在《數(shù)字電路之如雷貫耳的“邏輯電路”》、《數(shù)字電路之?dāng)?shù)字集成電路IC》之后，本文是數(shù)字電路入門(mén)3，將帶來(lái)「時(shí)序電路」的講解，及其核心部件觸發(fā)器的工作原理。什么是時(shí)序電路？

　　上期學(xué)過(guò)的「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。

　　這次講解的「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型，RS型和D型。

　　觸發(fā)器就象一個(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1： RS觸發(fā)器的電路圖

　　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）

　　因?yàn)檐E蹺板有些生銹了，動(dòng)作不靈活，所以，即使S君下來(lái)了（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)程的話，就象圖5所示一樣。表中Q0和Q0#表示的是輸入變化以前的輸出。

　　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。

　　圖5：RS觸發(fā)器的真值表

　　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

　　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。

　　SRAM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

　　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。

　　至此，數(shù)字電路入門(mén)的三次講座全部結(jié)束了。從「什么是數(shù)字？」開(kāi)始，逐步講解了「基本邏輯電路」、「數(shù)字IC的基礎(chǔ)」、「組合電路」和「時(shí)序電路」。 實(shí)際上，電路設(shè)計(jì)方面還有很多很多必須學(xué)習(xí)的內(nèi)容。請(qǐng)大家一定要自己找時(shí)間繼續(xù)學(xué)習(xí)！