定工作循環(huán)并使移位計數(shù)器自動工作于工作循環(huán)中,可以選擇的自啟動方案分別是：,,,,,例6-12：應(yīng)用4位移位寄存器74195 ， 實現(xiàn)模12同步計數(shù)。,小結(jié)：用74195構(gòu)成其余不同模值時，結(jié)構(gòu) 不變，只需改變 并行輸入數(shù)據(jù)即可。,例：應(yīng)用移位寄存器和譯碼器可以構(gòu)成程序計數(shù)分頻器。,,,任意模計數(shù)的實現(xiàn)方式一般性討論,同步計數(shù)器：控制各級的T端,異步計數(shù)器：控制各級的CP端,移位計數(shù)器：控制第一級的移入輸入端,,基于觸發(fā)器設(shè)計，可以對相應(yīng)端進(jìn)行操作,反饋置數(shù)法,反饋清零法,,具有置數(shù)或清零端的觸發(fā)器、集成計數(shù)器,,本章小結(jié),本章主要討論了幾種常用的時序模塊，如寄存器、移位寄存器計數(shù)器等。 移位寄存器分為左移、右移及雙向移動等。 計數(shù)器可分為同步、異步兩種；同步計數(shù)器的工作頻率高，異步計數(shù)器的電路簡單。,本章重點難點,重點： 1. 會識別中規(guī)模時序模塊的功能； 2. 熟悉其功能擴展； 3. 具備應(yīng)用時序模塊及組合模塊構(gòu)成給定邏輯功能電路的能力。 難點： 靈活運用模塊設(shè)計復(fù)雜邏輯功能電路。,