时序电路基本介绍

组合逻辑和时序逻辑电路是数字系统设计的奠基石，其中组合电路包括多路复用器、解复用器、编码器、解码器等，而时序电路包括锁存器、触发器、计数器、寄存器等。 在本文中，小编简单介绍关于时序电路的类型和特点等相关内容。

时序电路基本介绍

时序逻辑电路的输出不仅取决于输入的当前值，还取决于输入信号的先前值(历史值)，这与输出仅取决于输入的当前值的组合电路相反。在任何时刻，时序电路可以看作是与反馈电路的组合电路。时序电路使用像触发器这样的存储元件作为反馈电路来存储过去的值，其框图如下所示：

 

 

时序电路用于构建有限状态机，它是所有数字电路以及存储电路中的基本构建块。基本上，实际数字设备中的所有电路都是组合逻辑电路和时序逻辑电路的混合体。

举个例子：

一般来说，在日常生活中会遇到很多计数器来计算物体的数量。例如，计算观众进出礼堂的人数或停车场的车辆数量。在这种情况下，当任何人进入礼堂时，计数器根据其当前值递增其值。类似地，它会根据其先前值和现在值递减其值。所以Counter会保留计数器的当前状态以进行下一步操作。

这类似于根据先前和当前信号改变其状态的时序电路。

时序电路中的时钟信号

时钟信号在时序电路中起着至关重要的作用。时钟是在逻辑电平0和逻辑电平1之间反复振荡的信号。频率恒定的方波是最常见的时钟信号形式。时钟信号具有“边沿”。这些是时钟从0变为1(上升沿)或从1变为 0(下降沿)的时刻。

 

 

时钟信号控制时序电路的输出。也就是说，它决定了存储元件何时以及如何改变其输出。如果时序电路没有任何时钟信号作为输入，则电路的输出将随机变化。这样它们就不能保持状态，直到下一个输入信号到达。但是具有时钟输入的时序电路将保持其状态，直到出现下一个时钟沿。

时序电路的分类

基于时钟信号输入，时序电路分为两种类型，即：

• 同步时序电路
• 异步时序电路

1、同步时序电路

定义：

在同步时序电路中，输出取决于时钟实例中输入的当前和先前状态。这些电路使用一个存储元件来存储先前的状态。这些电路中的存储元件将具有时钟，所有这些时钟信号都由相同的时钟信号驱动。电路图如下所示：

 

 

使用时钟信号，所有存储元件都会发生状态变化。

与异步相比，这些电路要慢一些，因为它们等待下一个时钟脉冲到达以执行下一个操作。

这些电路可以是时钟或脉冲的。

在其输入中使用时钟脉冲的同步时序电路称为时钟时序电路，因此它们非常稳定。

使用脉冲改变其状态的时序电路称为脉冲时序电路或非时钟时序电路。

同步时序电路主要应用于：

用于MOORE-MEALY状态管理机的设计。

用于同步计数器、触发器等。

同步时序电路的局限性：

同步时序电路中的所有触发器都必须连接到时钟信号。时钟信号是非常高频的信号，时钟分布会消耗和散发大量热量。

关键路径或最慢路径决定了最大可能的时钟频率，因此它们比异步电路慢。

2、异步时序电路

定义：

不依靠时钟信号工作的时序电路称为“异步时序电路”。

当输入信号发生变化时，这些电路将立即改变它们的状态。

电路行为由任何时刻的信号和输入信号变化的顺序决定。

 

 

不在脉冲模式下运行。

具有更好的性能，但由于时序问题而难以设计。

大多数情况下，当需要低功耗操作时，会使用异步电路。

它们比同步时序电路更快，因为它们不需要等待任何时钟信号。

异步顺序电路的应用：

当操作速度很重要时使用异步顺序电路。由于它们独立于内部时钟脉冲，因此它们运行迅速。因此，它们可用于快速响应电路。

用于具有自己独立时钟的两个单元之间的通信。

当需要更好的外部输入处理时使用。

异步时序电路的局限性：

异步时序电路更难设计。

尽管它们的性能更快，但它们的输出是不确定的。

时序电路中的反馈

组合电路不需要任何反馈，因为输出完全取决于输入的当前值。但是在时序电路的情况下，输出取决于输入的过去值以及当前值。为了涉及像触发器这样的存储元件，必须在电路中引入反馈。例如，考虑一个简单的反馈电路，如下图所示：

 

 

如果f 0是某个实例的反相器的输入，则此0将传播，输出为1。此1作为输入反馈，这个1会传播，输出为0。这个过程重复，结果是输出在0和1之间连续振荡。这种情况下没有稳定的状态。

现在考虑如下所示连接的两个逆变器的示例。

 

 

这里两个反相器背靠背连接，第二个反相器的输出反馈到第一个反相器的输入。如果0是第一个反相器的输入，它通过第一个反相器传播，输出为1。这个1输入到第二个反相器并通过它传播。第二个反相器的输出为0，反馈给第一个反相器。但是第一个反相器的输入已经是0，因此不会发生变化。据说该电路处于稳定电路中。当第一个反相器的输入为1时，可以获得另一个稳定状态。

 

 

组合电路与顺序电路的区别

组合电路与顺序电路的区别主要包括以下几个方面：

 

 

总结

简单来说，时序电路就是由最基本的逻辑门电路加上反馈逻辑回路(输出到输入)或器件组合而成的数字电路，与组合电路最本质的区别在于时序电路具有记忆存储功能。

时序电路最大的特点是，输出不仅取决于当时的输入值，而且还与电路过去的状态有关，主要的应用器件包括触发器、锁存器、计数器、移位寄存器、存储器等。