反馈在电子系统中处处可见,举足轻重,而又千变万化。下面,本文将从数字系统,模拟系统,通信系统,信号处理各举一例,阐述反馈在电子电路中独特而又重要的基础性作用。
一. 数字电路——反馈是时序逻辑的基础
数字电路可以分为组合逻辑和时序逻辑两大部分。最早的数字电路以组合逻辑制胜。而随着大规模集成电路的发展,时序逻辑——尤其是统一时钟的时序逻辑——逐渐成为了数字芯片的基础架构。时序逻辑就是通过时钟控制的逻辑。但并不是说随意将一个输入端接入时钟信号就变成了时序逻辑,而是要通过时钟信号控制时序器件。时序器件主要指D触发器(D-Flip Flop)和锁存器(Latch)。那么,一个组合电路是如何组成时序器件的呢?时序器件要求在时钟起某种变化时更改值,而在时钟未发生变化时保留原来的值。而让电路具有储存原来值功能,有两种途径,一个不断刷新门电容,另一个就是反馈,前者适合构成大规模的存储器,是RAM的基础结构,而后者便是触发器和锁存器的基础。
锁存器的基础结构如图所示:
其功能是S端置1时输出置位,R端置1时输出清零,S和R都为0时保持原来的值。也就是说,当S或R两个输入端其中之一由1变为0时,输出保留原值。而不是输出确定的0或者1,这在组合逻辑中是无法实现的,因为组合逻辑的输出必须随着输入改变。输入确定则输出确定,与自己的历史(原来的值)无关。可以说,在这个矛盾上,反馈起了决定性作用,正由于有一根连线将输出Q与输入端连接起来,才有了保留原值的能力。
锁存器如果输入为正逻辑,锁存器用与门实现;如果输入为负逻辑,则可用或门实现。一般,一般采用下图的交叉模式表示,这就是我们所熟悉的RS锁存器:
那么,有了存储的能力,再加入钟控端,就构成了完整的钟控锁存器。如下图所示:
时序元件中的另一类——D触发器实际可以看作是背靠背安放的锁存器,锁存器和触发器作为基础时序元件,遵从时钟的控制,通过时序元件划分组合逻辑,构成了现代数字系统的基础结构。
有了时序逻辑,进一步又衍生了状态机,状态机可以根据输入和历史的状态决定未来的状态,因而使得数字电路具有了序列执行能力。比如CPU,其基础结构即是一个通过存储器存储状态码的状态机的演绎,它与状态机的不同是既遵循存储器中的编码跳转状态,但又通过执行的结果修改存储器中的状态编码。它并不能够主动工作,而是由主板提供时钟,自身再经过倍频后形成主频时钟,从而统领一切时序逻辑。完成取指、译码、读取执行、写回等操作,因而,时序逻辑使得它按照我们的指令序列进行工作。
因此,我们可以说,多亏了反馈。微观上讲,反馈把与非门的输出与输入连接了起来,构成了锁存器,宏观上讲,将组合逻辑用反馈连接起来,演化成了时序逻辑,因此,可以讲,反馈是时序数字逻辑的基石。 |