同步時序邏輯電路設(shè)計步驟研究

褚徳欣，王艷榮

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙呼和浩特 010051)

1 設(shè)計方法

同步時序邏輯電路設(shè)計方法可按以下幾個步驟進(jìn)行:設(shè)計要求;原始狀態(tài)圖;最簡狀態(tài)圖;狀態(tài)分配;選定觸發(fā)器類型，求出狀態(tài)方程、驅(qū)動方程和輸出方程;畫邏輯電路圖并檢查能否自啟動［1］。但是在現(xiàn)有教材中，原始狀態(tài)的確定并沒有被突出和強化，事實上，原始狀態(tài)的羅列是聯(lián)系設(shè)計要求和原始狀態(tài)圖之間的一個重要的紐帶，因此分析設(shè)計任務(wù)，列出原始狀態(tài)對于時序邏輯電路的設(shè)計至關(guān)重要。本文通過對具體實例的設(shè)計研究，完善了時序邏輯電路設(shè)計的一般規(guī)律、原則及方法［1－2］。

2 實例設(shè)計分析

設(shè)計一種鐵路平交道控制電路來控制道柵門的放下與升起，如圖1所示，在P1和P2兩處設(shè)置感測組件，用以感測火車是否經(jīng)過，此兩點相距足夠遠(yuǎn)，同一列火車不會同時被此兩處感測組件所偵測，當(dāng)火車任何部位位于P1和P2兩處之間時，平交道柵門應(yīng)放下，否則升起柵門［3］。

圖1 鐵路平交道控制電路

(1)設(shè)計任務(wù)分析。在P1和P2出放置兩個感測組件，設(shè)P1、P2處的輸出信號分別為 P1、P2，當(dāng)火車經(jīng)過P1和P2時，輸出信號1;當(dāng)火車未壓到P1和P2時，則輸出0。A、B兩個柵門由Z控制，當(dāng)Z=0時柵門打開;當(dāng)Z=1時柵門關(guān)閉。

(2)原始狀態(tài)分析。電路原始狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖的正確與否首先取決于原始狀態(tài)是否符合要求，也就是原始狀態(tài)數(shù)是否涵蓋所有可能發(fā)生的情況，其次再決定于狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系是否正確，原始狀態(tài)的定義不同，最簡狀態(tài)的物理含義以及最簡狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖也會不同。

首先，鐵路為雙向的，所以火車可以從東向西，也可以從西向東;其次P1和P2相距足夠遠(yuǎn)，火車不可能同時壓住兩個感測組件。原始狀態(tài)分析如下:火車從西向東時，火車沒有到達(dá)P1處，則P1P2=00;火車壓住P1，則 P1P2=10;火車處于 P1、P2之間，則 P1P2=00;火車壓住P2，則P1P2=01;火車駛出P2，則 P1P2=00;火車從東向西時，火車沒有到達(dá)P2處，則P1P2=00;火車壓住 P2，則 P1P2=01;火車處于 P1、P2之間，則P1P2=00;火車壓住P1，則P1P2=10;火車駛出P1，則P1P2=00。在時序邏輯電路的設(shè)計過程中，原始狀態(tài)的定義方法并不唯一，現(xiàn)給出兩種原始狀態(tài)的定義方法。

1)原始狀態(tài)定義方法一。由以上分析可定義如下7個原始狀態(tài):

