Transcript 循序邏輯電路之設計及應用

第………………………………………………………………
8 章 循序邏輯電路之設計及應用
8-1 時鐘脈衝產生器
8-2 非同步計數器
8-3 移位暫存器
8-4 狀態圖及狀態表簡介
8-5 同步計數器
8-6 應用實例介紹
8-1
時鐘脈衝產生器
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一、無穩態多諧振盪器
1.TTL閘無穩態多諧振盪器
使用 TTL 反及閘連接的多諧振盪器，如下
圖所示，TTL 的臨界電壓約為 1.4V，當輸入電
壓高於或低於臨界電壓時，邏輯閘將轉態工作，
反相閘 3、4 是用來作波形整形之用，以輸出標
準方波，其週期 T 由 C1、C2 及各閘之內部輸
入阻抗決定，電阻器 R1、R2 大小與各閘之內部
阻抗之臨界電壓 VT 有關，一般都使用 1kΩ的
電阻器。
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2.CMOS閘無穩態多諧振盪器
如下圖為 CMOS 閘無穩態多諧振盪器電路，
CMOS 之臨界電壓 VT約為所加電源電壓的一半，
即
。電阻 RS 的作用在隔離 RC回路與反相閘 1，
以避免反相閘輸入端的保護二極體影響到振盪週期。
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二、單穩態多諧振盪器
1.電路
單穩態多諧振盪器為一觸發振盪電路，只
有一個穩定狀態，當被外加信號觸發轉態，經
過一預定的時間後，再恢復為原來的穩定狀態，
而輸出為一脈波寬度固定的脈波，此電路又稱
為單擊（one shot）電路。如下圖所示。
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2.波形
下圖所示為 CMOS 閘組成的單穩態多諧振盪
器電路波形，因NOR 閘 2 的輸入端接電阻器 R1至
VDD，所以其輸出端為 Lo，在沒有輸入信號觸發時，
將永遠維持此一穩定狀態。若輸入端有正脈波輸入
時，NOR 閘 1 將轉態使輸出為 Lo，經電容器 C 交
連至 NOR 閘 2，使其轉態輸出變為 Hi。此時電容
器 C 將經由電阻器 R1 充電，當充電到臨界電壓 VT
以上時，NOR 閘 2 將轉態使輸出為Lo，回復到原
來的穩定狀態，其脈波寬度由 R1．C 的大小來決
定。
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8-2
非同步計數器
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一、計數模數2n型之非同步計數器
所謂計數模數 2n 型之非同步計數器乃是利
用 n 個正反器，即可設計具有2n 種狀態（計數
值範圍為 0∼2n－1）的非同步計數器，其中每
一個正反器均具有除二之作用，依其計數類型，
概分為上數型、下數型、上／下數型三種。
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1. 上數型
乃是將前級正反器的標準輸出 Q，連接到
後級正反器的時脈輸入端，脈波數愈多，計數
值就愈大，且每次均增 1，電路如下圖所示。
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2. 下數型
乃是將前級正反器的反相輸出 Q ，連接到
後級正反器的時脈輸入端，脈波數愈多，計數
值就愈小，且每次均減 1，電路如下圖所示。
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3.上／下數型
乃是將前級正反器的標準輸出 Q、反相輸
出 Q ，透過組合邏輯電路，連接到後級正反器
的時脈輸入端，此組合邏輯電路為一資料選擇
器（多工器），當 UP / DOWN = 1 時，為一上數
計數器，但當 UP / DOWN = 0 時，為一下數計數
器，電路如下圖所示。
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二、計模數非2n型之非同步計數器
當計數模數不是 2n 倍數而為 N 時，則令
計數到 N 值時，將之重置歸零，重新再數，即
可得到模數為 N 之計數器。歸零方法為利用正
反器之清除端CLR 與反及閘 NAND Gate 即可
達成，下圖為一模數為 6 之上數非同步計數器
電路與狀態表。
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三、非同步計數器計時脈波的週期
若有n個正反器，1個邏輯閘構成之非同步計數器。
每個正反器的延遲時間為tFF，邏輯閘延遲時間為tGate，
則計時脈波的最小週期（電路總延遲時間）Tmin與計時
脈波旳最高頻率fmax分別為：
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四、常用非同步計數器IC
1.
