基于数据选择器和D触发器的多输入时序电路设计

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摘 要:为了探索多输入时序逻辑电路的简便实现方法,介绍了基于数据选择器和D触发器的多输入时序逻辑电路设计技术。即将D触发器和数据选择器进行组合,用触发器的现态作为数据选择器选择输入变量、数据选择器的输出函数作为触发器的D输入信号,构成既有存储功能又有数据选择功能的多输入端时序网络。由触发器的现态选择输入变量、所选择的输入变量决定触发器的次态转换方向。该方法适合实现互斥多变量时序逻辑电路,且在设计过程中不需要进行函数化简。

关键词:D触发器; 数据选择器; 时序网络; 多输入时序逻辑电路

中图分类号:TP331.1 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)12-0010-03

Design of Data Multi-input Sequential Logic Circuit Based on Data Multiplexer and D Flip-flop

REN Jun-yuan

(Bohai University, Jinzhou 121000, China)

Abstract:The design technique of multi-input sequential logic circiut based on multiplexer and D flip-flops is introduced to investigate a simple method to realize the multi-input sequential logic circiut, which D flip-flops are combined with multiplexer. Taking the present states as the data multiplexer to select input variables and the output functions of the data multiplexer as the input signals of D flip-flops, the multi-input sequential network with the functions of storage and selection is composed. The input variables are selected according to the present states of D flip-flops, the transformation direction of the next states of D flip-flops is determined by the selected variables. The combination of these two components is suitable to the realization of the mutual exclusion multi-variable sequential logic circuit. The function simplification is unnecessary in design process. This is a new method to design sequential logic circuits.

Keywords: D flip-flop; data multiplexer; sequential network; multi-input sequential logic circuit

在SSI时序逻辑电路设计中,遵循的设计准则是:在保证所设计的时序逻辑电路具有正确功能的前提下,触发器的激励函数应最小化,从而简化电路结构。

用卡诺图法或公式法化简触发器的激励函数,在多输入变量时相当繁琐甚至难以进行。因此,需要寻求多输入时序逻辑电路简捷设计方法。

本文给出多输入变量时序逻辑网络的一种新型结构:将D触发器[ 1-10] 和数据选择器[ 1-10] 进行组合,构成既有存储功能又有数据选择功能的多输入时序网络[ 1] ,并给出设计过程中不需要进行函数化简的设计技术。

1 基本原理

1.1 基本多输入时序网络

1.1.1 多输入时序网络的基本形式

用1个D触发器和1个2选1数据选择器构成多输入时序网络的基本电路[1],如图1所示。

图1 多输入时序网络的基本电路

图1中,触发器的现态输出Qn作为数据选择器的A选择输入变量,数据选择器的Y输出作为触发器的D输入信号,数据选择器的输入端D0,D1ё魑所构成时序网络的外部信号输入端。

1.1.2 多输入时序网络基本电路的状态方程

由D触发器的特性方程Qn+1=D、数据选择器的输出逻辑表达式Y=AD0+AD1及A=Qn,D=YУ墓叵,得多输入时序网络基本电路的状态方程:

Qn+1=QnD0+QnD1 (1)

写成矩阵形式为:

[Qn+1]=[Qn]D0D1 (2)

1.1.3已知状态转换关系确定时序网络输入矩阵参数的方法

由式(1)、式(2)有:

(1) 现态Qn=0时,Qn+1=D0,选择输入D0,由状态转换关系确定D0可实现所要求的状态转换:

若Qn+1=0,即状态转换为00,则式(2)中的输入矩阵应填D0=0;

若Qn+1=1,即状态转换为01,则式(2) 中的输入矩阵应填D0=使状态产生变化的输入变量。

(2) 现态Qn=1时,Qn+1=D1,选择输入D1,由状态转换关系确定D1可实现所要求的状态转换:

若Qn+1=1,即状态转换为11,则式(2)中的输入矩阵中应填D1=1;

