数电基础：时序逻辑电路

 

---

        虽然每个数字电路系统可能包含有组合电路，但是在实际应用中绝大多数的系统还包括存储元件，我们将这样的系统描述为时序电路。

        时序电路是由最基本的逻辑门电路加上反馈逻辑回路（输出到输入）或器件组合而成的电路，与组合电路最本质的区别在于时序电路具有记忆功能。

1. 简介

           时序逻辑电路是数字逻辑电路的重要组成部分,时序逻辑电路又称时序电路,主要由   存储电路   和    组合逻辑电路   两部分组成。它和我们熟悉的其他电路不同,其在任何一个时刻的输出状态由当时的输入信号和电路原来的状态共同决定,而它的状态主要是由存储电路来记忆和表示的。同时时序逻辑电路在结构以及功能上的特殊性,相较其他种类的数字逻辑电路而言,往往具有难度大、电路复杂并且应用范围广的特点  。

在数字电路通常分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类，组合逻辑电路的特点是输入的变化直接反映了输出的变化，其输出的状态仅取决于输入的当前的状态，与输入、输出的原始状态无关，而时序电路是一种输出不仅与当前的输入有关，而且与其输出状态的原始状态有关，其相当于在组合逻辑的输入端加上了一个反馈输入，在其电路中有一个存储电路，其可以将输出的状态保持住，我们可以用下图的框图来描述时序电路的构成。

从上面的图上可以看出，其输出是输入及输出前一个时刻的状态的函数，这时就无法用组合逻辑电路的函数表达式的方法来表示其输出函数表达式了，在这里引入了现态（Present state)和次态（Next State)的概念,当现态表示现在的状态（通常用Qn来表示），而次态表示输入发生变化后其输出的状态 （通常用Qn+1表示），那么输入变化后的输出状态表示为

Qn+1=f(X,Qn)，其中：X为输入变量。

组合电路和存储元件互联后组成了时序电路。存储元件是能够存储二进制信息的电路。存储元件在某一时刻存储的二进制信息定义为该时刻存储元件的状态。时序电路通过其输入端从周围接受二进制信息。时序电路的输入以及存储元件的当前状态共同决定了时序电路输出的二进制数据，同时它们也确定了存储元件的下一个状态。时序电路的输出不仅仅是输入的函数，而且也是存储元件的当前状态的函数。存储元件的下一个状态也是输入以及当前状态的函数。因此，时序电路可以由输入、内部状态和输出构成的时间序列完全确定。

逻辑设计领域主要有两种类型的时序电路，它们分类的标准取决于我们观察到的输入信息的时机和内部状态改变的时机。同步时序电路   （synchronous sequential circuit）的行为可以根据其在离散的时间点上的信号信息来定义。而 [2]  异步时序电路（asynchronous sequential circuit)的行为则取决于任意时刻的输入信号以及输入信号在连续的时间内变化的顺序。

时序电路的特点是：输出不仅取决于当时的输入值，而且还与电路过去的状态有关。它类似于含储能元件的电感或电容的电路，如触发器、锁存器、计数器、移位寄存器、存储器等电路都是时序电路的典型器件，时序逻辑电路的状态是由存储电路来记忆和表示的。 

时序逻辑电路的特点：任意时刻的输出不仅取决于该时刻的输入，而且还和电路原来的状态有关，所以时序电路具有记忆功能。

1.1、分类 

 

1.2 时序逻辑功能描述方法

 

原文链接：https://blog.csdn.net/leemboy/article/details/82780617

1.2.1 逻辑方程组

1)  驱动方程(激励方程)

    触发器的控制端J、K、D、T与其他参量的函数关系
        J,K,D,T=f(Qn,X)
    很简单时可默认不写

 2)  状态方程

   将触发器特征方程改造而成的触发器的次态输出Qn+1与现态输出Qn的关系。
        Qn+1=f(Qn,J,K,D,T)

 3) 输出方程

    电路最终输出与触发器输出Qn的关系。
        Y=f(Qn,X)
    三种方程中，驱动方程、状态方程最重要，输出方程往往可以不要，因为电路简单时，触发器的输出Qn一般就是电路的最终输出。

1.2.2状态转换表

1.2.3 状态图 

 1.2.4 时序图

 