2.
3.
7490
除10非同步計數器，由除2 及除5 兩計數
器組成，兩個計數器可分開單獨使用。
7492
除12 非同步計數器，由除2 及除6 兩計數
器組成，兩個計數器可分開單獨使用。
7493
除16非同步計數器，由除2 及除8 兩計數
器組成，兩個計數器可分開單獨使用。
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8-3
移位暫存器
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一、移位暫存器之分類
1.依資料傳遞方式區分：
(1)左移暫存器（Shift Left Register）。
(2)右移暫存器（Shift Right Register）。
(3)左右移暫存器（Shift Left & Right
Register）。
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2.依資料輸入、輸出方式區分：
(1)串列輸入串列輸出（SISO，Serial In
Serial Out）移位暫存器。
(2)串列輸入並列輸出（SIPO，Serial In
Parallel Out）移位暫存器。
(3)並列輸入串列輸出（PISO，Parallel In
Serial Out）移位暫存器。
(4)並列輸入並列輸出（PIPO，Parallel
In Parallel Out）移位暫存器。
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二、移位暫存器之資料傳遞方式
1. 右移暫存器
每一級的 Q 輸出連到下一級輸入，在每一
個時脈輸入後，資料將向右移一位。
2. 左移暫存器
每一級的 Q 輸出連到上一級輸入，在每一
個時脈輸入後，資料將向左移一位。
3. 左右移暫存器
若暫存器具有使資料左移、右移的功能，
稱為左右移暫存器。
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三、移位暫存器之資料輸入、輸出
方式
1. 串列移位暫存器
串列移位暫存器是一次一個位元將資料移
入暫存器內，資料傳輸速度慢，但使用元件少。
2. 並列移位暫存器
並列移位暫存器是同時能將所有位元資料
移入暫存器內，資料傳輸速度快，但使用元件
多。
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四、移位暫存器IC
在現有 IC 中，暫存器的包裝種類非常多，
但其工作情形不外乎上述的串列輸入串列輸出
（SISO）、串列輸入並列輸出（SIPO），並列
輸入並列輸出（PIPO），並列輸入串列輸出
（PISO）等四種，如編號74164 為具有 SISO
與SIPO 功能的八位元移位暫存器 IC，74165 為
具有 SISO 與 PISO 功能的八位元移位暫存器
IC，其中74198 為具有 SISO、SIPO、PISO、
PIPO 與左、右移位的八位元移位暫存器 IC，
因兼具各項特性，故稱為通用暫存器。
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8-4
狀態圖及狀態表簡介
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一、組合邏輯電路與循序邏輯電路之
區別
1. 組合邏輯電路
組合邏輯電路（Combinational Logic
Circuit），係由基本邏輯閘所組成，輸出狀態的
改變，完全由當時外界的輸入「組合」而得，不
具回授路徑與記憶元件，故目前的輸出狀態並不
會影響到下一個時間的輸出。
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2. 循序邏輯電路
循序邏輯電路（Sequential Logic Circuit），
其組成除了組合邏輯電路外，包括記憶元件（如
第七章介紹的正反器，即為單一位元的記憶元
件），輸出狀態的改變，除與當時外界的輸入信
號有關，還受記憶元件的影響，使其與之前的輸
出狀態亦有關聯，故可「循序」變化，因具回授
路徑與記憶元件，故目前的輸出狀態會影響到下
一個時間的輸出。
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二、狀態圖及狀態表簡介
1. 狀態圖
狀態圖可用來描述正反器輸出的現在狀態
（現態）、次一狀態（次態）與電路輸出的關係，
狀態圖是由許多圓圈、射線與二進位數值所組成。
(1 )圓圈
用以表示狀態，圈內的二進位數值，如 00、
01、11、10 即分別代表各圓圈的狀態。
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(2 )射線
用以表示狀態與狀態間的轉換，若次態改變，
