基于數(shù)據(jù)選擇器和D觸發(fā)器的多輸入時(shí)序電路設(shè)計(jì)

　　在SSI時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)中，遵循的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是：在保證所設(shè)計(jì)的時(shí)序邏輯電路具有正確功能的前提下，觸發(fā)器的激勵(lì)函數(shù)應(yīng)最小化，從而簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)。用卡諾圖法或公式法化簡(jiǎn)觸發(fā)器的激勵(lì)函數(shù)，在多輸入變量時(shí)相當(dāng)繁瑣甚至難以進(jìn)行。因此，需要尋求多輸入時(shí)序邏輯電路簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì)方法。本文給出多輸入變量時(shí)序邏輯網(wǎng)絡(luò)的一種新型結(jié)構(gòu)：將D觸發(fā)器和數(shù)據(jù)選擇器進(jìn)行組合，構(gòu)成既有存儲(chǔ)功能又有數(shù)據(jù)選擇功能的多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)，并給出設(shè)計(jì)過(guò)程中不需要進(jìn)行函數(shù)化簡(jiǎn)的設(shè)計(jì)技術(shù)。

　　1 基本原理

　　1．1 基本多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)

　　1．1．1 多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)的基本形式

　　用1個(gè)D觸發(fā)器和1個(gè)2選1數(shù)據(jù)選擇器構(gòu)成多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)的基本電路，如圖1所示。

　　圖1中，觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)輸出Qn作為數(shù)據(jù)選擇器的A選擇輸入變量，數(shù)據(jù)選擇器的Y輸出作為觸發(fā)器的D輸入信號(hào)，數(shù)據(jù)選擇器的輸入端D0，D1作為所構(gòu)成時(shí)序網(wǎng)絡(luò)的外部信號(hào)輸入端。

　　1．1．2 多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)基本電路的狀態(tài)方程

　　由D觸發(fā)器的特性方程Qn+1=D、數(shù)據(jù)選擇器的輸出邏輯表達(dá)式的關(guān)系，得多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)基本電路的狀態(tài)方程：

　　寫(xiě)成矩陣形式為：

　　1．1．3 已知狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系確定時(shí)序網(wǎng)絡(luò)輸入矩陣參數(shù)的方法

　　由式(1)、式(2)有：

　　(1)現(xiàn)態(tài)Qn=0時(shí)，Qn+1=D0，選擇輸入D0，由狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系確定D0?？蓪?shí)現(xiàn)所要求的狀態(tài)轉(zhuǎn)換：

　　若Qn+1=O，即狀態(tài)轉(zhuǎn)換為0→O，則式(2)中的輸入矩陣應(yīng)填D0=0；

　　若Qn+1=1，即狀態(tài)轉(zhuǎn)換為O→1，則式(2)中的輸入矩陣應(yīng)填D0=使?fàn)顟B(tài)產(chǎn)生變化的輸入變量。

　　(2)現(xiàn)態(tài)Qn=1時(shí)，Qn+1=D1，選擇輸入D1，由狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系確定D1可實(shí)現(xiàn)所要求的狀態(tài)轉(zhuǎn)換：

　　若Qn+1=1，即狀態(tài)轉(zhuǎn)換為1→1，則式(2)中的輸入矩陣中應(yīng)填D1=1；

　　若Qn+1=0，即狀態(tài)轉(zhuǎn)換為1→O，則式(2)中的輸入矩陣中應(yīng)填D1=使?fàn)顟B(tài)產(chǎn)生變化的輸入變量取反。

　　1．2 2個(gè)狀態(tài)變量的多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)

　　1．2．1 2個(gè)狀態(tài)變量多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)的形式

　　用2個(gè)D觸發(fā)器和2個(gè)4選1數(shù)據(jù)選擇器可構(gòu)成有2個(gè)狀態(tài)變量的多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

　　圖2中，觸發(fā)器的2個(gè)現(xiàn)態(tài)輸出作為數(shù)據(jù)選擇器的A1A0選擇輸入變量，2個(gè)數(shù)據(jù)選擇器的Y輸出分別作為2個(gè)觸發(fā)器的D輸入信號(hào)，數(shù)據(jù)選擇器的輸入端D10～D13，D00～D03作為所構(gòu)成時(shí)序網(wǎng)絡(luò)的外部信號(hào)輸入端。

