時序電路基本介紹

組合邏輯和時序邏輯電路是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的奠基石，其中組合電路包括多路復(fù)用器、解復(fù)用器、編碼器、解碼器等，而時序電路包括鎖存器、觸發(fā)器、計數(shù)器、寄存器等。 在本文中，小編簡單介紹關(guān)于時序電路的類型和特點(diǎn)等相關(guān)內(nèi)容。

時序電路基本介紹

時序邏輯電路的輸出不僅取決于輸入的當(dāng)前值，還取決于輸入信號的先前值(歷史值)，這與輸出僅取決于輸入的當(dāng)前值的組合電路相反。在任何時刻，時序電路可以看作是與反饋電路的組合電路。時序電路使用像觸發(fā)器這樣的存儲元件作為反饋電路來存儲過去的值，其框圖如下所示：

時序電路用于構(gòu)建有限狀態(tài)機(jī)，它是所有數(shù)字電路以及存儲電路中的基本構(gòu)建塊。基本上，實(shí)際數(shù)字設(shè)備中的所有電路都是組合邏輯電路和時序邏輯電路的混合體。

舉個例子：

一般來說，在日常生活中會遇到很多計數(shù)器來計算物體的數(shù)量。例如，計算觀眾進(jìn)出禮堂的人數(shù)或停車場的車輛數(shù)量。在這種情況下，當(dāng)任何人進(jìn)入禮堂時，計數(shù)器根據(jù)其當(dāng)前值遞增其值。類似地，它會根據(jù)其先前值和現(xiàn)在值遞減其值。所以Counter會保留計數(shù)器的當(dāng)前狀態(tài)以進(jìn)行下一步操作。

這類似于根據(jù)先前和當(dāng)前信號改變其狀態(tài)的時序電路。

時序電路中的時鐘信號

時鐘信號在時序電路中起著至關(guān)重要的作用。時鐘是在邏輯電平0和邏輯電平1之間反復(fù)振蕩的信號。頻率恒定的方波是最常見的時鐘信號形式。時鐘信號具有“邊沿”。這些是時鐘從0變?yōu)?(上升沿)或從1變?yōu)?0(下降沿)的時刻。

時鐘信號控制時序電路的輸出。也就是說，它決定了存儲元件何時以及如何改變其輸出。如果時序電路沒有任何時鐘信號作為輸入，則電路的輸出將隨機(jī)變化。這樣它們就不能保持狀態(tài)，直到下一個輸入信號到達(dá)。但是具有時鐘輸入的時序電路將保持其狀態(tài)，直到出現(xiàn)下一個時鐘沿。

時序電路的分類

基于時鐘信號輸入，時序電路分為兩種類型，即：

• 同步時序電路
• 異步時序電路

1、同步時序電路

定義：

在同步時序電路中，輸出取決于時鐘實(shí)例中輸入的當(dāng)前和先前狀態(tài)。這些電路使用一個存儲元件來存儲先前的狀態(tài)。這些電路中的存儲元件將具有時鐘，所有這些時鐘信號都由相同的時鐘信號驅(qū)動。電路圖如下所示：

使用時鐘信號，所有存儲元件都會發(fā)生狀態(tài)變化。

與異步相比，這些電路要慢一些，因?yàn)樗鼈兊却乱粋€時鐘脈沖到達(dá)以執(zhí)行下一個操作。

這些電路可以是時鐘或脈沖的。

在其輸入中使用時鐘脈沖的同步時序電路稱為時鐘時序電路，因此它們非常穩(wěn)定。

使用脈沖改變其狀態(tài)的時序電路稱為脈沖時序電路或非時鐘時序電路。

同步時序電路主要應(yīng)用于：

用于MOORE-MEALY狀態(tài)管理機(jī)的設(shè)計。

用于同步計數(shù)器、觸發(fā)器等。

同步時序電路的局限性：

同步時序電路中的所有觸發(fā)器都必須連接到時鐘信號。時鐘信號是非常高頻的信號，時鐘分布會消耗和散發(fā)大量熱量。

關(guān)鍵路徑或最慢路徑?jīng)Q定了最大可能的時鐘頻率，因此它們比異步電路慢。

2、異步時序電路

定義：

不依靠時鐘信號工作的時序電路稱為“異步時序電路”。

當(dāng)輸入信號發(fā)生變化時，這些電路將立即改變它們的狀態(tài)。

電路行為由任何時刻的信號和輸入信號變化的順序決定。

不在脈沖模式下運(yùn)行。

具有更好的性能，但由于時序問題而難以設(shè)計。

大多數(shù)情況下，當(dāng)需要低功耗操作時，會使用異步電路。

它們比同步時序電路更快，因?yàn)樗鼈儾恍枰却魏螘r鐘信號。

異步順序電路的應(yīng)用：

當(dāng)操作速度很重要時使用異步順序電路。由于它們獨(dú)立于內(nèi)部時鐘脈沖，因此它們運(yùn)行迅速。因此，它們可用于快速響應(yīng)電路。

用于具有自己獨(dú)立時鐘的兩個單元之間的通信。

當(dāng)需要更好的外部輸入處理時使用。

異步時序電路的局限性：

異步時序電路更難設(shè)計。

盡管它們的性能更快，但它們的輸出是不確定的。

時序電路中的反饋

組合電路不需要任何反饋，因?yàn)檩敵鐾耆Q于輸入的當(dāng)前值。但是在時序電路的情況下，輸出取決于輸入的過去值以及當(dāng)前值。為了涉及像觸發(fā)器這樣的存儲元件，必須在電路中引入反饋。例如，考慮一個簡單的反饋電路，如下圖所示：

如果f 0是某個實(shí)例的反相器的輸入，則此0將傳播，輸出為1。此1作為輸入反饋，這個1會傳播，輸出為0。這個過程重復(fù)，結(jié)果是輸出在0和1之間連續(xù)振蕩。這種情況下沒有穩(wěn)定的狀態(tài)。

現(xiàn)在考慮如下所示連接的兩個逆變器的示例。

這里兩個反相器背靠背連接，第二個反相器的輸出反饋到第一個反相器的輸入。如果0是第一個反相器的輸入，它通過第一個反相器傳播，輸出為1。這個1輸入到第二個反相器并通過它傳播。第二個反相器的輸出為0，反饋給第一個反相器。但是第一個反相器的輸入已經(jīng)是0，因此不會發(fā)生變化。據(jù)說該電路處于穩(wěn)定電路中。當(dāng)?shù)谝粋€反相器的輸入為1時，可以獲得另一個穩(wěn)定狀態(tài)。

組合電路與順序電路的區(qū)別

組合電路與順序電路的區(qū)別主要包括以下幾個方面：

總結(jié)

簡單來說，時序電路就是由最基本的邏輯門電路加上反饋邏輯回路(輸出到輸入)或器件組合而成的數(shù)字電路，與組合電路最本質(zhì)的區(qū)別在于時序電路具有記憶存儲功能。

時序電路最大的特點(diǎn)是，輸出不僅取決于當(dāng)時的輸入值，而且還與電路過去的狀態(tài)有關(guān)，主要的應(yīng)用器件包括觸發(fā)器、鎖存器、計數(shù)器、移位寄存器、存儲器等。