时序逻辑电路的分析方法

1)  分析电路的组成
2)  根据电路写出三个方程
3)  列出状态转换真值表和状态表
4)  画出状态转换图
5)  描述电路逻辑功能

几个概念

 

三种逻辑器件

时序逻辑电路应用很广泛,根据所要求的逻辑功能不同进行划分,它的种类也比较繁多。在具体的授课环节中,主要选取了应用较广、具有典型时序逻辑电路特征的三种逻辑器件进行比较详细地介绍 [1]  。

1.计数器

一般来说,计数器主要由触发器组成,用以统计输入计数脉冲CP的个数。计数器的输出通常为现态的函数。计数器累计输入脉冲的最大数目称为计数器的“模”,用M表示。如M=6计数器,又称六进制计数器。所以,计数器的“模”实际上为电路的有效状态数 。

同步七进制加法计数器的逻辑图计数器的种类很多,特点各异。主要分类如下:按计数进制可分为:二进制计数器、十进制计数器、任意进制计数器。按计数增减可分为:加法计数器、减法计数器、加/减计数器,又称可逆计数器。按计数器中触发器翻转是否同步可分为:异步计数器和同步计数器  。

2.寄存器

寄存器是存放数码、运算结果或指令的电路，移位寄存器不但可存放数码,而且在移位脉冲作用下，寄存器中的数码可根据需要向左或向右移位。寄存器和移位寄存器是数字系统和计算机中常用的基本逻辑部件,应用很广。一个触发器可存储一位二进制代码, n个触发器可存储n位二进制代码。因此,触发器是寄存器和移位寄存器的重要组成部分。对寄存器中的触发器只要求它们具有置0或者置1功能即可,无论是用同步结构的触发器,还是用主从结构或者边沿触发的触发器,都可以组成寄存器   。

3.顺序脉冲发生器

顺序脉冲是指在每个循环周期内,在时间上按一定先后顺序排列的脉冲信号。产生顺序脉冲信号的电路称为顺序脉冲发生器。在数字系统中,常用以控制某些设备按照事先规定的顺序进行运算或操作 。

特点

时序逻辑电路其任一时刻的输出不仅取决于该时刻的输入，而且还与过去各时刻的输入有关。常见的时序逻辑电路有触发器、计数器、寄存器等。由于时序逻辑电路具有存储或记忆的功能，检修起来就比较复杂。

带有时序逻辑电路的数字电路主要故障分析：

1. 时钟：时钟是整个系统的同步信号，当时钟出现故障时会带来整体的功能故障。时钟脉冲丢失会导致系统数据总线、地址总线或控制总线没有动作。时钟脉冲的速率、振幅、宽度、形状及相位发生变化均可能引发故障。

2. 复位：含有微处理器(MPU)的设备，即使是最小系统，一般都具有复位功能。复位脉冲在系统上电时加载到MPU上，或在特定情况下使程序回到最初状态(例如，看门狗Watchdog程序)。当复位脉冲不能发生、信号过窄、信号幅度不对、转换中有干扰或转换太慢时，程序就可能在错误的地址启动，导致程序混乱。

3. 总线：总线传递指令系列和控制事件，一般有地址总线、数据总线和控制总线。当总线即使只有一位发生错误时，也会严重影响系统功能，出现错误寻址、错误数据或错误操作等。总线错误可能发生在总线驱动器中，也可能发生在接收数据位的其它元件中。

4. 中断：带微处理器(MPU)的系统一般都能够响应中断信号或设备请求，产生控制逻辑，以暂时中断程序执行，转到特殊程序，为中断设备服务，然后自动回到主程序。中断错误主要是中断线路粘附(此时系统操作非常缓慢)或受到干扰(系统错误响应中断请求)。

5. 信号衰减和畸变：长的并行总线和控制线可能会发生交互串扰和传输线故障，表现为相邻的信号线出现尖峰脉冲(交互串扰)，或驱动线上形成减幅振荡(相当于逻辑电平的多次转换)，从而可能加入错误数据或控制信号。发生信号衰减的可能原因比较多，常见的有高湿度环境、长的传输线、高速率转换等。而大的电子干扰源会产生电磁干扰(EMI)，导致信号畸变，引起电路的功能紊乱。

