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」的解说,及其核心部件触发器的作业原理。什么是时序电路?
上期学过的「组合电路」是依据当时输入信号的组合来决议输出电平的电路。换言之,便是现在的输出不会被曩昔的输入所左右,也能够说成是,曩昔的输入状况对现在的输出状况没有影响的电路。
这次解说的「时序电路」和「组合电路」不同。「时序电路」的输出不只受现在输入状况的影响,还要受曩昔输入状况的影响。
那么,怎么才干将曩昔的输入状况反映到现在的输出上呢?「时序电路」究竟需求些什么呢?人类总是依据曩昔的经历,决议现在的举动,这时咱们需求的便是—回忆。相同,「时序电路」也需求这样的功用。这种能够完成人类回忆功用的元器件便是触发器。按结构和功用,触发器能够分为RS型、JK型、D型和T型。在这里,咱们只解说比较有代表性的类型,RS型和D型。
触发器就象一个跷跷板
触发器的作业方式与日本的“起坐亲子游戏”很象。日本的“起坐亲子游戏”,指的便是公园里的跷跷板。想起跷跷板,就能幻想出RS触发器的作业原理。
图2便是一个跷跷板。这个跷跷板有些生锈,即便没有人坐,也不能康复水平状况。请记住它坚持歪斜的姿态。假定:
◇跷跷板的两头是输出Q和Q#。
◇左右的2个人是R君和S君,表明输入。坐上跷跷板表明逻辑高H状况,没有在跷跷板上表明逻辑低L状况。
(每次只允许一个人坐,两人不能一起坐。)
图1: RS触发器的电路图
图2:跷跷板的初始状况(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况(Q=H、Q#=L、R=L、S=H)
因为跷跷板有些生锈了,动作不灵敏,所以,即便S君下来了(S=L),Q#仍是L,不改动(图4)
图4:S君从跷跷板上下来的状况(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,也会坚持L状况。从这个进程来看,咱们是不是能够说跷跷板记住了曾经坐过它的人呢。
用真值表表明RS触发器的作业进程的话,就象图5所示相同。表中Q0和Q0#表明的是输入改动曾经的输出。
RS触发器是最简略的触发器。首要用于避免机械式开关的误操作。
图5:RS触发器的真值表
按时钟改动回忆的D触发器
D触发器是在时钟信号(CK)的上升沿(信号从L→H的改动)或下降沿(信号从H→L的改动)时,坚持输入信号状况,改动输出信号的触发器。
图6:D触发器
图7:D触发器的真值表
现在,咱们用跷跷板来阐明D触发器的作业原理。跷跷板的初始状况如图8所示。D君坐上跷跷板表明输入为H,从跷跷板上下来表明输入为L。跷跷板的另一边,放一个比D君轻的重物。别的,这个跷跷板与一般的跷跷板不同,只需在时钟CK上升沿时,才改动跷起的方向。
图8:D触发器的初始状况(CK=L、D=H、Q=L、Q#=H)
看着图8,你不觉得有些古怪吗?D君坐在跷跷板上,却没有改动。按理说,因为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改动呢,这是因为CK还坚持L状况。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处于上升状况(D=H、Q=H、Q#=L)
然后,CK就安稳在H状况。这时,不论D君是从跷跷板上下来,仍是再坐上去,跷跷板都不动。只需不在CK的上升状况,跷跷板就一向坚持曾经的状况。
这种动作的触发器被称为D触发器,具有在时钟上升瞬间,坚持(回忆)输入状况的功用,是一种时钟同步时序电路。D触发器是时序电路的根本元件,用处广泛。D触发器的多级组合,能够做成移位寄存器、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?
触发器能够回忆H或L,1位的信息。许多摆放触发器,并使之具有可选择性后,就能够构成SRAM。因为SRAM的输入输出速度比DRAM和闪存的拜访速度高得多,所以,常用作CPU的缓存和寄存器。
虽然咱们这样说,实际上CPU中内置的存储器或寄存器并非运用的是RS触发器这样的逻辑门。因为运用逻辑门,会使电路规划变大,所以,一般运用4到6个FET,再通过优化,构成存储器的1位(图A)。
图A:SRAM的根本电路
时钟同步电路的必要性
咱们分两次,「组合电路」和「时序电路」,对逻辑电路的根底进行了解说。实际上,在规划逻辑电路时,有许多应该留意的事项。其间特别重要的便是关于时钟同步电路的留意事项。
在「组合电路」中,细小的信号传输拖延,都有或许形成输出毛刺。虽然毛刺是一个极端时刻短的信号,但也能够引起逻辑电路的误动作。为了逃避这个问题,就要运用时钟同步电路。
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,其结构是在FF(触发器)之间夹着「组合电路」。毛刺是「组合电路」在输出安稳之前,输出的时刻短信号。因而,在「组合电路」输出安稳今后,再改动时钟,用触发器坚持这个输出,就能够逃避这种误动作了。
至此,数字电路入门的三次讲座悉数完毕了。从「什么是数字?」开端,逐渐解说了「根本逻辑电路」、「数字%&&&&&%的根底」、「组合电路」和「时序电路」。 实际上,电路规划方面还有许多许多有必要学习的内容。请我们一定要自己找时刻持续学习!