数字电路技术题目解答第四部分共11题

发布时间 2009-07-20

  【题目8】:如何理解时序电路图中的自启动?  

【相关知识】:状态转移图,时序电路自启动的解决方法,时序电路的设计等。

【解题方法】:从状态真值出发,分析时序电路的自启动。一种方法是通过异步或同步清零、置数等方法将时序电路的初始状态强制置入主循环之中,另一种方法是将各无效状态强制转移到主循环中的某个状态。

【解答过程】:分析时序电路的目的是确定状态和状态之间的转换关系。若时序电路由N只触发器构成,则总共存在(2squn)个状态。实际应用中有效状态循环(主循环)中的状态数一般小于总状态数。例,由四只FF构成的8421BCD编码的十进制加法计数,其有效状态数只有10个,状态转换图(主循环)如图1。

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         四只FF构成的时序电路共有16个状态,另六个状态1010,1011,1100,1101,1110,1111不包括在主循环之中,是无效状态。

        不作特别处理时,电路启动后四只FF的初始状态是不确定的或随机的,上电瞬间万一进入无效状态,电路能否最终进入主循环呢?这就是时序电路的自启动问题。如能进入主循环,进入主循环至少需要多少个时钟脉冲呢?

        假定上述计数器的完整状态转移图如图2。

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        此时,如果电路上电瞬间进入状态1100,则需要4个时钟脉冲才能进入主循环。若上电瞬间进入状态0000或1111,则不能进入主循环,即不能自启动。

        按图2所示状态转换图设计的十进制计数器,不能自启动的概率是2/16。

        解决自启动的方法主要有二种,一种是设计时序电路时,考虑电路的所有状态,将无效状态强制转移至主循环之中,另一种是利用触发器的异步清零和置数端,确定上电瞬间电路进入有效状态。

        1.设计完整的状态转移图

        例,由图1的状态转换图得状态真值表如表1。

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        状态1010,1011,1100,1101,1110,1111的转移结果在主循环中并没有要求,一种方法是将这六个状态的转移结果当作无关项,这样设计出的电路比较简单,但有可能导致设计出的最终电路不能自启动,设计结束后必须检查能否自启动,若不能自启动,必须修改设计。

        另一种方法是将六个状态强制转移到主循环之中,例可将六个状态全部强制转移至0000状态,这种方法设计出的电路可能相对复杂,但肯定能够自启动。本例将非主循环状态转移至主循环中的方案可达数字电路技术题目解答第四部分共11题,其中存在一个最优方案,使设计出的电路最简单,但这个过程比较复杂。

        2.利用异步清零和异步置数

        解决自启动的另一种方法是利用FF的异步清零和异步置数功能,在电路上电瞬间将FF的状态控制在主循环之中。8421BCD编码的十进制加法计数的一种设计结果如图3所示。其中R、C构成复位电路,在上电瞬间电容C上的电压不能突变保持低电平,利用四只FF的异步清零功能,促使计数器初始状态等于0000。R、C充电结束后,电容C上电压保持在VCC,清零无效。

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        3.两种自启动方法的比较

        利用异步清零和异步置数实现自启动的优点是可以按最快的速度使时序电路进入主循环。缺点是初始化结束后,电路如果受到干扰进入无效状态,就有可能再也不能返回主循环,需要重新上电或复位才能恢复电路功能。

        利用完整的状态转移图实现自启动的优点是不管在何种情况都可以保证电路工作在主循环。缺点时无效状态至少需要一个时钟宽度才能转入主循环,电路仍有进入无效状态的机会。如果时序电路任何时刻都不允许进入某些无效状态,这种方法无法做到。

        理想的自启动电路是同时采用两种自启动电路,这样既可以保证上电后快速进入主循环,又可以防止工作中因干扰跑出主循环。

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