同步时序逻辑电路设计步骤研究

褚徳欣，王艳荣

(内蒙古工业大学信息工程学院，内蒙呼和浩特 010051)

1 设计方法

同步时序逻辑电路设计方法可按以下几个步骤进行:设计要求;原始状态图;最简状态图;状态分配;选定触发器类型，求出状态方程、驱动方程和输出方程;画逻辑电路图并检查能否自启动［1］。但是在现有教材中，原始状态的确定并没有被突出和强化，事实上，原始状态的罗列是联系设计要求和原始状态图之间的一个重要的纽带，因此分析设计任务，列出原始状态对于时序逻辑电路的设计至关重要。本文通过对具体实例的设计研究，完善了时序逻辑电路设计的一般规律、原则及方法［1－2］。

2 实例设计分析

设计一种铁路平交道控制电路来控制道栅门的放下与升起，如图1所示，在P1和P2两处设置感测组件，用以感测火车是否经过，此两点相距足够远，同一列火车不会同时被此两处感测组件所侦测，当火车任何部位位于P1和P2两处之间时，平交道栅门应放下，否则升起栅门［3］。

图1 铁路平交道控制电路

(1)设计任务分析。在P1和P2出放置两个感测组件，设P1、P2处的输出信号分别为 P1、P2，当火车经过P1和P2时，输出信号1;当火车未压到P1和P2时，则输出0。A、B两个栅门由Z控制，当Z=0时栅门打开;当Z=1时栅门关闭。

(2)原始状态分析。电路原始状态转化图的正确与否首先取决于原始状态是否符合要求，也就是原始状态数是否涵盖所有可能发生的情况，其次再决定于状态转换关系是否正确，原始状态的定义不同，最简状态的物理含义以及最简状态转换图也会不同。

首先，铁路为双向的，所以火车可以从东向西，也可以从西向东;其次P1和P2相距足够远，火车不可能同时压住两个感测组件。原始状态分析如下:火车从西向东时，火车没有到达P1处，则P1P2=00;火车压住P1，则 P1P2=10;火车处于 P1、P2之间，则 P1P2=00;火车压住P2，则P1P2=01;火车驶出P2，则 P1P2=00;火车从东向西时，火车没有到达P2处，则P1P2=00;火车压住 P2，则 P1P2=01;火车处于 P1、P2之间，则P1P2=00;火车压住P1，则P1P2=10;火车驶出P1，则P1P2=00。在时序逻辑电路的设计过程中，原始状态的定义方法并不唯一，现给出两种原始状态的定义方法。

1)原始状态定义方法一。由以上分析可定义如下7个原始状态:

状态S1火车在P1和P2区间之外，对应输入P1P2=00。

状态S2火车自西向东行驶，并压在P1上。

状态S3火车继续自西向东行驶，且位于P1和P2之间。

状态S4火车仍自西向东行驶，并压在P2上。

状态S5火车自东向西行驶，并压在P2上。

状态S6火车继续自东向西行驶，且位于P1和P2之间。

状态S7火车仍自东向西行驶，并压在P1上。

(a)由原始状态分析可列出原始状态转换如表1所示。

表1 交通控制状态表

(b)状态化简及状态定义。根据化简原则，在相同输入下有相同输出且转换到同一次态的状态可以合并的原则，状态S2和状态S3可以合并为一个状态，称S2状态;状态S4和状态S7可以合并为一个状态，称S4状态;状态S5和状态S6可以合并为一个状态，称S5状态。此4个最简状态所具有的物理意义分别为:S1:火车处于 P1、P2之外，P1P2=00，Z=0;S2:火车从西向东行驶，压住 P1，和处于 P1、P2之间，P1P2=X0，Z=1;S4:火车从东向西行驶，压住 P2，和处于 P1、P2之间，P1P2=0X，Z=1;S5:火车从西向东行驶，压住 P2，P1P2=01，Z=1以及火车从东向西行驶，压住 P1，P1P2=10，Z=1。可得简化状态转化表如表2所示。

表2 简化后的交通控制状态表

根据最简状态转换表，按照常规设计步骤即可得到状态方程、驱动方程和输出方程，最终画出系统电路图。

2)原始状态定义方法二。也可转换思路改变定义原始状态的方法，定义如下6个原始状态:

状态S1火车在P1和P2区间之外，对应输入P1P2=00。

状态S2火车自西向东或自东向西行驶，且位于P1和P2之间。

状态S3火车自西向东行驶，且压在P1上。

状态S4火车自西向东行驶，并压在P2上。

状态S5火车自东向西行驶，并压在P2上。

状态S6火车自东向西行驶，并压在P1上

(a)由原始状态分析可列出原始状态转换表如表3所示。

表3 原始状态转换表

(b)状态化简及状态定义。根据化简原则，在相同输入下有相同输出且转换到同一次态的状态可以合并的原则，状态S3和状态S5可以合并为一个状态，称S3状态;状态S4和状态S6可以合并为一个状态，称S4状态。此4个最简状态所具有的物理意义分别为:S1:火车处于 P1、P2之外，P1P2=00，Z=0;S2:火车自西向东或自东向西行驶，且位于P1和P2之间。P1P2=00，Z=1;S3:火车自西向东行驶，压在P1上或火车自东向西行驶，压在P2上。S4:火车自西向东行驶，压在P2上或火车自东向西行驶，压在P1上。P1P2=01，Z=1以及火车从东向西行驶，压住P1，P1P2=10，Z=1。可得简化状态转化表如表4所示。

表4 简化后的交通控制状态表

3 结束语

在数字电子技术各个版本教材中，对原始状态的定义都不作重点阐述，或含糊不清或一笔带过。事实上，除了计数器的设计，像自动售货机、序列代码检测电路等一些教材上的设计实例，在设计分析过程中，原始状态的分析对设计成功与否以及设计过程是否清晰十分重要，本文通过对铁路平交道控制电路设计过程中原始状态的分析，对原始状态做了两种定义，都能得到逻辑关系正确的最简状态转换表，但显然第二种定义方法由于原始状态定义较合理，其最简状态的逻辑含义也更清晰。因此，在时序逻辑电路的设计过程中，原始状态的分析和定义应被列入设计步骤或在设计过程中被强化。

［1］阎石.数字电子技术基础［M］.5版.北京:高等教育出版社，2006.

［2］夏路易.数字电子技术基础教程［M］.北京:电子工业出版社，2009.

［3］秦曾煌.电工学简明教程［M］.北京:高等教育出版社，2001.

［4］蔡宪承.基于Multisim的时序逻辑电路设计与仿真［J］.电子科技，2010，23(12):12 －13.

［5］倪德克.Multisim在数字电路逻辑设计教学中的应用［J］.西安邮电学院学报，2011，16(S1):90 －91.