基于D触发器和数据选择器的多输入时序网络的电路设计

　　在SSI时序逻辑电路设计中，遵循的设计准则是：在保证所设计的时序逻辑电路具有正确功能的前提下，触发器的激励函数应最小化，从而简化电路结构。用卡诺图法或公式法化简触发器的激励函数，在多输入变量时相当繁琐甚至难以进行。因此，需要寻求多输入时序逻辑电路简捷设计方法。本文给出多输入变量时序逻辑网络的一种新型结构：将D触发器和数据选择器进行组合，构成既有存储功能又有数据选择功能的多输入时序网络，并给出设计过程中不需要进行函数化简的设计技术。

　　1 基本原理

　　1.1 基本多输入时序网络

　　1.1.1 多输入时序网络的基本形式

　　用1个D触发器和1个2选1数据选择器构成多输入时序网络的基本电路，如图1所示。

　　

　　图1中，触发器的现态输出Qn作为数据选择器的A选择输入变量，数据选择器的Y输出作为触发器的D输入信号，数据选择器的输入端D0，D1作为所构成时序网络的外部信号输入端。

　　1.1.2 多输入时序网络基本电路的状态方程

　　由D触发器的特性方程Qn+1=D、数据选择器的输出逻辑表达式

的关系，得多输入时序网络基本电路的状态方程：

　　

　　写成矩阵形式为：

　　

　　1.1.3 已知状态转换关系确定时序网络输入矩阵参数的方法

　　由式(1)、式(2)有：

　　(1)现态Qn=0时，Qn+1=D0，选择输入D0，由状态转换关系确定D0。可实现所要求的状态转换：

　　若Qn+1=O，即状态转换为0→O，则式(2)中的输入矩阵应填D0=0;

　　若Qn+1=1，即状态转换为O→1，则式(2)中的输入矩阵应填D0=使状态产生变化的输入变量。

　　(2)现态Qn=1时，Qn+1=D1，选择输入D1，由状态转换关系确定D1可实现所要求的状态转换：

　　若Qn+1=1，即状态转换为1→1，则式(2)中的输入矩阵中应填D1=1;

　　若Qn+1=0，即状态转换为1→O，则式(2)中的输入矩阵中应填D1=使状态产生变化的输入变量取反。

　　1.2 2个状态变量的多输入时序网络

　　1.2.1 2个状态变量多输入时序网络的形式

　　用2个D触发器和2个4选1数据选择器可构成有2个状态变量的多输入时序网络，如图2所示。

　　

　　图2中，触发器的2个现态输出

作为数据选择器的A1A0选择输入变量，2个数据选择器的Y输出分别作为2个触发器的D输入信号，数据选择器的输入端D10～D13，D00～D03作为所构成时序网络的外部信号输入端。

　　1.2.2 两个状态变量多输入时序网络的状态方程

　　按基本多输入时序网络的分析方法，可得状态方程的矩阵形式为：

　　

　　1.2.3 现态对输入信号的选择及输入矩阵参数的确定

　　现态

的取值组合决定所选择的数据输入端，而数据输入端的输人情况又决定次态：

　　

　　已知状态转换关系确定式(3)中输入矩阵参数的方法如1.1.2所述。

　　1.3 n个状态变量的多输入时序网络

　　按照D触发器的现态组合作为数据选择器的选择输入变量、数据选择器的输出作为D触发器输入信号的构成方法，用n个D触发器、n个2n选1数据选择器组合，可构成n个状态变量的多输入时序网络。

　　2 基于数据选择器和D触发器的多输入时序逻辑电路设计

　　2.1 设计步骤

　　采用数据选择器和D触发器构成的多输入时序网络进行多输入时序逻辑电路设计的步骤：

　　(1)由设计要求做出最简状态图;

　　(2)根据状态个数确定多输入时序网络中D触发器、数据选择器的个数及数据选择器的选择规模;

　　(3)根据状态转换关系确定输入矩阵的参数，即确定数据选择器输入端所接的变量或常量;

　　(4)画出时序逻辑图。

　　2.2 应用举例

　　主干道、支干道十字路口交通灯控制电路中的控制器共有4个状态，在不同输入信号的作用下进行状态转换：

　　(1)

状态，主干道绿灯亮、支干道红灯亮，到了规定的30 s时间隔由控制电路中的计数器向控制器输入1个T30=1的信号，控制器转到下一工作状态;

　　(2)

状态，主干道黄灯亮、支干道红灯亮，到了规定的5 s时间隔由控制电路中的计数器向控制器输入1个T5=1的信号，控制器转到下一工作状态;

　　(3)

状态，主干道红灯亮、支干道绿灯亮，到了规定的20 s时间隔由控制电路中的计数器向控制器输入1个T20=1的信号，控制器转到下一工作状态;

　　(4)

状态，主干道红灯亮、支干道黄灯亮，到了规定的5 s时间隔由控制电路中的计数器向控制器输入1个T5=1的信号，控制器转到第(1)种工作状态。

　　控制器的状态图如图3所示。

　　

　　用有2个状态变量的多输入时序网络实现，由图3所示状态图的状态转换关系，可确定输入矩阵参数为：

　　

　　选用双D触发器74LS74和双4选1数据选择器74LSl53构成多输入时序网络并由式(4)连接输入端画出逻辑图如图4所示，其中R，C构成通电复位电路。

　　

　　3 结语

　　基于数据选择器和D触发器的多输入时序逻辑电路设计方法，适合实现互斥多变量时序逻辑电路，且在设计过程中不需要进行函数化简，而这一过程在多变量时是相当繁琐甚至难以进行。