　　1．2．2 兩個(gè)狀態(tài)變量多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)方程

　　按基本多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)的分析方法，可得狀態(tài)方程的矩陣形式為：

　　1．2．3 現(xiàn)態(tài)對(duì)輸入信號(hào)的選擇及輸入矩陣參數(shù)的確定

　　現(xiàn)態(tài)的取值組合決定所選擇的數(shù)據(jù)輸入端，而數(shù)據(jù)輸入端的輸人情況又決定次態(tài)：

　　已知狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系確定式(3)中輸入矩陣參數(shù)的方法如1．1．2所述。

　　1．3 n個(gè)狀態(tài)變量的多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)

　　按照D觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)組合作為數(shù)據(jù)選擇器的選擇輸入變量、數(shù)據(jù)選擇器的輸出作為D觸發(fā)器輸入信號(hào)的構(gòu)成方法，用n個(gè)D觸發(fā)器、n個(gè)2n選1數(shù)據(jù)選擇器組合，可構(gòu)成n個(gè)狀態(tài)變量的多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)。

　　2 基于數(shù)據(jù)選擇器和D觸發(fā)器的多輸入時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)

　　2．1 設(shè)計(jì)步驟

　　采用數(shù)據(jù)選擇器和D觸發(fā)器構(gòu)成的多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多輸入時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)的步驟：

　　(1)由設(shè)計(jì)要求做出最簡(jiǎn)狀態(tài)圖；

　　(2)根據(jù)狀態(tài)個(gè)數(shù)確定多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)中D觸發(fā)器、數(shù)據(jù)選擇器的個(gè)數(shù)及數(shù)據(jù)選擇器的選擇規(guī)模；

　　(3)根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系確定輸入矩陣的參數(shù)，即確定數(shù)據(jù)選擇器輸入端所接的變量或常量；

　　(4)畫(huà)出時(shí)序邏輯圖。

　　2．2 應(yīng)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(gè)狀態(tài)，在不同輸入信號(hào)的作用下進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換：

　　(1)=00狀態(tài)，主干道綠燈亮、支干道紅燈亮，到了規(guī)定的30 s時(shí)間隔由控制電路中的計(jì)數(shù)器向控制器輸入1個(gè)T30=1的信號(hào)，控制器轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)；

　　(2)=01狀態(tài)，主干道黃燈亮、支干道紅燈亮，到了規(guī)定的5 s時(shí)間隔由控制電路中的計(jì)數(shù)器向控制器輸入1個(gè)T5=1的信號(hào)，控制器轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)；

　　(3)=10狀態(tài)，主干道紅燈亮、支干道綠燈亮，到了規(guī)定的20 s時(shí)間隔由控制電路中的計(jì)數(shù)器向控制器輸入1個(gè)T20=1的信號(hào)，控制器轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)；

　　(4)=11狀態(tài)，主干道紅燈亮、支干道黃燈亮，到了規(guī)定的5 s時(shí)間隔由控制電路中的計(jì)數(shù)器向控制器輸入1個(gè)T5=1的信號(hào)，控制器轉(zhuǎn)到第(1)種工作狀態(tài)。

　　控制器的狀態(tài)圖如圖3所示。

　　用有2個(gè)狀態(tài)變量的多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，由圖3所示狀態(tài)圖的狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系，可確定輸入矩陣參數(shù)為：

　　選用雙D觸發(fā)器74LS74和雙4選1數(shù)據(jù)選擇器74LSl53構(gòu)成多輸入時(shí)序網(wǎng)絡(luò)并由式(4)連接輸入端畫(huà)出邏輯圖如圖4所示，其中R，C構(gòu)成通電復(fù)位電路。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　基于數(shù)據(jù)選擇器和D觸發(fā)器的多輸入時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)方法，適合實(shí)現(xiàn)互斥多變量時(shí)序邏輯電路，且在設(shè)計(jì)過(guò)程中不需要進(jìn)行函數(shù)化簡(jiǎn)，而這一過(guò)程在多變量時(shí)是相當(dāng)繁瑣甚至難以進(jìn)行。