基于數據選擇器和D觸發器的多輸入時序電路設計

摘 要:為了探索多輸入時序邏輯電路的簡便實現方法，介紹了基于數據選擇器和D觸發器的多輸入時序邏輯電路設計技術。即將D觸發器和數據選擇器進行組合，用觸發器的現態作為數據選擇器選擇輸入變量、數據選擇器的輸出函數作為觸發器的D輸入信號，構成既有存儲功能又有數據選擇功能的多輸入端時序網絡。由觸發器的現態選擇輸入變量、所選擇的輸入變量決定觸發器的次態轉換方向。該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。

關鍵詞:D觸發器; 數據選擇器; 時序網絡; 多輸入時序邏輯電路

中圖分類號:TP331.1 文獻標識碼:A

文章編號: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[ 1-10] 和數據選擇器[ 1-10] 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[ 1] ，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[1]，如圖1所示。

圖1 多輸入時序網絡的基本電路

圖1中，觸發器的現態輸出Qn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D0，D1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Qn+1=D、數據選擇器的輸出邏輯表達式Y=AD0+AD1及A=Qn，D=Y的關系，得多輸入時序網絡基本電路的狀態方程:

Qn+1=QnD0+QnD1 (1)

寫成矩陣形式為:

[Qn+1]=[Qn]D0D1 (2)

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Qn=0時，Qn+1=D0，選擇輸入D0，由狀態轉換關系確定D0可實現所要求的狀態轉換:

若Qn+1=0，即狀態轉換為0→0，則式(2)中的輸入矩陣應填D0=0;

若Qn+1=1，即狀態轉換為0→1，則式(2) 中的輸入矩陣應填D0=使狀態產生變化的輸入變量。

(2) 現態Qn=1時，Qn+1=D1，選擇輸入D1，由狀態轉換關系確定D1可實現所要求的狀態轉換:

若Qn+1=1，即狀態轉換為1→1，則式(2)中的輸入矩陣中應填D1=1;

若Qn+1=0，即狀態轉換為1→0，則式(2)中的輸入矩陣中應填D1=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[1]，如圖2所示。

圖2中，觸發器的2個現態輸出Qn1Qn0作為數據選擇器的A1A0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D10~D13，D00~D03作為所構成時序網絡的外部信號輸入端。

圖2 2個狀態變量的多輸入時序網絡

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:

[Qn+11Qn+10]=[Qn1Qn0]D10D00D11D01D12D02D13D03 (3)

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Qn1Qn0的取值組合決定所選擇的數據輸入端，而數據輸入端的輸入情況又決定次態:

(1) 現態Qn1Qn0=00時，Qn+11=D10，Qn+10=D00，選擇輸入D10，D00，由狀態轉換關系確定D10，D00可實現所要求的狀態轉換;

(2) 現態Qn1Qn0=01時，Qn+11=D11，Qn+10=D01，選擇輸入D11，D01，由狀態轉換關系確定D11，D01可實現所要求的狀態轉換;

(3) 現態Qn1Qn0=10時，Qn+11=D12，Qn+10=D02，選擇輸入D12，D02，由狀態轉換關系確定D12，D02可實現所要求的狀態轉換;

(4) 現態Qn1Qn0=11時，Qn+11=D13，Qn+10=D03，選擇輸入D13，D03，由狀態轉換關系確定D13，D03可實現所要求的狀態轉換。

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2n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[1]。

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) Qn1Qn0=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T30 =1的信號，控制器轉到下一工作狀態;

(2) Qn1Qn0=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T5=1的信號，控制器轉到下一工作狀態;

(3) Qn1Qn0=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T20=1的信號，控制器轉到下一工作狀態;

(4) Qn1Qn0=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T5=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。

圖3 交通燈控制電路中控制器的狀態圖

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:

0T30T5T51T20T5T5 (4)

選用雙D觸發器74LS74和雙4選1數據選擇器74LS153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。

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。

圖4 交通燈控制電路中控制器的邏輯電路圖

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