干貨|漫畫描述數字電路之時序電路



1什么是時序電路?

組合電路是根據當前輸入信號的組合來決定輸出電平的電路,換言之,就是現在的輸出不會被過去的輸入所左右,也可以說成是,過去的輸入狀態對現在的輸出狀態沒有影響的電路。


時序電路和組合電路不同,時序電路的輸出不僅受現在輸入狀態的影響,還要受過去輸入狀態的影響。


那么,如何才能將過去的輸入狀態反映到現在的輸出上呢?時序電路到底需要些什么呢?


人類總是根據過去的經驗,決定現在的行動,這時我們需要的就是—記憶,同樣時序電路也需要這樣的功能,這種能夠實現人類記憶功能的元器件就是觸發器。


按結構和功能,觸發器可以分為RS型、JK型、D型和T型,在這里,我們只講解比較有代表性的類型,RS型和D型。


2觸發器就像一個蹺蹺板

觸發器的工作方式與日本的“起坐親子游戲”很象,日本的“起坐親子游戲”,指的就是公園里的蹺蹺板,想起蹺蹺板,就能想象出RS觸發器的工作原理。

干貨|漫畫描述數字電路之時序電路的圖1
圖1:RS觸發器的電路圖

圖2就是一個蹺蹺板,這個蹺蹺板有些生銹,即使沒有人坐,也不能恢復水平狀態,請記住它保持傾斜的樣子,假設:

  • 蹺蹺板的兩端是輸出Q和Q#。
  • 左右的2個人是R君和S君,表示輸入,坐上蹺蹺板表示邏輯 高 H狀態,沒有在蹺蹺板上表示邏輯低L狀態。
  • 每次只允許一個人坐,兩人不能同時坐。


干貨|漫畫描述數字電路之時序電路的圖2
圖2:蹺蹺板的初始狀態
Q=L、Q#=H、R=L、S=L

當S君坐上蹺蹺板(S=H)時,輸出Q就變為H(Q#變成L)(圖3 )。

干貨|漫畫描述數字電路之時序電路的圖3
圖3:S君坐在蹺蹺板上的狀態
Q=H、Q#=L、R=L、S=H

即使S君下來了,蹺蹺板也不會改變動作(S=L),Q#還是L,不改變(圖4)。

干貨|漫畫描述數字電路之時序電路的圖4
圖4:S君從蹺蹺板上下來的狀態
Q=H、Q#=L、R=L、S=L

當R君坐上蹺蹺板時,Q變成L(Q#變成H),當R君從蹺蹺板上下來時,也會保持L狀態,從這個過程來看,我們是不是可以說蹺蹺板記住了以前坐過它的人呢。

用真值表表示RS觸發器的工作過程,就像圖5所示一樣,表中Q0和Q0#表示的是輸入變化以前的輸出。

干貨|漫畫描述數字電路之時序電路的圖5
圖5:RS觸發器的真值表

RS觸發器是最簡單的觸發器,主要用于防止機械式開關的誤操作。

3按時鐘變化記憶的D觸發器

D觸發器是在時鐘信號(CK)的上升沿(信號從L→H的變化)或下降沿(信號從H→L的變化)時,保持輸入信號狀態,改變輸出信號的觸發器。

干貨|漫畫描述數字電路之時序電路的圖6
圖6:D觸發器

干貨|漫畫描述數字電路之時序電路的圖7
Q0:輸入變化前的輸出
x:H或L都可以
↑:L向H的轉移
圖7:D觸發器的真值表

現在,我們用蹺蹺板來說明D觸發器的工作原理,蹺蹺板的初始狀態如圖8所示,D君坐上蹺蹺板表示輸入為H,從蹺蹺板上下來表示輸入為L,蹺蹺板的另一邊,放一個比D君輕的重物。

另外這個蹺蹺板與一般的蹺蹺板不同,只有在時鐘CK上升沿時,才改變蹺起的方向。

干貨|漫畫描述數字電路之時序電路的圖8
圖8:D觸發器的初始狀態 
CK=L、D=H、Q=L、Q#=H

看著圖8,你不覺得有些奇怪嗎?D君坐在蹺蹺板上,卻沒有變化,按理說,由于D君比重物重,D君(Q#)應該降下來,才對。

為什么蹺蹺板沒有發生變化呢,這是因為CK還保持L狀態,當CK變為H(CK上升)時,蹺蹺板就蹺起來了,D君就下降了(圖9)。

干貨|漫畫描述數字電路之時序電路的圖9
圖9:D觸發器的CK處于上升狀態
D=H、Q=H、Q#=L

然后,CK就穩定在H狀態,這時,不管D君是從蹺蹺板上下來,還是再坐上去,蹺蹺板都不動,只要不在CK的上升狀態,蹺蹺板就一直保持以前的狀態。

這種動作的觸發器被稱為D觸發器,具有在時鐘上升瞬間,保持(記憶)輸入狀態的功能,是一種時鐘同步時序電路。

D觸發器是時序電路的基本元件,用途廣泛,D觸發器的多級組合,可以做成移位寄存器、分頻電路等,也可用于CPU內部的寄存器等。

4SRAM是觸發器構成的嗎?

觸發器可以記憶H或L,1位的信息,大量排列觸發器,并使之具有可選擇性后,就可以構成SRAM。


由于SRAM的輸入輸出速度比DRAM和閃存的訪問速度高得多,所以,常用作CPU的緩存和寄存器。


盡管我們這樣說,實際上CPU中內置的存儲器或寄存器并非使用的是RS觸發器這樣的邏輯門。


由于使用邏輯門,會使電路規模變大,所以,一般使用4到6個FET,再經過優化構成存儲器的1位(圖A)。


干貨|漫畫描述數字電路之時序電路的圖10
圖A:SRAM的基本電路

5時鐘同步電路的必要性

我們分兩次,組合電路和時序電路,對邏輯電路的基礎進行了講解,實際上,在設計邏輯電路時,有很多應該注意的事項,其中特別重要的就是關于時鐘同步電路的注意事項。

在組合電路中,微小的信號傳輸遲延,都有可能造成輸出毛刺,盡管毛刺是一個極其短暫的信號,但也可以引起邏輯電路的誤動作,為了回避這個問題,就要使用時鐘同步電路。

干貨|漫畫描述數字電路之時序電路的圖11
圖10:時鐘同步電路的思路

圖10給出了時鐘同步電路的概要,如圖所示,其構造是在FF(觸發器)之間夾著組合電路,毛刺是組合電路在輸出穩定之前,輸出的短暫信號。

因此,在組合電路輸出穩定以后,再改變時鐘,用觸發器保持這個輸出,就可以回避這種誤動作了。

來源:巧學模電數電單片機
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