时序逻辑电路,简称时序电路,是一种在任意时刻的输出不仅取决于该时刻电路的输入,而且还与电路过去的输入有关的逻辑电路,因此时序逻辑电路须具备信号的存储电路(主要由触发器构成)。时序逻辑电路是数字系统中非常重要的一类逻辑电路,常见的时序逻辑电路有计数器、寄存器和序号发生器等。
1.根据时钟分类
(1)同步时序电路中,各个触发器的时钟脉冲相同,即电路中有一个统一的时钟脉冲,每来一个时钟脉冲,电路的状态只改变一次。
(2)异步时序电路中,各个触发器的时钟脉冲不同,即电路中没有统一的时钟脉冲来控制电路状态的变化,电路状态改变时,电路中要更新状态的触发器的翻转有先有后,是异步进行的。
2.根据输出分类
(1)米利型时序电路的输出不仅与现态有关,而且还决定于电路当前的输入。
(2)穆尔型时序电路的其输出仅决定于电路的现态,与电路当前的输入无关;或者根本就不存在独立设置的输出,而以电路的状态直接作为输出。
时序逻辑电路基本分析步骤:
1.写方程式
(1)输出方程。时序逻辑电路的输出逻辑表达式,它通常为现态的函数。
(2)驱动方程。各触发器输入端的逻辑表达式。
(3)状态方程。将驱动方程代入相应触发器的特性方程中,便得到该触发器的次态方程。时序逻辑电路的状态方程由各触发器次态的逻辑表达式组成。
2.列状态转换真值表
将外输入信号和现态作为输入,次态和输出作为输出,列出状态转换真值表。
3.逻辑功能的说明
根据状态转换真值表来说明电路的逻辑功能。
4.画状态转换图和时序图
状态转换图:电路由现态转换到次态的示意图。
时序图:在时钟脉冲CP作用下,各触发器状态变化的波形图。
1.寄存器
在数字电路中,用来存放二进制数据或代码的电路称为寄存器。
寄存器是由具有存储功能的触发器组合起来构成的。一个触发器可以存储1位二进制代码,存放n位二进制代码的寄存器,需用n个触发器来构成。
按照功能的不同,可将寄存器分为基本寄存器和移位寄存器两大类。基本寄存器只能并行送入数据,需要时也只能并行输出。移位寄存器中的数据可以在移位脉冲作用下依次逐位右移或左移,数据既可以并行输入、并行输出,也可以串行输入、串行输出,还可以并行输入、串行输出,串行输入、并行输出,十分灵活,用途也很广。
2.计数器
在数字电路中,能够记忆输入脉冲个数的电路称为计数器。计数器是一种累计脉冲个数的逻辑部件,不仅用于计数,而且还用于定时、分频和程序控制等,用途极为广泛,几乎所有数字系统中都有计数器。
计数器可按多种方式来进行分类。按计数过程数字增减趋势可分为加法计数器、减法计数器以及加减均可的可逆计数器。按照进制方式不同,可分为二进制计数器、十进制计数器以及任意进制计数器。根据各个计数单元动作的次序,可将计数器分为同步计数器和异步计数器两大类。
带有时序逻辑电路的数字电路主要故障分析:
1. 时钟:时钟是整个系统的同步信号,当时钟出现故障时会带来整体的功能故障。时钟脉冲丢失会导致系统数据总线、地址总线或控制总线没有动作。时钟脉冲的速率、振幅、宽度、形状及相位发生变化均可能引发故障。
2. 复位:含有微处理器(MPU)的设备,即使是最小系统,一般都具有复位功能。复位脉冲在系统上电时加载到MPU上,或在特定情况下使程序回到最初状态(例如,看门狗Watchdog程序)。当复位脉冲不能发生、信号过窄、信号幅度不对、转换中有干扰或转换太慢时,程序就可能在错误的地址启动,导致程序混乱。
3. 总线:总线传递指令系列和控制事件,一般有地址总线、数据总线和控制总线。当总线即使只有一位发生错误时,也会严重影响系统功能,出现错误寻址、错误数据或错误操作等。总线错误可能发生在总线驱动器中,也可能发生在接收数据位的其它元件中。
4. 中断:带微处理器(MPU)的系统一般都能够响应中断信号或设备请求,产生控制逻辑,以暂时中断程序执行,转到特殊程序,为中断设备服务,然后自动回到主程序。中断错误主要是中断线路粘附(此时系统操作非常缓慢)或受到干扰(系统错误响应中断请求)。
