基于数据选择器和D触发器的多输入时序电路设计

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。