若Qn+1=0,即状态转换为10,则式(2)中的输入矩阵中应填D1=使状态产生变化的输入变量取反。

1.2 2个状态变量的多输入时序网络

1.2.1 2个状态变量多输入时序网络的形式

用2个D触发器和2个4选1数据选择器可构成有2个状态变量的多输入时序网络[1],如图2所示。

图2中,触发器的2个现态输出Qn1Qn0作为数据选择器的A1A0选择输入变量,2个数据选择器的Y输出分别作为2个触发器的D输入信号,数据选择器的输入端D10~D13,D00~D03ё魑所构成时序网络的外部信号输入端。

图2 2个状态变量的多输入时序网络

1.2.2 两个状态变量多输入时序网络的状态方程

按基本多输入时序网络的分析方法,可得状态方程的矩阵形式为:

[Qn+11Qn+10]=[Qn1Qn0]D10D00D11D01D12D02D13D03 (3)

1.2.3 现态对输入信号的选择及输入矩阵参数的确定

现态Qn1Qn0的取值组合决定所选择的数据输入端,而数据输入端的输入情况又决定次态:

(1) 现态Qn1Qn0=00时,Qn+11=D10,Qn+10=D00,选择输入D10,D00,由状态转换关系确定D10,D00可实现所要求的状态转换;

(2) 现态Qn1Qn0=01时,Qn+11=D11,Qn+10=D01,选择输入D11,D01,由状态转换关系确定D11,D01可实现所要求的状态转换;

(3) 现态Qn1Qn0=10时,Qn+11=D12,Qn+10=D02,选择输入D12,D02,由状态转换关系确定D12,D02可实现所要求的状态转换;

(4) 现态Qn1Qn0=11时,Qn+11=D13,Qn+10=D03,选择输入D13,D03,由状态转换关系确定D13,D03Э墒迪炙要求的状态转换。

已知状态转换关系确定式(3)中输入矩阵参数的方法如1.1.2所述。

1.3 n个状态变量的多输入时序网络

按照D触发器的现态组合作为数据选择器的选择输入变量、数据选择器的输出作为D触发器输入信号的构成方法,用n个D触发器、n个2n选1数据选择器组合,可构成n个状态变量的多输入时序网络[1]。

2基于数据选择器和D触发器的多输入时序逻辑电路设计

2.1 设计步骤

采用数据选择器和D触发器构成的多输入时序网络进行多输入时序逻辑电路设计的步骤:

(1) 由设计要求做出最简状态图;

(2) 根据状态个数确定多输入时序网络中D触发器、数据选择器的个数及数据选择器的选择规模;

(3) 根据状态转换关系确定输入矩阵的参数,即确定数据选择器输入端所接的变量或常量;

(4) 画出时序逻辑图。

2.2 应用举例

主干道、支干道十字路通灯控制电路中的控制器共有4个状态,在不同输入信号的作用下进行状态转换:

(1) Qn1Qn0=00状态,主干道绿灯亮、支干道红灯亮,到了规定的30 s时间隔由控制电路中的计数器向控制器输入1个T30 =1的信号,控制器转到下一工作状态;

(2) Qn1Qn0=01状态,主干道黄灯亮、支干道红灯亮,到了规定的5 s时间隔由控制电路中的计数器向控制器输入1个T5=1的信号,控制器转到下一工作状态;

(3) Qn1Qn0=10状态,主干道红灯亮、支干道绿灯亮,到了规定的20 s时间隔由控制电路中的计数器向控制器输入1个T20=1的信号,控制器转到下一工作状态;

(4) Qn1Qn0=11状态,主干道红灯亮、支干道黄灯亮,到了规定的5 s时间隔由控制电路中的计数器向控制器输入1个T5=1的信号,Э刂破髯到第(1)种工作状态。

控制器的状态图如图3所示。

图3 交通灯控制电路中控制器的状态图

用有2个状态变量的多输入时序网络实现,由图3所示状态图的状态转换关系,可确定输入矩阵参数为:

0T30T5T51T20T5T5 (4)

选用双D触发器74LS74和双4选1数据选择器74LS153构成多输入时序网络并由式(4)连接输入端画出逻辑图如图4所示,其中R,C构成通电复位电路。

3 结 语

基于数据选择器和D触发器的多输入时序逻辑电路设计方法,适合实现互斥多变量时序逻辑电路,且在设计过程中不需要进行函数化简,而这一过程在多变量 时是相当繁琐甚至难以进行。

图4 交通灯控制电路中控制器的逻辑电路图

参考文献

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