5. 信号衰减和畸变:长的并行总线和控制线可能会发生交互串扰和传输线故障,表现为相邻的信号线出现尖峰脉冲(交互串扰),或驱动线上形成减幅振荡(相当于逻辑电平的多次转换),从而可能加入错误数据或控制信号。发生信号衰减的可能原因比较多,常见的有高湿度环境、长的传输线、高速率转换等。而大的电子干扰源会产生电磁干扰(EMI),导致信号畸变,引起电路的功能紊乱。
1.时序电路的设计是根据要求实现其逻辑功能,先作出原始状态图或原始状态表,然后进行状态化简(状态合并)和状态编码(状态分配),再求出所选触发器的驱动方程、时序电路的状态方程和输出方程,画出设计好的逻辑电路图。
2.在设计同步时序逻辑电路时,把CP 信号作逻辑1处理,对异步时序逻辑电路则把CP 信号作为一个变量来处理。
3.用已有的M 进制集成计数器可构成N(任意)进制的计数器。当M >N 时,用1片M进制计数器采取反馈清零法或反馈置数法跳过M-N 个状态,而得到N 进制计数器。当M <N 时,用多片M 进制计数器组合起来,构成N 进制计数器,各级之间的连接方式可分为并行进位、串行进位、整体反馈清零和整体反馈置数等几种方式。
在检修时序逻辑电路之前应尽可能熟悉系统的结构原理和电路,然后是分析故障的表征特性,尽可能地缩小故障产生的范围。较的医疗设备一般带有自诊断程序,可充分利用它查找故障,将故障定位到较小范围。
1.检查电源
时序逻辑电路较常采用±5V、±15V、±12V电源。当电源对地短路或电源稳定性差都可能导致系统故障,表现为系统无反应、系统程序紊乱等。一般来说,电源对地短路是因为电容(去耦电容)短路产生的,找到故障电容的办法是采用电流跟踪仪跟踪短路电流,没有电流跟踪仪的就只好将电路分单元查找替换。
2.检查时钟
时钟电路一般由石英晶体电路组成(也有采用RC振荡电路的)。根据经验,石英晶体较易损坏。可用示波器测试时钟信号的频率、振幅、相位,或简单地用逻辑探针检测时钟脉冲的有无。对各个单元电路的时钟均应检测,以防断线、松脱、干扰等引起时钟脉冲的不正确。
3.检查总线
用逻辑探针检查总线上是否有脉冲活动。若总线上没有脉冲活动,可继续检查总线驱动器输入端有无脉冲信号、驱动器是否在允许状态、驱动器是否响应激励等,来确定故障是否是由于总线驱动器引起的,然后轮流检查每一个总线接收者。另外,可以关掉电源,用多用表检查总线各线的对地电阻,如果所有线的阻值一样,那么总线估计正常;如果一条或多条线的阻值与其余的不同,那么该线值得怀疑;如果有两根线的阻值相同,而又高于或低于其它的线,那么这两条线可能相互短路了。
4.检查关键的脉冲信号
用逻辑探针、示波器或逻辑分析仪观察复位、使能、选通、读写、中断、读内存等控制信号,可以较好地判断集成电路(IC)是否正常工作。当复位信号有效时,IC输出应被清零或置位,程序应回到初始状态运行;当使能信号有效而时钟脉冲正常时,IC数据线上应有脉冲活动;当逻辑探针连到读内存线上,而指示灯没有闪烁显示(即读内存线上没有脉冲活动),说明微处理器可能在程序的某处卡住了,因为每一条指令读地址处存储器时,读内存线上通常是应有脉冲信号的;对于中断信号,可用逻辑探针来观察是否发生中断线路粘附,也可通过外加直流电压或低电平来控制(允许或禁止)被测试的中断。
5.检查接口
接口卡、印刷板与插座插接时可能松脱或偏离中心导致接触不良而引发故障,实际上很多故障的确是由此产生的,对此可用无水酒精擦拭清洁接口后再重新插接固定。另外数字系统还常常通过外部通信线路(RS232、MODEM、IEEE-488等)与其它系统连接,而连接线通常很长,还可能暴露于电子干扰源下,例如继电器、电机、变压器、大型X线机、阴雨天闪电等,连接口接触不良和电子干扰源的电磁干扰(EMI)均可能会产生错误的数据传送,甚至损坏相关的元件。对电磁干扰找出干扰源后排除它,其次可改善工作环境(如湿度和温度等),加强屏蔽,或改用屏蔽性能好的连接线。
时序逻辑电路的检修必须通过长期实际工作,摸索总结方法技巧,才能更好地诊断、发现并排除故障,提高维修技术水平。
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