检修方法

在检修时序逻辑电路之前应尽可能熟悉系统的结构原理和电路，然后是分析故障的表征特性，尽可能地缩小故障产生的范围。较高档的医疗设备一般带有自诊断程序，可充分利用它查找故障，将故障定位到较小范围。

检查电源

时序逻辑电路较常采用±5V、±15V、±12V电源。当电源对地短路或电源稳定性差都可能导致系统故障，表现为系统无反应、系统程序紊乱等。一般来说，电源对地短路是因为电容（去耦电容）短路产生的，找到故障电容最好的办法是采用电流跟踪仪跟踪短路电流，没有电流跟踪仪的就只好将电路分单元查找替换。

检查时钟

时钟电路一般由石英晶体电路组成(也有采用RC振荡电路的)。根据经验，石英晶体较易损坏。可用示波器测试时钟信号的频率、振幅、相位，或简单地用逻辑探针检测时钟脉冲的有无。对各个单元电路的时钟均应检测，以防断线、松脱、干扰等引起时钟脉冲的不正确。

检查总线

用逻辑探针检查总线上是否有脉冲活动。若总线上没有脉冲活动，可继续检查总线驱动器输入端有无脉冲信号、驱动器是否在允许状态、驱动器是否响应激励等，来确定故障是否是由于总线驱动器引起的，然后轮流检查每一个总线接收者。另外，可以关掉电源，用多用表检查总线各线的对地电阻，如果所有线的阻值一样，那么总线估计正常；如果一条或多条线的阻值与其余的不同，那么该线值得怀疑；如果有两根线的阻值相同，而又高于或低于其它的线，那么这两条线可能相互短路了。

检查关键的脉冲信号

用逻辑探针、示波器或逻辑分析仪观察复位、使能、选通、读写、中断、读内存等控制信号，可以较好地判断集成电路(IC)是否正常工作。当复位信号有效时，IC输出应被清零或置位，程序应回到初始状态运行；当使能信号有效而时钟脉冲正常时，IC数据线上应有脉冲活动；当逻辑探针连到读内存线上，而指示灯没有闪烁显示(即读内存线上没有脉冲活动)，说明微处理器可能在程序的某处卡住了，因为每一条指令读地址处存储器时，读内存线上通常是应有脉冲信号的；对于中断信号，可用逻辑探针来观察是否发生中断线路粘附，也可通过外加直流电压或低电平来控制(允许或禁止)被测试的中断。

检查接口

接口卡、印刷板与插座插接时可能松脱或偏离中心导致接触不良而引发故障，实际上很多故障的确是由此产生的，对此可用无水酒精擦拭清洁接口后再重新插接固定。另外数字系统还常常通过外部通信线路(RS232、MODEM、IEEE-488等)与其它系统连接，而连接线通常很长，还可能暴露于电子干扰源下，例如继电器、电机、变压器、大型X线机、阴雨天闪电等，连接口接触不良和电子干扰源的电磁干扰(EMI)均可能会产生错误的数据传送，甚至损坏相关的元件。对电磁干扰最好找出干扰源后排除它，其次可改善工作环境(如湿度和温度等)，加强屏蔽，或改用屏蔽性能好的连接线。

时序逻辑电路的检修有许多方法技巧，必须通过长期实际工作摸索总结经验，才能更好地诊断、发现、排除故障，提高时序逻辑电路的维修技术水平。

设计步骤

下面提到的时序电路的设计步骤与组合电路类似，但还需要一些额外的步骤。

1．规格说明书：如果没有，先写出电路的规格说明书。

2．系统描述：从问题的陈述中得出状态图或状态表。

3．状态赋值：如果通过步骤1中只能得到状态图，则在从状态图中得到状态表。并为状态表中的每个状态赋二进制代码。

4．得到触发器的输入方程：选择一种或多种类型的触发器，通过已经编码的状态表中的下一状态得到触发器的状态方程。

5．得到输出方程：通过状态表中的输出信号栏得到输出方程。

6．优化：优化触发器的输入方程和输出方程。

7．工艺映射：画出电路由触发器、与门、或门和反向器所组成的逻辑图。将这个逻辑图转换为由有效的触发器和门工艺组成的新的逻辑图。

8．验证：验证最终设计的正确性。

为了方便起见，我们一般都省略步骤7即工艺映射，而在示意图中仅使用触发器、与门、或门和反向器。