浅谈时序逻辑电路

作者：李彩

来源：《科技视界》 2013年第3期

李 彩

（信阳师范学院 物理电子工程学院，河南 信阳 464000）

【摘 要】时序逻辑电路在数字电路中占有十分重要的地位，本文主要是对时序逻辑电路的的逻辑功能及其描述方法、电路结构、分析方法及其设计方法作了简单的介绍。最后通过介绍了几种典型的时序逻辑电路，总结了时序逻辑电路在未来的应用方向。

【关键词】时序逻辑电路；逻辑功能；特点；分析；设计

０ 引言

随着社会的科学技术不断的发展，人们所使用的电子产品也越来越高科技，像我们生活中所用的手机、计算机，相机等都逐渐趋于智能化。而在这些电子产品中时序逻辑电路应用的十分广泛。下面将是对时序逻辑电路进行的简单介绍。

１ 时序逻辑电路的介绍

在数字电路中，我们常用的两种电路分别是组合逻辑电路和时序逻辑电路，而这两种电路却有着本质的区别。组合逻辑电路任意时刻的输出信号只取决于当时的输入信号，它没有记忆的功能，换一句话来说，如果电路的输入信号突然消失了，那么它的输出信号就会相应的发生改变。而时序逻辑电路是一种具有记忆功能的逻辑电路，其任意时刻的输出信号不仅与当时的输入信号有关，而且还与该时序逻辑电路原来的状态有关。因此这也就决定了时序逻辑电路的基本单元就是触发器，因为只有触发器才具有记忆功能。时序逻辑电路在电路结构中有两个特点：（1）组合电路和存储电路是时序逻辑电路的两个部分，且存储电路在该电路中是必不可少的；（2）这两个部分之间要具有反馈的关系即存储电路的输出状态必须反馈到组合电路的输入端，组合逻辑电路的输出是由存储电路的输出和输入信号共同决定的。因为存储电路中的触发器具有不同的动作特点，所以时序逻辑电路可以区分为异步时序电路和同步时序电路，而所有触发器状态的变化都是在同一时钟脉冲信号下同时发生的则成为同步时序逻辑电路，若触发器的状态不是同时变化的则称为异步时序逻辑电路。在一般情况下，若给定我们一个电路，我们都希望用另外一种形式来描述其所要表达的含义，而时序逻辑电路也不例外。对时序逻辑电路的逻辑功能的描述有很多种形式，其中包括逻辑表达式、状态表、卡诺图、状态图和时序图，这几种描述方式为我们研究较为复杂的时序逻辑电路提供了很大的方便。

２ 时序逻辑电路的分析方法

时序逻辑电路的分析过程就是根据给定的电路，分析出该电路所实现的逻辑功能的过程，在这个过程中要找出电路的状态和输出的状态在输入变量和时钟信号的作用下的变化规律。

分析一个时序电路一般可按照以下几个步骤：

（1）分析逻辑电路的组成：确定输入和输出信号，区分出组合电路部分和存储电路部分，确定该电路是同步的还是异步的。

（2）从给定的逻辑电路图中写出每个触发器的驱动方程。

（3）把得到的驱动方程带入相应的触发器的特性方程中去，从而得到每个触发器的状态方程，然后就可以得到由这些触发器的状态方程组成的整个时序逻辑电路的状态方程组。

（4）根据逻辑电路图再写出整个电路的输出方程。

（5）把电路的输入信号和存储电路现态的所有可能的取值组合代入状态方程和输出方程进行计算，求出相应的次态和输出。列表时应注意，时钟信号CP只是一个操作信号，不能作为输入变量。在由状态方程确定次态时，须首先判断触发器的时钟条件是否满足，如果不满足，触发器状态保持不变。

（6）画状态图或时序图。

3 时序逻辑电路的设计方法

时序逻辑电路的设计过程其实就是其分析的逆过程。而设计的主要任务则是给定一个具体的逻辑问题，如何能设计出一个时序逻辑电路，且该电路能实现该题中所描述的逻辑功能。

下面来介绍时序逻辑电路的设计步骤：

（1）分析给定的逻辑问题，将其进行逻辑抽象，然后设定其输入、输出变量并确定其含义，从而得出电路的状态转换图或者状态装换表。

（2）状态化简：由于设计的宗旨一般都是力求电路简单，因为这样不但可以节省元器件而且还可以使我们设计的电路一目了然。而状态化简则能够使等价的状态进行合并，从而能够得到最简的状态转换图。

（3）状态的分配又称状态编码：这一步骤是整个设计中的重中之重，因为这将关系到整个设计电路的简单与否，所以在此步骤中我们要特别注意。

（4）选定在设计中所要应用的触发器然后根据所得出的状态转换图求出电路的状态方程、驱动方程、和输出方程。注意由于不同的触发器所具有的逻辑功能也不相同，所以在触发器的选择上一般要考虑器件的的供应及尽量减少电路中触发器的种类两个方面。

（5）根据所得到的方程式画出所设计的电路图。

（6）检查所设计的电路是否能够自启动，若不能则需要对电路在不能改变其逻辑功能的前提下进行改动，从而使其能够进行自启动。

4 几种典型的时序逻辑电路

4.1 寄存器

寄存器是数字系统中用来存储代码或数据的逻辑部件，主要是由触发器或锁存器构成，也可以理解为寄存器是若干触发器的集合。

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，还具有移位的功能。即寄存器里存储的代码能在移位脉冲的作用下可以向低位和高位移动。所以说移位寄存器不但可以用来寄存代码，而数据的串行-并行转换，数值的运算以及数据处理等也是通过移位寄存器来实现的。

4.3 计数器

计数器是在数字电路中使用最多的时序逻辑电路了，这是因为计数器不仅具有对输入时钟脉冲计数的功能，而在分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列以及进行数值运算时也可以使用计数器。计数器的种类有很多，根据不同的分类方法可以将计数器分成不同的类型，例如按计数器中的触发器的动作是否同时改变可将计数器分为同步式和异步式两类，而我们经常遇到的加法计数器、减法计数器和可逆计数器则是按照计数器在计数过程中的数字增减进行分类的，有时也可以根据计数器的计数容量将计数器区分成不同的计数器。

5 时序逻辑电路的应用

时序逻辑电路的应用是十分广泛的。就拿我们现在所熟悉的计算机来说，它里面所含的存储器都是有很多寄存器构成的，而由上文所述我们知道了寄存器是时序电路的一种，还有我们所用来存储文件所用的U盘，虽然它的体积很小，但是它里面也含有集成的时序逻辑电路。通过时序逻辑电路所制作出的电子产品还有很多。而在我们生活中，我们也可以通过利用时序逻辑电路制造出简单的数字钟、智能抢答器等。本文就不详细介绍了。

6 总结

通过对时序逻辑电路各方面的描述，使我们对其有了简单的了解。并且对其的分析和设计也有了头绪。随着科学技术的不断发展，市场上的电子产品也逐渐趋于智能化，而时序逻辑电路在此起着至关重要的作用，并且在这个微电子技术不断发展的时代，集成电路的工业水平也在不断的提高，相信在未来的世界中，我们所见到的的时序逻辑电路都将趋于集成化。因此作为数字电路的一部分的时序逻辑电路在未来的经济市场中有着不可估量的前途。

【参考文献】

［１］阎石.数字电子技术基础(第四版)[M].北京:高等教育出版社，2011．

［２］陶永明.时序逻辑电路的分析与设计方法的研究及探讨[J]．东北财经大学管理科学与工程学院,大连，2010．

［责任编辑：王静］