漫画描述数字电路之时序电路

ittbank 2021-07-09 17:58

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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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