看漫畫學技術：數(shù)字電路之時序電路
[導讀]1什么是時序電路？組合電路是根據(jù)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(xiàn)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(tài)對現(xiàn)在的輸出狀態(tài)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(xiàn)在輸入狀態(tài)的影響，還要受過去輸入狀態(tài)的影響。那么，如何才...
1什么是時序電路？
組合電路是根據(jù)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(xiàn)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(tài)對現(xiàn)在的輸出狀態(tài)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(xiàn)在輸入狀態(tài)的影響，還要受過去輸入狀態(tài)的影響。
那么，如何才能將過去的輸入狀態(tài)反映到現(xiàn)在的輸出上呢？時序電路到底需要些什么呢？
人類總是根據(jù)過去的經(jīng)驗，決定現(xiàn)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(xiàn)人類記憶功能的元器件就是觸發(fā)器。
按結構和功能，觸發(fā)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(fā)器就像一個蹺蹺板
觸發(fā)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(fā)器的工作原理。圖1：RS觸發(fā)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(tài)，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(tài)，沒有在蹺蹺板上表示邏輯低L狀態(tài)。
- 每次只允許一個人坐，兩人不能同時坐。
圖2：蹺蹺板的初始狀態(tài)Q=L、Q#=H、R=L、S=L
當S君坐上蹺蹺板（S=H）時，輸出Q就變?yōu)镠（Q#變成L）（圖3 ）。
圖3：S君坐在蹺蹺板上的狀態(tài)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）。
圖4：S君從蹺蹺板上下來的狀態(tài)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(tài)，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(fā)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。
圖5：RS觸發(fā)器的真值表RS觸發(fā)器是最簡單的觸發(fā)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(fā)器
D觸發(fā)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(tài)，改變輸出信號的觸發(fā)器。圖6：D觸發(fā)器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(fā)器的真值表
現(xiàn)在，我們用蹺蹺板來說明D觸發(fā)器的工作原理，蹺蹺板的初始狀態(tài)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。
圖8：D觸發(fā)器的初始狀態(tài)?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(fā)生變化呢，這是因為CK還保持L狀態(tài)，當CK變?yōu)镠（CK上升）時，蹺蹺板就蹺起來了，D君就下降了（圖9）。
圖9：D觸發(fā)器的CK處于上升狀態(tài)D=H、Q=H、Q#=L然后，CK就穩(wěn)定在H狀態(tài)，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(tài)，蹺蹺板就一直保持以前的狀態(tài)。
這種動作的觸發(fā)器被稱為D觸發(fā)器，具有在時鐘上升瞬間，保持（記憶）輸入狀態(tài)的功能，是一種時鐘同步時序電路。
D觸發(fā)器是時序電路的基本元件，用途廣泛，D觸發(fā)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(fā)器構成的嗎？
觸發(fā)器可以記憶H或L，1位的信息，大量排列觸發(fā)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(fā)器這樣的邏輯門。
由于使用邏輯門，會使電路規(guī)模變大，所以，一般使用4到6個FET，再經(jīng)過優(yōu)化構成存儲器的1位（圖A）。
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。
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(fā)器）之間夾著組合電路，毛刺是組合電路在輸出穩(wěn)定之前，輸出的短暫信號。
因此，在組合電路輸出穩(wěn)定以后，再改變時鐘，用觸發(fā)器保持這個輸出，就可以回避這種誤動作了。
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