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基于數據選擇器和D觸發器的多輸入時序電路設計
摘要: 本文給出多輸入變量時序邏輯網絡的一種新型結構:將D觸發器和數據選擇器進行組合,構成既有存儲功能又有數據選擇功能的多輸入時序網絡,并給出設計過程中不需要進行函數化簡的設計技術。
Abstract:
Key words :

  在SSI時序邏輯電路設計中,遵循的設計準則是:在保證所設計的時序邏輯電路具有正確功能的前提下,觸發器的激勵函數應最小化,從而簡化電路結構。用卡諾圖法或公式法化簡觸發器的激勵函數,在多輸入變量時相當繁瑣甚至難以進行。因此,需要尋求多輸入時序邏輯電路簡捷設計方法。本文給出多輸入變量時序邏輯網絡的一種新型結構:將D觸發器數據選擇器進行組合,構成既有存儲功能又有數據選擇功能的多輸入時序網絡,并給出設計過程中不需要進行函數化簡的設計技術。

  1 基本原理

  1.1 基本多輸入時序網絡

  1.1.1 多輸入時序網絡的基本形式

  用1個D觸發器和1個2選1數據選擇器構成多輸入時序網絡的基本電路,如圖1所示。

多輸入時序網絡的基本形式

  圖1中,觸發器的現態輸出Qn作為數據選擇器的A選擇輸入變量,數據選擇器的Y輸出作為觸發器的D輸入信號,數據選擇器的輸入端D0,D1作為所構成時序網絡的外部信號輸入端。

  1.1.2 多輸入時序網絡基本電路的狀態方程

  由D觸發器的特性方程Qn+1=D、數據選擇器的輸出邏輯表達式公式的關系,得多輸入時序網絡基本電路的狀態方程:

公式

  寫成矩陣形式為:

公式

  1.1.3 已知狀態轉換關系確定時序網絡輸入矩陣參數的方法

  由式(1)、式(2)有:

  (1)現態Qn=0時,Qn+1=D0,選擇輸入D0,由狀態轉換關系確定D0。可實現所要求的狀態轉換:

  若Qn+1=O,即狀態轉換為0→O,則式(2)中的輸入矩陣應填D0=0;

  若Qn+1=1,即狀態轉換為O→1,則式(2)中的輸入矩陣應填D0=使狀態產生變化的輸入變量。

  (2)現態Qn=1時,Qn+1=D1,選擇輸入D1,由狀態轉換關系確定D1可實現所要求的狀態轉換:

  若Qn+1=1,即狀態轉換為1→1,則式(2)中的輸入矩陣中應填D1=1;

  若Qn+1=0,即狀態轉換為1→O,則式(2)中的輸入矩陣中應填D1=使狀態產生變化的輸入變量取反。

  1.2 2個狀態變量的多輸入時序網絡

  1.2.1 2個狀態變量多輸入時序網絡的形式

  用2個D觸發器和2個4選1數據選擇器可構成有2個狀態變量的多輸入時序網絡,如圖2所示。

多輸入時序網絡

  圖2中,觸發器的2個現態輸出公式作為數據選擇器的A1A0選擇輸入變量,2個數據選擇器的Y輸出分別作為2個觸發器的D輸入信號,數據選擇器的輸入端D10~D13,D00~D03作為所構成時序網絡的外部信號輸入端。

  1.2.2 兩個狀態變量多輸入時序網絡的狀態方程

  按基本多輸入時序網絡的分析方法,可得狀態方程的矩陣形式為:

公式

  1.2.3 現態對輸入信號的選擇及輸入矩陣參數的確定

  現態的取值組合決定所選擇的數據輸入端,而數據輸入端的輸人情況又決定次態:

公式

  已知狀態轉換關系確定式(3)中輸入矩陣參數的方法如1.1.2所述。

  1.3 n個狀態變量的多輸入時序網絡

  按照D觸發器的現態組合作為數據選擇器的選擇輸入變量、數據選擇器的輸出作為D觸發器輸入信號的構成方法,用n個D觸發器、n個2n選1數據選擇器組合,可構成n個狀態變量的多輸入時序網絡。

  2 基于數據選擇器和D觸發器的多輸入時序邏輯電路設計

  2.1 設計步驟

  采用數據選擇器和D觸發器構成的多輸入時序網絡進行多輸入時序邏輯電路設計的步驟:

  (1)由設計要求做出最簡狀態圖;

  (2)根據狀態個數確定多輸入時序網絡中D觸發器、數據選擇器的個數及數據選擇器的選擇規模;

  (3)根據狀態轉換關系確定輸入矩陣的參數,即確定數據選擇器輸入端所接的變量或常量;

  (4)畫出時序邏輯圖。

  2.2 應用舉例

  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個狀態,在不同輸入信號的作用下進行狀態轉換:

  (1)公式=00狀態,主干道綠燈亮、支干道紅燈亮,到了規定的30 s時間隔由控制電路中的計數器向控制器輸入1個T30=1的信號,控制器轉到下一工作狀態;

  (2)公式=01狀態,主干道黃燈亮、支干道紅燈亮,到了規定的5 s時間隔由控制電路中的計數器向控制器輸入1個T5=1的信號,控制器轉到下一工作狀態;

  (3)公式=10狀態,主干道紅燈亮、支干道綠燈亮,到了規定的20 s時間隔由控制電路中的計數器向控制器輸入1個T20=1的信號,控制器轉到下一工作狀態;

  (4)公式=11狀態,主干道紅燈亮、支干道黃燈亮,到了規定的5 s時間隔由控制電路中的計數器向控制器輸入1個T5=1的信號,控制器轉到第(1)種工作狀態。

  控制器的狀態圖如圖3所示。

控制器的狀態圖

  用有2個狀態變量的多輸入時序網絡實現,由圖3所示狀態圖的狀態轉換關系,可確定輸入矩陣參數為:

公式

  選用雙D觸發器74LS74和雙4選1數據選擇器74LSl53構成多輸入時序網絡并由式(4)連接輸入端畫出邏輯圖如圖4所示,其中R,C構成通電復位電路。

 

連接輸入端畫出邏輯圖

  3 結語

  基于數據選擇器和D觸發器的多輸入時序邏輯電路設計方法,適合實現互斥多變量時序邏輯電路,且在設計過程中不需要進行函數化簡,而這一過程在多變量時是相當繁瑣甚至難以進行。

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