什么是时序Word格式.docx
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表1:
10进制的2进制换算
最初在数字信号中使用2进制的原因是因为电路的“开”和“关”可以很方便地用“1”和“0”来表示。
并且,开(“1”)和关(“0”)在实际的IC中分别用“H”和“L”表现高电压状态和低电压状态。
在一般的CMOSIC中,当电源电压为5V时,L表现为1.35V以下,H表现为3.15以上。
像这样用“0”和“1”表示一定的电压范围,就可以形成在一定范围噪音下,不会发生误操作的牢固电路结构。
数字电路抗噪音强的理由,大家明白了吗?
没错,是因为用了2进制来表现数值。
什么是数字电路
数字电路进行逻辑运算,也被称为逻辑电路。
逻辑电路的基本要素只有AND电路、OR电路和NOT电路这3种,通过这`3种电路的不同组合可以做出具有各种功能的电路。
逻辑电路使用逻辑表达式和电路符号(这里使用MIL符号。
其他还有JIS符号。
)进行表示。
另外,我们把逻辑电路的输入信号和输出信号的一览表称为真值表。
下面我们对3种基本逻辑电路进行说明。
串联电路,AND电路
AND电路也被称为“逻辑与”,只有当两个输入同时为1时,才会输出1。
◇逻辑表达式
用“・”表示 (例)Y=A・B
◇电路符号
◇真值表
让我们仔细看一看AND电路的工作方式。
如果用开关和LED来表现AND电路的话,就是如下图2所示的串联电路。
◇开关A(SWA)的“开”和“关”表示输入A的“1”和“0”
◇开关B(SWB)的“开”和“关”表示输入B的“1”和“0”
◇LEDY的亮起和熄灭以输出Y的“1”和“0”表示
图2:
AND电路的运作方式
该AND电路的工作方式如下。
◇开关A和开关B都为“开”时,LEDY点亮
◇开关A或B只有一个为“开”,另一个为“关”时,LEDY熄灭
◇开关A和开关B都为“关”时,LEDY熄灭
基本逻辑电路也称作门(gate)电路,可以通过单个输入来固定输出(关闭门),或反映输出(打开门)。
AND电路的门电路的工作情况可以用图2的电路图进行说明。
◇A或B的开关之一固定为“关”,LED保持熄灭,也就是说输出固定为“关”(关闭门)
◇相反,A或B的开关之一固定为“开”,未固定的另一个输入能够直接反映输出(打开门)
并联电路、OR电路
OR电路也被称为“逻辑或”,只要有任何一个输入为1,或者都为1的情况下,都会输出1。
用“+”表示(例)Y=A+B
如果用开关和LED来表现OR电路的工作方式的话,就是如下图3所示的并联电路。
◇由于是并联电路,因此开关A(SWA)或开关B(SWB)中任意一个为“开”,或两者均为“开”时,LEDY就点亮。
OR电路的门功能与AND电路的工作方式正好相反。
◇A和B的开关之一固定为“开”时,LED保持点亮,也就是说输出固定为“开”(关闭门)
◇相反,A和B的开关之一固定为“关”,未固定的另一个输入能够直接反映输出(打开门)
图3:
OR电路的运作方式
反向输出的NOT电路
NOT电路也被称作变频或反向电路,具有将输入反向输出的功能。
是输入为1时输出0,输入0时输出1的电路。
用“¯
”表示(例)Y=
什么是数字集成电路IC?