狀態(tài)S1火車在P1和P2區(qū)間之外，對應(yīng)輸入P1P2=00。

狀態(tài)S2火車自西向東行駛，并壓在P1上。

狀態(tài)S3火車?yán)^續(xù)自西向東行駛，且位于P1和P2之間。

狀態(tài)S4火車仍自西向東行駛，并壓在P2上。

狀態(tài)S5火車自東向西行駛，并壓在P2上。

狀態(tài)S6火車?yán)^續(xù)自東向西行駛，且位于P1和P2之間。

狀態(tài)S7火車仍自東向西行駛，并壓在P1上。

(a)由原始狀態(tài)分析可列出原始狀態(tài)轉(zhuǎn)換如表1所示。

表1 交通控制狀態(tài)表

(b)狀態(tài)化簡及狀態(tài)定義。根據(jù)化簡原則，在相同輸入下有相同輸出且轉(zhuǎn)換到同一次態(tài)的狀態(tài)可以合并的原則，狀態(tài)S2和狀態(tài)S3可以合并為一個狀態(tài)，稱S2狀態(tài);狀態(tài)S4和狀態(tài)S7可以合并為一個狀態(tài)，稱S4狀態(tài);狀態(tài)S5和狀態(tài)S6可以合并為一個狀態(tài)，稱S5狀態(tài)。此4個最簡狀態(tài)所具有的物理意義分別為:S1:火車處于 P1、P2之外，P1P2=00，Z=0;S2:火車從西向東行駛，壓住 P1，和處于 P1、P2之間，P1P2=X0，Z=1;S4:火車從東向西行駛，壓住 P2，和處于 P1、P2之間，P1P2=0X，Z=1;S5:火車從西向東行駛，壓住 P2，P1P2=01，Z=1以及火車從東向西行駛，壓住 P1，P1P2=10，Z=1?？傻煤喕癄顟B(tài)轉(zhuǎn)化表如表2所示。

表2 簡化后的交通控制狀態(tài)表

根據(jù)最簡狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，按照常規(guī)設(shè)計步驟即可得到狀態(tài)方程、驅(qū)動方程和輸出方程，最終畫出系統(tǒng)電路圖。

2)原始狀態(tài)定義方法二。也可轉(zhuǎn)換思路改變定義原始狀態(tài)的方法，定義如下6個原始狀態(tài):

狀態(tài)S1火車在P1和P2區(qū)間之外，對應(yīng)輸入P1P2=00。

狀態(tài)S2火車自西向東或自東向西行駛，且位于P1和P2之間。

狀態(tài)S3火車自西向東行駛，且壓在P1上。

狀態(tài)S4火車自西向東行駛，并壓在P2上。

狀態(tài)S5火車自東向西行駛，并壓在P2上。

狀態(tài)S6火車自東向西行駛，并壓在P1上

(a)由原始狀態(tài)分析可列出原始狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如表3所示。

表3 原始狀態(tài)轉(zhuǎn)換表

(b)狀態(tài)化簡及狀態(tài)定義。根據(jù)化簡原則，在相同輸入下有相同輸出且轉(zhuǎn)換到同一次態(tài)的狀態(tài)可以合并的原則，狀態(tài)S3和狀態(tài)S5可以合并為一個狀態(tài)，稱S3狀態(tài);狀態(tài)S4和狀態(tài)S6可以合并為一個狀態(tài)，稱S4狀態(tài)。此4個最簡狀態(tài)所具有的物理意義分別為:S1:火車處于 P1、P2之外，P1P2=00，Z=0;S2:火車自西向東或自東向西行駛，且位于P1和P2之間。P1P2=00，Z=1;S3:火車自西向東行駛，壓在P1上或火車自東向西行駛，壓在P2上。S4:火車自西向東行駛，壓在P2上或火車自東向西行駛，壓在P1上。P1P2=01，Z=1以及火車從東向西行駛，壓住P1，P1P2=10，Z=1?？傻煤喕癄顟B(tài)轉(zhuǎn)化表如表4所示。

表4 簡化后的交通控制狀態(tài)表

3 結(jié)束語

在數(shù)字電子技術(shù)各個版本教材中，對原始狀態(tài)的定義都不作重點闡述，或含糊不清或一筆帶過。事實上，除了計數(shù)器的設(shè)計，像自動售貨機、序列代碼檢測電路等一些教材上的設(shè)計實例，在設(shè)計分析過程中，原始狀態(tài)的分析對設(shè)計成功與否以及設(shè)計過程是否清晰十分重要，本文通過對鐵路平交道控制電路設(shè)計過程中原始狀態(tài)的分析，對原始狀態(tài)做了兩種定義，都能得到邏輯關(guān)系正確的最簡狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，但顯然第二種定義方法由于原始狀態(tài)定義較合理，其最簡狀態(tài)的邏輯含義也更清晰。因此，在時序邏輯電路的設(shè)計過程中，原始狀態(tài)的分析和定義應(yīng)被列入設(shè)計步驟或在設(shè)計過程中被強化。

［1］閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.5版.北京:高等教育出版社，2006.

［2］夏路易.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)教程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

［3］秦曾煌.電工學(xué)簡明教程［M］.北京:高等教育出版社，2001.

［4］蔡憲承.基于Multisim的時序邏輯電路設(shè)計與仿真［J］.電子科技，2010，23(12):12 －13.

［5］倪德克.Multisim在數(shù)字電路邏輯設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用［J］.西安郵電學(xué)院學(xué)報，2011，16(S1):90 －91.