此射線稱為傳送線，若次態不改變，則稱為迴旋
線，每條射線上均有兩個被「／」符號隔開的二
進位數值，如 0／0、1／0、1／1 等，「／」符
號前面的二進位數值代表產生這個方向轉換的輸
入值，「／」符號後面的二進位數值則代表現態
下的輸出值。
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2. 狀態表
狀態表（State Table）其實與狀態圖並沒有
什麼差異，只是表示的方法不同而已，一般來說，
狀態圖較容易使人了解整個狀態改變的流程，而
狀態表則對電路的設計，有較具體的功用。
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三、狀態表之化簡
狀態表化簡的要領為「對於每一個輸入，若
兩狀態下的輸出皆相同，並且均可達到相同的次
態，則稱此兩狀態相等，可除去其中之一狀態，
均不改變原有輸入輸出的關係」。
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四、正反器之激勵表
在設計循序邏輯電路過程中，通常欲從引起
正反器現在狀態Qn至次一狀態Qn＋1 轉變時，獲
知正反器的輸入條件，因此，需要一個列有正反
器輸出狀態轉變
所須輸入條件組合的
關係，稱為正反器之激勵表（Excitation
Table）。
1. RS正反器
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2.
D型正反器
3.
JK正反器
4.
T型正反器
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五、利用狀態圖之狀態表完成循序邏輯電
路設計
循序邏輯電路之設計，一般依下列幾個步驟進行：
1.
分析問題，以畫出狀態圖，並決定所需正反器
之數目（n 個正反器最多可表示 2n 個不同的狀
態）。
2.
依據狀態圖，列出狀態表。
3.
依據狀態表，完成正反器之狀態激勵表。
4.
利用卡諾圖，化簡每一個正反器輸入與電路輸
出之最簡布林代數式。
5.
畫出循序邏輯電路圖。
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8-5
同步計數器
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一、同步計數器與非同步計數器之比較
我們已於 8-2 節介紹過了非同步計數器，在
介紹同步計數器之前，先將二者加以比較，陳述
如下所示：
1. 非同步計數器
非同步計數器（Asynchronous Counter）又
稱為漣波計數器（Ripple Counter），在非同步計
數器中每一個正反器的輸出端接至下一級正反器
的時脈輸入端，非同步計數器具有下列優、缺點：
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(1) 優點：電路結構簡單。
(2) 缺點：傳遞延遲時間長，不適合使用高頻率
的時脈。
2. 同步計數器
同步計數器（Synchronous Counter）中每一
個正反器的時脈輸入端均接在一起，同步計數器
具有下列優、缺點：
(1) 優點：傳遞延遲時間短，適合使用高頻率的
時脈。
(2) 缺點：電路結構複雜。
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二、二進同步計數器
1.二進同步計數器之設計
二進同步計數器（Binary Counter）與非同步計數
n
器一樣，也包括計數模數2 型（上數型、下數型、上／
n
下數型）與計數模數非2 型，甚至不規則計數型，無論
是哪一種二進同步計數器，其設計步驟均相同，如下所
示：
n
(1)依模數N 決定所需正反器數目n，n 必須滿足2 ≧N
之最小整數。
(2)畫出狀態圖。
(3)參考正反器激勵表，列出狀態激勵表（狀態與激勵輸
入複合表）。
(4)利用卡諾圖化簡每一個正反器輸入之最簡布林代數式
（未出現的狀態，正反器之輸入均以「×」視之）。
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(5)畫出二進同步計數器電路。
2. 同步計數器計時脈波之週期
故若有n 個正反器，K 層邏輯閘構成
之同步計數器，每個正反器的延遲時間為
tFF，邏輯閘延遲時間為tGate，則計時脈波的
最小週期（電路總延遲時間）Tmin 與計時
脈波的最高頻率fmax 分別為：
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3. 常用同步計數器IC
(1)74190：可預置及具上數／下數控制的除10
同步計數器，僅一脈波輸入腳。
(2)74191：可預置及具上數／下數控制的除16
二進位同步計數器，僅一脈波輸入腳。