数字集成电路是指集成了一个或多个门电路的半导体元器件。
数字集成电路拥有多个种类,根据用途不同,可分为如下几类。
◇微处理器(microcomputer):
进行各种处理的集成电路
◇存储器:
记录数据的集成电路
◇标准逻辑IC:
通过集成电路的组合实现各类功能的逻辑电路
◇专用逻辑IC:
特定用途集成电路,允许用户设计自己专用的逻辑电路
“标准逻辑IC”是将逻辑电路的基本要素和可共通使用的功能集合于一体的小规模集成电路,是构成逻辑电路的基本要素。
本期将着重讲解“标准逻辑IC”,学习数字IC的知识。
数字IC和标准逻辑IC
TTLIC
“标准逻辑IC”的种类约有600多种,有最单纯的逻辑电路IC,也有高功能的、含有逻辑运算的IC。
大致可分为TLL集成电路与CMOS集成电路两种。
◇TTL(Transistor-transistorlogic)IC:
电路的主要部分由双极性晶体管构成,工作电压为5V。
◇CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor)IC:
电路的主要部分是由P通道和N通道的MOSFET构成的,工作电压范围比较大。
图2:
CMOSIC
数字IC之间传递信号时,需要规定信号的“高(High)”、“低(low)”逻辑以及与其对应的电压。
这种与逻辑对应的电压称为逻辑电平。
不同的逻辑电平,将无法传输信号,还有可能损坏集成电路。
在TTLIC中,判断标准如下:
◇输入信号时,2.0V以上为“高(High)”,0.8V以下为“低(Low)”
◇输出信号时,0.4V以下为“低(Low)”,2.4V以上“高(High)”
TTLIC就是根据规定的TTL接口标准制作的,该标准规定了输入输出电压与逻辑之间的关系。
因此,在TTLIC之间传递信号时,不需要考虑逻辑电平的问题。
但是,CMOSIC拥有许多系列,各个系列的逻辑电平各不相同。
有时还会根据电源电压发生变化。
因此,需要根据逻辑电平进行连接。
注意误操作和扇出
在连接“标准逻辑IC”时,需要考虑一个输出最大可连接的IC数量。
在TTLIC中,可连接IC的数量受到输出电流的限制,我们把允许连接的IC上限个数称为扇出。
只要想起TTLIC是由双极性晶体管构成的,就能容易地想象出开关切换时是需要电流的。
TTLIC的扇出可以通过输出电流除以输入电流来求出(图3)。
需要注意的是如果连接的IC个数超过了扇出数,将无法保证输出的逻辑电平。
图3:
TTLIC的扇出
图4:
CMOSIC的扇出
由于CMOSIC的输入引脚中几乎没有电流,因此无法根据电流计算它的扇出数。
需要根据负载容量计算(图4)。
在CMOSIC的数据表中,通过传播延迟时间的测量方法明确记载了负载容量。
如超过负载容量,传播延迟时间将变长,可能引起误操作,需要注意。
输出线之间连接,漏极开路
漏极开路是指不能输出高电平(High)的FET(如图A右图)。
在漏极开路的电路中,不存在通常CMOSIC输出段(如图A左图)中和VCC相连的MOSFET,所以,无法输出高电平。
只能输出Low或高阻抗(输出端和电路是断开的,是一个无法输出电流和电压的状态)。
在高阻抗的情况下,由于输出不稳定,因此需要通过电阻和电源相连,把输出端固定在High电平下使用。
该电阻称为上拉电阻。
由于上拉电阻连接的电压不需要与电源电压相同,因此可以连接逻辑电平不同的IC。
图A:
CMOS输出与漏极开路输出
组合逻辑电路
逻辑电路中,只通过输入信号的组合方式决定输出的逻辑电路称作“组合逻辑电路”。
相反,内部拥有记忆电路和同步电路,只通过输入信号的组合无法决定输出的逻辑电路被称作“时序逻辑电路”。
本期只对前者“组合逻辑电路”进行讲解。
“组合逻辑电路”是通过组合多个AND、OR、NOT、XOR等逻辑门而构成的。
可以理解为用多个逻辑门的排列就能实现多种功能的电路。
首先让我们来看看“组合逻辑电路”的代表元器件,多路复用器和解码器。
可选择输出信号的多路复用器
多路复用器是可以从多个输入信号中选择一个输出信号的信号切换器。
可以通过自动售货机来想象其工作模式。
各种饮料的按钮就是输入信号,当按下选择按钮后,从同一出货口可以拿到各种饮料。
如果用开关说明多路复用器的工作原理,如图5所示。
开关A包括4个纵向联动开关。
开关B也是一样。
那么,当开关A为0,开关B也为0时,可以看到输入0连接到输出上,也就是输入0的信号被输出。
同样,当开关A为1,开关B为0时,输入1的信号将连接到输出上。
当开关A为0,开关B为1时,输出2的信号将连接到输出上。
当开关A为1,开关B为1时,输入3的信号将连接到输出上。
也就是说,可以通过开关A和开关B从4个输入中选择一个输出。
这就是实现信号切换的多路复用器电路。
图5:
用开关构成的多路复用器
多路复用器用逻辑电路表示的话,就象图6所示,只需要AND和OR就可以实现。
AND部分进行判断,OR部分用于选择一个信号输出。
图6:
用逻辑电路构成的多路复用器
判断输入的解码器
图7:
用逻辑电路构成的解码器
请看解码器的真值表(图8)。
由该表可知,2个输入信号可通过4个输出信号中的一个输出。
比如当两个输入为二进制时,让4个输出信号分别对应十进制的0、1、2、3,就可以认为这是一个将二进制解码为十进制的电路。
图8:
解码器真值表
除此之外,还有比较器、加法器(全加器/半加器)、乘法器、减法器、桶形移位器等多种“组合逻辑电路”。
其中大多数都是应用多路复用器和解码器制作而成的。
但是,如果只是应用而不做改善的话,将出现电路冗长等问题,所以,需要简化并压缩电路。
本期是数字电路入门3,我们将讲解「时序电路」,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
RS触发器的电路图
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。
)
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)
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)。
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。
RS触发器的真值表
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。
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。
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。
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)。
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!
下一期,我们将开始学习「微处理器」!
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