漫画描述数字电路之时序电路

ittbank 2021-07-09 17:58

1
什么是时序电路?

组合电路是根据当前输入信号的组合来决定输出电平的电路,换言之,就是现在的输出不会被过去的输入所左右,也可以说成是,过去的输入状态对现在的输出状态没有影响的电路。

时序电路和组合电路不同,时序电路的输出不仅受现在输入状态的影响,还要受过去输入状态的影响。

那么,如何才能将过去的输入状态反映到现在的输出上呢?时序电路到底需要些什么呢?

人类总是根据过去的经验,决定现在的行动,这时我们需要的就是—记忆,同样时序电路也需要这样的功能,这种能够实现人类记忆功能的元器件就是触发器。

按结构和功能,触发器可以分为RS型、JK型、D型和T型,在这里,我们只讲解比较有代表性的类型,RS型和D型。

2
触发器就像一个跷跷板

触发器的工作方式与日本的“起坐亲子游戏”很象,日本的“起坐亲子游戏”,指的就是公园里的跷跷板,想起跷跷板,就能想象出RS触发器的工作原理。

图1:RS触发器的电路图

图2就是一个跷跷板,这个跷跷板有些生锈,即使没有人坐,也不能恢复水平状态,请记住它保持倾斜的样子,假设:
  • 跷跷板的两端是输出Q和Q#。
  • 左右的2个人是R君和S君,表示输入,坐上跷跷板表示逻辑高H状态,没有在跷跷板上表示逻辑低L状态。
  • 每次只允许一个人坐,两人不能同时坐。


图2:跷跷板的初始状态
Q=L、Q#=H、R=L、S=L

当S君坐上跷跷板(S=H)时,输出Q就变为H(Q#变成L)(图3 )。

图3:S君坐在跷跷板上的状态
Q=H、Q#=L、R=L、S=H

即使S君下来了,跷跷板也不会改变动作(S=L),Q#还是L,不改变(图4)。

图4:S君从跷跷板上下来的状态
Q=H、Q#=L、R=L、S=L

当R君坐上跷跷板时,Q变成L(Q#变成H),当R君从跷跷板上下来时,也会保持L状态,从这个过程来看,我们是不是可以说跷跷板记住了以前坐过它的人呢。

用真值表表示RS触发器的工作过程,就像图5所示一样,表中Q0和Q0#表示的是输入变化以前的输出。

图5:RS触发器的真值表

RS触发器是最简单的触发器,主要用于防止机械式开关的误操作。

3
按时钟变化记忆的D触发器

D触发器是在时钟信号(CK)的上升沿(信号从L→H的变化)或下降沿(信号从H→L的变化)时,保持输入信号状态,改变输出信号的触发器。

图6:D触发器


Q0:输入变化前的输出
x:H或L都可以
↑:L向H的转移
图7:D触发器的真值表

现在,我们用跷跷板来说明D触发器的工作原理,跷跷板的初始状态如图8所示,D君坐上跷跷板表示输入为H,从跷跷板上下来表示输入为L,跷跷板的另一边,放一个比D君轻的重物。

另外这个跷跷板与一般的跷跷板不同,只有在时钟CK上升沿时,才改变跷起的方向。

图8:D触发器的初始状态 
CK=L、D=H、Q=L、Q#=H

看着图8,你不觉得有些奇怪吗?D君坐在跷跷板上,却没有变化,按理说,由于D君比重物重,D君(Q#)应该降下来,才对。

为什么跷跷板没有发生变化呢,这是因为CK还保持L状态,当CK变为H(CK上升)时,跷跷板就跷起来了,D君就下降了(图9)。

图9:D触发器的CK处于上升状态
D=H、Q=H、Q#=L

然后,CK就稳定在H状态,这时,不管D君是从跷跷板上下来,还是再坐上去,跷跷板都不动,只要不在CK的上升状态,跷跷板就一直保持以前的状态。

这种动作的触发器被称为D触发器,具有在时钟上升瞬间,保持(记忆)输入状态的功能,是一种时钟同步时序电路。

D触发器是时序电路的基本元件,用途广泛,D触发器的多级组合,可以做成移位寄存器、分频电路等,也可用于CPU内部的寄存器等。

4
SRAM是触发器构成的吗?

触发器可以记忆H或L,1位的信息,大量排列触发器,并使之具有可选择性后,就可以构成SRAM。

由于SRAM的输入输出速度比DRAM和闪存的访问速度高得多,所以,常用作CPU的缓存和寄存器。

尽管我们这样说,实际上CPU中内置的存储器或寄存器并非使用的是RS触发器这样的逻辑门。

由于使用逻辑门,会使电路规模变大,所以,一般使用4到6个FET,再经过优化构成存储器的1位(图A)。

图A:SRAM的基本电路

5
时钟同步电路的必要性

我们分两次,组合电路和时序电路,对逻辑电路的基础进行了讲解,实际上,在设计逻辑电路时,有很多应该注意的事项,其中特别重要的就是关于时钟同步电路的注意事项。

在组合电路中,微小的信号传输迟延,都有可能造成输出毛刺,尽管毛刺是一个极其短暂的信号,但也可以引起逻辑电路的误动作,为了回避这个问题,就要使用时钟同步电路。

图10:时钟同步电路的思路

图10给出了时钟同步电路的概要,如图所示,其构造是在FF(触发器)之间夹着组合电路,毛刺是组合电路在输出稳定之前,输出的短暂信号。

因此,在组合电路输出稳定以后,再改变时钟,用触发器保持这个输出,就可以回避这种误动作了。
来源:巧学模电数电单片机

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