1什么是時(shí)序電路?

組合電路是根據(jù)當(dāng)前輸入信號(hào)的組合來(lái)決定輸出電平的電路，換言之，就是現(xiàn)在的輸出不會(huì)被過(guò)去的輸入所左右，也可以說(shuō)成是，過(guò)去的輸入狀態(tài)對(duì)現(xiàn)在的輸出狀態(tài)沒(méi)有影響的電路。

時(shí)序電路和組合電路不同，時(shí)序電路的輸出不僅受現(xiàn)在輸入狀態(tài)的影響，還要受過(guò)去輸入狀態(tài)的影響。

那么，如何才能將過(guò)去的輸入狀態(tài)反映到現(xiàn)在的輸出上呢?時(shí)序電路到底需要些什么呢?

人類(lèi)總是根據(jù)過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)，決定現(xiàn)在的行動(dòng)，這時(shí)我們需要的就是—記憶，同樣時(shí)序電路也需要這樣的功能，這種能夠?qū)崿F(xiàn)人類(lèi)記憶功能的元器件就是觸發(fā)器。

按結(jié)構(gòu)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(lèi)型，RS型和D型。

2觸發(fā)器就像一個(gè)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(gè)蹺蹺板，這個(gè)蹺蹺板有些生銹，即使沒(méi)有人坐，也不能恢復(fù)水平狀態(tài)，請(qǐng)記住它保持傾斜的樣子，假設(shè)：

蹺蹺板的兩端是輸出Q和Q#。

左右的2個(gè)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(méi)有在蹺蹺板上表示邏輯低L狀態(tài)。

每次只允許一個(gè)人坐，兩人不能同時(shí)坐。

圖2：蹺蹺板的初始狀態(tài)Q=L、Q#=H、R=L、S=L

當(dāng)S君坐上蹺蹺板(S=H)時(shí)，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(lái)了，蹺蹺板也不會(huì)改變動(dòng)作(S=L)，Q#還是L，不改變(圖4)。

圖4：S君從蹺蹺板上下來(lái)的狀態(tài)Q=H、Q#=L、R=L、S=L

當(dāng)R君坐上蹺蹺板時(shí)，Q變成L(Q#變成H)，當(dāng)R君從蹺蹺板上下來(lái)時(shí)，也會(huì)保持L狀態(tài)，從這個(gè)過(guò)程來(lái)看，我們是不是可以說(shuō)蹺蹺板記住了以前坐過(guò)它的人呢。

用真值表表示RS觸發(fā)器的工作過(guò)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(jiǎn)單的觸發(fā)器，主要用于防止機(jī)械式開(kāi)關(guān)的誤操作。

3按時(shí)鐘變化記憶的D觸發(fā)器

D觸發(fā)器是在時(shí)鐘信號(hào)(CK)的上升沿(信號(hào)從L→H的變化)或下降沿(信號(hào)從H→L的變化)時(shí)，保持輸入信號(hào)狀態(tài)，改變輸出信號(hào)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(zhuǎn)移圖7：D觸發(fā)器的真值表

現(xiàn)在，我們用蹺蹺板來(lái)說(shuō)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(lái)表示輸入為L(zhǎng)，蹺蹺板的另一邊，放一個(gè)比D君輕的重物。

另外這個(gè)蹺蹺板與一般的蹺蹺板不同，只有在時(shí)鐘CK上升沿時(shí)，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(jué)得有些奇怪嗎?D君坐在蹺蹺板上，卻沒(méi)有變化，按理說(shuō)，由于D君比重物重，D君(Q#)應(yīng)該降下來(lái)，才對(duì)。

為什么蹺蹺板沒(méi)有發(fā)生變化呢，這是因?yàn)镃K還保持L狀態(tài)，當(dāng)CK變?yōu)镠(CK上升)時(shí)，蹺蹺板就蹺起來(lái)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(shí)，不管D君是從蹺蹺板上下來(lái)，還是再坐上去，蹺蹺板都不動(dòng)，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(dòng)作的觸發(fā)器被稱(chēng)為D觸發(fā)器，具有在時(shí)鐘上升瞬間，保持(記憶)輸入狀態(tài)的功能，是一種時(shí)鐘同步時(shí)序電路。

D觸發(fā)器是時(shí)序電路的基本元件，用途廣泛，D觸發(fā)器的多級(jí)組合，可以做成移位寄存器、分頻電路等，也可用于CPU內(nèi)部的寄存器等。

4SRAM是觸發(fā)器構(gòu)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(gòu)成SRAM。

由于SRAM的輸入輸出速度比DRAM和閃存的訪問(wèn)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(shuō)，實(shí)際上CPU中內(nèi)置的存儲(chǔ)器或寄存器并非使用的是RS觸發(fā)器這樣的邏輯門(mén)。

由于使用邏輯門(mén)，會(huì)使電路規(guī)模變大，所以，一般使用4到6個(gè)FET，再經(jīng)過(guò)優(yōu)化構(gòu)成存儲(chǔ)器的1位(圖A)。

圖A：SRAM的基本電路

5時(shí)鐘同步電路的必要性

我們分兩次，組合電路和時(shí)序電路，對(duì)邏輯電路的基礎(chǔ)進(jìn)行了講解，實(shí)際上，在設(shè)計(jì)邏輯電路時(shí)，有很多應(yīng)該注意的事項(xiàng)，其中特別重要的就是關(guān)于時(shí)鐘同步電路的注意事項(xiàng)。

在組合電路中，微小的信號(hào)傳輸遲延，都有可能造成輸出毛刺，盡管毛刺是一個(gè)極其短暫的信號(hào)，但也可以引起邏輯電路的誤動(dòng)作，為了回避這個(gè)問(wèn)題，就要使用時(shí)鐘同步電路。

圖10：時(shí)鐘同步電路的思路

圖10給出了時(shí)鐘同步電路的概要，如圖所示，其構(gòu)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(hào)。

因此，在組合電路輸出穩(wěn)定以后，再改變時(shí)鐘，用觸發(fā)器保持這個(gè)輸出，就可以回避這種誤動(dòng)作了。

原文標(biāo)題：漫畫(huà)描述數(shù)字電路之時(shí)序電路

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審核編輯：湯梓紅