(3)74192：可預置及具上數／下數控制的除10
同步計數器，其上數及下數各有獨立脈波輸
入腳。
(4)74193：可預置及具上數／下數控制的除16
二進位同步計數器，其上數及下數各有獨立
脈波輸入腳。
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三、移位計數器
移位計數器包括環形計數器（Ring Counter）
與強生計數器（Johnson Counter），常用來當作
時序電路，產生時序信號以控制數位電路中一系
列具有順序性的運算。
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1.環形計數器
多由 D 型正反器所組成（亦可由 JK 正反器
所組成），電路如下圖所示，最後一級的正反器
標準輸出 Q 接回至第一級正反器的輸入端，構
成如環狀般，故謂之環形計數器。
三位元環形計數器電路
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2. 強生計數器
強生計數器依計數模數分偶數模數型與奇數模
數型兩種。
(1) 偶數模數型
偶數模數型多由 D 型正反器所組成（亦可由 JK
正反器所組成），電路如下圖所示，最後一級的正
反器反相輸出 Q 接回至第一級正反器的輸入端。
位元偶數模數型強生計數器電路
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(2)奇數模數型
奇數模數型一定要採用 JK 正反器來組成，
電路如下圖所示，將倒數第二級的正反器標準輸
出 Q 接回至第一級正反器的 K 輸入端。
三位元奇數模數型強生計數器電路
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8-6
應用實例介紹
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一、跑馬燈
1. 使用元件
(1) 正反器
本節採用的 IC 編號74LS73 的負緣觸發型 JK 正反器，
並將 J、K 兩輸入端並接後，再接至 VCC，以構成具除 2
功能的 T 型正反器。
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(2) 計數器
採用的 IC 編號74LS161 是四位元二進（除
16）上數正緣觸發型同步計數器。
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(3) 移位暫存器
本節採用的 IC 編號74198 是八位元並列輸
入並列輸出（PIPO）移位暫存器。
j S1S0＝00 時，暫存器內部資料被保持
住，不做移位，QA∼QH 的資料不會改
變。
k S1S0 ＝01 時，資料由右移串列輸入端輸
入，做右移動作，第 2 接腳的資料移入
QA，原本 QA 資料右移至 QB，……
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l S1S0 ＝10 時，資料由左移串列輸入端輸入，
做左移動作，第 22 接腳的資料移入 QH，原
本 QH 資料左移至 QG，⋯⋯
 S1S0 ＝11 時，做載入動作，使
QAQB⋯⋯QGQH＝AB⋯⋯GH
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2.
電路
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二、紅綠燈
1. 使用元件
(1) 移位暫存器
採用的 IC 編號 74164 是八位元串列輸入並
列輸出（SIPO）移位暫存器。
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(2) 定時器
555 是一個定時器的專用積體電路，它是由 Signetics
公司於 1972年製造出來的，因為價格低、體積小與使用
範圍廣泛，所以被大量應用在工業自動控制中。555 是
一個具有 8 支接腳的積體電路，其接腳與內部等效電路，
如下圖 所示。
節目錄
2.
電路
如下圖所示。
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三、數位輪盤
1. 使用元件
(1) 計數器
本節採用的 IC 編號 4017 是十進制計數器，
4017 IC 之內部接腳與時序如下圖所示，可依輸
入之時序脈波順序，使十個輸出端之依次由低態
變為高態。
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2.
電路
如下圖所示。
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