数字电路之时序电路 - 全文

　　在《数字电路之如雷贯耳的“逻辑电路”》、《数字电路之数字集成电路IC》之后，本文是数字电路入门3，将带来「时序电路」的讲解，及其核心部件触发器的工作原理。什么是时序电路？

　　上期学过的「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。

　　这次讲解的「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。

　　触发器就象一个跷跷板

　　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1： RS触发器的电路图

　　

　　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）

　　因为跷跷板有些生锈了，动作不灵活，所以，即使S君下来了（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触发器的工作过程的话，就象图5所示一样。表中Q0和Q0#表示的是输入变化以前的输出。

　　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。

　　

　　图5：RS触发器的真值表

　　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

　　

　　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。

　　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

　　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。

　　至此，数字电路入门的三次讲座全部结束了。从「什么是数字？」开始，逐步讲解了「基本逻辑电路」、「数字IC的基础」、「组合电路」和「时序电路」。 实际上，电路设计方面还有很多很多必须学习的内容。请大家一定要自己找时间继续学习！