什么是时序

什么是“模拟”和“数字”在自然界中,象声音、温度、光等信息是以连续的值进行变化的。这种连续值就称作“模拟”。而在计算机的世界里，信息是以一段一段的离散值表示的。这种离散值就称作“数字”。比方说模拟和数字就相当于实数与整数的关系。实数可以表示直线上的每一个点,就象是模拟，而整数只能表示直线上的特定点,就象是数字。于是，我们把处理连续信息的——模拟信号的电路称作“模拟电路”，把处理离散信息——数字信号的电路称作“数字电路”。图1：模拟与数字的不同为了将自然界的模拟信息输入到象计算机那样的数字电路，需要将信息数字化(模拟信号→数字信号)。进行“模拟信号→数字信号”转换的是A/D转换器。A/D转换器按时间有规律地读取(采样)输入信号，并将其转换成用“0”和“1”表现的数值(2进制)。为了将连续值(模拟信号)转换为离散值(数字信号)，要对模拟信号进行“舍去”和“进位”处理。这种处理造成信息缺失,而产生了误差。而为了减少误差，就需要缩短转换间隔和增加转换时的位数。那么，“把模拟信号数字化”的好处在哪里呢?它的好处就在于，数字信号有较强的抗噪音能力，不容易被破坏，计算机处理起来比较容易。现在，随着微处理器性能的不断提高，已经可以高速、大量地处理数字信息。由于在信号传输和再现的过程中都不会造成信号质量下降，从而使数字电路得到了十分广泛的应用。强大的“2进制”数字信号表现数值的方法之一是“2进制”。2进制是以“0”和“1”表现数值的，各位数都是2的阶乘。比如，4位2进制可以表现的整数是从0到15的值(表1)。更大的数值就要通过增加位数来表现了。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。◇逻辑表达式用“+”表示(例)Y=A+B◇电路符号◇真值表如果用开关和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。◇逻辑表达式用“¯”表示(例)Y=◇电路符号◇真值表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图1：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图1：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。)图2：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)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)。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