3種二進(jìn)制序列信號(hào)檢測(cè)器的實(shí)現(xiàn)方案

該檢測(cè)電路可廣泛用于日常生產(chǎn)、生活及軍事。在許多電子技術(shù)資料中也有一些序列信號(hào)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)，但設(shè)計(jì)方法單一、擴(kuò)展性不強(qiáng)。下面通過(guò)實(shí)例來(lái)說(shuō)明電路的3種設(shè)計(jì)方法。

　　設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一個(gè)二進(jìn)制序列信號(hào)檢測(cè)器，它有一個(gè)輸入X，當(dāng)接收到的序列為1001，則在上述序列輸入最后一個(gè)1的同時(shí)，電路輸出Z=1，否則輸出為0，輸入序列可以重疊。例如：當(dāng)輸入X的序列為0100100101001(首位在左)，對(duì)應(yīng)輸出Z=0000100100001。

　　1 用分立觸發(fā)器設(shè)計(jì)
 

　　觸發(fā)器的種類(lèi)很多，其中雙端輸入的JK觸發(fā)器和單端輸入的D觸發(fā)器最具代表性。由于用D觸發(fā)器設(shè)計(jì)的電路更為簡(jiǎn)單，故采用它來(lái)設(shè)計(jì)電路。

　　1.1 邏輯抽象

　　由于待檢測(cè)的序列為1001，故設(shè)電路在一直輸入0時(shí)的狀態(tài)為S0，輸入一個(gè)1以后的狀態(tài)為S1，連續(xù)輸入10以后的狀態(tài)為S2，連續(xù)輸入100后的狀態(tài)為S3，連續(xù)輸入1001后的狀態(tài)為S4。于是得到狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖1所示。

　　圖1 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

　　選取第1、3行解釋其原理：S0表示接收到的是0，當(dāng)在此基礎(chǔ)上再接收到一個(gè)0后變?yōu)?0，而需要檢測(cè)的序列是1001，所以電路狀態(tài)仍然停留在S0上;當(dāng)電路在S0的基礎(chǔ)上接收到1后表示接收到1001序列中的第一個(gè)1，于是電路狀態(tài)轉(zhuǎn)為S1。同理S2表示已經(jīng)接收到10，當(dāng)在此基礎(chǔ)上接收到0后變?yōu)?00，電路轉(zhuǎn)到S3，但是接收到1后則變?yōu)?01，于是前面接收的兩位代碼失去作用，只有第3位的1可作為1001的第一位，所以電路狀態(tài)轉(zhuǎn)回S1。

　　通過(guò)觀察狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，可以發(fā)現(xiàn)，S1和S4在同樣的輸入下有同樣的輸出，而且狀態(tài)轉(zhuǎn)移后得到同樣的次態(tài)。因此它們是等價(jià)的可以合并，于是，狀態(tài)轉(zhuǎn)換表可以化簡(jiǎn)如圖2所示。

　　圖2 化簡(jiǎn)后的轉(zhuǎn)換表

　　從物理概念上也不難理解這種情況。當(dāng)電路連續(xù)接收到1001后，輸出為1，但序列可以重疊，故最后一個(gè)1可作為下一個(gè)1001序列的第一位，所以電路在連續(xù)接收到1001后的狀態(tài)S4實(shí)際上就是S1。

　　1.2 編碼

　　由化簡(jiǎn)后的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表2可知，電路總共有4種狀態(tài)(S0～S3)，而每個(gè)觸發(fā)器的輸出Q可以用0或1表示兩種狀態(tài)，于是兩個(gè)觸發(fā)器的輸出Q1Q0的4種00、01、10、11就可以表示這4種狀態(tài)S0～S3。這個(gè)過(guò)程即為編碼。

　　1.3 列真值表并寫(xiě)出狀態(tài)方程

　　將化簡(jiǎn)后的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為表中各狀態(tài)，用編碼表示即得到真值表，如圖3所示。其中表示Q1Q0的下一狀態(tài)。寫(xiě)出關(guān)于X，Q1，Q0的方程，即電路的狀態(tài)方程，如式(1)所示。

　　圖3 真值表

　　1.4 作邏輯電路圖

　　由于D觸發(fā)器的特性方程為Q*=D，從而

，根據(jù)該方程就可以畫(huà)出邏輯電路圖，如圖4所示。

　　圖4 序列碼檢測(cè)器邏輯電路圖

　　2 將觸發(fā)器接成移位寄存器進(jìn)行設(shè)計(jì)

　　以上設(shè)計(jì)方法主要依靠電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)序列碼檢測(cè)，雖然所得電路簡(jiǎn)單，但是設(shè)計(jì)過(guò)程較復(fù)雜，特別是當(dāng)需要檢測(cè)的序列碼位數(shù)較長(zhǎng)時(shí)，工作量較大。為此，將觸發(fā)器接成移位寄存器的方式，可簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，同時(shí)也便于擴(kuò)展成位數(shù)更多的序列碼檢測(cè)器。用4個(gè)D觸發(fā)器接成的向右移位寄存器。電路如圖5所示。

　　圖5 移位寄存器型序列碼檢測(cè)器

　　由圖5可知，

。在移位脈沖clk作用下，輸入端X輸入的二進(jìn)制碼依次向右移動(dòng)，每當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)完整的1001序列時(shí)，輸出端Z便出現(xiàn)高電平。這樣就實(shí)現(xiàn)了序列碼檢測(cè)的功能。3 用中規(guī)模集成電路進(jìn)行設(shè)計(jì)

　　既然用移位寄存器可以實(shí)現(xiàn)序列信號(hào)檢測(cè)，那么用集成移位寄存器加少量門(mén)電路同樣可以實(shí)現(xiàn)，而且電路可靠性更高。用4位集成移位寄存器74LS194，實(shí)現(xiàn)的序列1001檢測(cè)器，如圖6所示。

　　圖6 用集成移位寄存器構(gòu)成序列碼檢測(cè)器

　　4 當(dāng)序列不可重疊時(shí)的電路設(shè)計(jì)

　　用以上3種方法設(shè)計(jì)出的電路，都是可序列重疊的序列碼檢測(cè)器，若要求被檢測(cè)的序列不可重疊，則在方法1中，只需要根據(jù)實(shí)際情況修改狀態(tài)轉(zhuǎn)換表即可。后面的設(shè)計(jì)原理及步驟不變。這種設(shè)計(jì)方法存在的問(wèn)題仍然是當(dāng)待檢測(cè)的序列位數(shù)較長(zhǎng)時(shí)，設(shè)計(jì)工作量大、電路可靠性降低。在采用第2、第3種方法設(shè)計(jì)時(shí)，需增加部分控制電路，為保證輸入與時(shí)鐘的同步性，需要使得每當(dāng)檢測(cè)出一個(gè)序列時(shí)，直接將序列的下一位置入寄存器最低位，同時(shí)置寄存器其余各位為序列碼最后一位的反碼以消除重疊代碼的影響。此外再用一個(gè)鎖存器使輸出高電平多保持0.5個(gè)時(shí)鐘周期，其優(yōu)點(diǎn)是：可以消除移位過(guò)程中的競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)，使得輸出波形更穩(wěn)定、電路可靠性更高，電路如圖7所示。

　　圖7 用移位寄存器構(gòu)成的序列不可重疊的序列碼檢測(cè)器