時(shí)序電路基本介紹

組合邏輯和時(shí)序邏輯電路是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)序電路包括鎖存器、觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器、寄存器等。 在本文中，小編簡(jiǎn)單介紹關(guān)于時(shí)序電路的類型和特點(diǎn)等相關(guān)內(nèi)容。

時(shí)序電路基本介紹

時(shí)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(hào)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(shí)刻，時(shí)序電路可以看作是與反饋電路的組合電路。時(shí)序電路使用像觸發(fā)器這樣的存儲(chǔ)元件作為反饋電路來存儲(chǔ)過去的值，其框圖如下所示：

時(shí)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(chǔ)電路中的基本構(gòu)建塊?；旧?，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(shí)序邏輯電路的混合體。

舉個(gè)例子：

一般來說，在日常生活中會(huì)遇到很多計(jì)數(shù)器來計(jì)算物體的數(shù)量。例如，計(jì)算觀眾進(jìn)出禮堂的人數(shù)或停車場(chǎng)的車輛數(shù)量。在這種情況下，當(dāng)任何人進(jìn)入禮堂時(shí)，計(jì)數(shù)器根據(jù)其當(dāng)前值遞增其值。類似地，它會(huì)根據(jù)其先前值和現(xiàn)在值遞減其值。所以Counter會(huì)保留計(jì)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(hào)改變其狀態(tài)的時(shí)序電路。

時(shí)序電路中的時(shí)鐘信號(hào)

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

時(shí)鐘信號(hào)控制時(shí)序電路的輸出。也就是說，它決定了存儲(chǔ)元件何時(shí)以及如何改變其輸出。如果時(shí)序電路沒有任何時(shí)鐘信號(hào)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(gè)輸入信號(hào)到達(dá)。但是具有時(shí)鐘輸入的時(shí)序電路將保持其狀態(tài)，直到出現(xiàn)下一個(gè)時(shí)鐘沿。

時(shí)序電路的分類

基于時(shí)鐘信號(hào)輸入，時(shí)序電路分為兩種類型，即：

• 同步時(shí)序電路
• 異步時(shí)序電路

1、同步時(shí)序電路

定義：

在同步時(shí)序電路中，輸出取決于時(shí)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(gè)存儲(chǔ)元件來存儲(chǔ)先前的狀態(tài)。這些電路中的存儲(chǔ)元件將具有時(shí)鐘，所有這些時(shí)鐘信號(hào)都由相同的時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)。電路圖如下所示：

使用時(shí)鐘信號(hào)，所有存儲(chǔ)元件都會(huì)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€(gè)時(shí)鐘脈沖到達(dá)以執(zhí)行下一個(gè)操作。

這些電路可以是時(shí)鐘或脈沖的。

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

使用脈沖改變其狀態(tài)的時(shí)序電路稱為脈沖時(shí)序電路或非時(shí)鐘時(shí)序電路。

同步時(shí)序電路主要應(yīng)用于：

用于MOORE-MEALY狀態(tài)管理機(jī)的設(shè)計(jì)。

用于同步計(jì)數(shù)器、觸發(fā)器等。

同步時(shí)序電路的局限性：

同步時(shí)序電路中的所有觸發(fā)器都必須連接到時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)鐘信號(hào)是非常高頻的信號(hào)，時(shí)鐘分布會(huì)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(shí)鐘頻率，因此它們比異步電路慢。

2、異步時(shí)序電路

定義：

不依靠時(shí)鐘信號(hào)工作的時(shí)序電路稱為“異步時(shí)序電路”。

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

電路行為由任何時(shí)刻的信號(hào)和輸入信號(hào)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(shí)序問題而難以設(shè)計(jì)。

大多數(shù)情況下，當(dāng)需要低功耗操作時(shí)，會(huì)使用異步電路。

它們比同步時(shí)序電路更快，因?yàn)樗鼈儾恍枰却魏螘r(shí)鐘信號(hào)。

異步順序電路的應(yīng)用：

當(dāng)操作速度很重要時(shí)使用異步順序電路。由于它們獨(dú)立于內(nèi)部時(shí)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(shí)鐘的兩個(gè)單元之間的通信。

當(dāng)需要更好的外部輸入處理時(shí)使用。

異步時(shí)序電路的局限性：

異步時(shí)序電路更難設(shè)計(jì)。

盡管它們的性能更快，但它們的輸出是不確定的。

時(shí)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(shí)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(chǔ)元件，必須在電路中引入反饋。例如，考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的反饋電路，如下圖所示：

如果f 0是某個(gè)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(gè)1會(huì)傳播，輸出為0。這個(gè)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(gè)逆變器的示例。

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

總結(jié)

簡(jiǎn)單來說，時(shí)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(shí)序電路具有記憶存儲(chǔ)功能。

時(shí)序電路最大的特點(diǎn)是，輸出不僅取決于當(dāng)時(shí)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(jì)數(shù)器、移位寄存器、存儲(chǔ)器等。