時序邏輯電路

在數字電路通常分為組合邏輯電路和時序邏輯電路兩大類，組合邏輯電路的有關內容在前面的章節里已經作了介紹，組合邏輯電路的特點是輸入的變化直接反映了輸出的變化，其輸出的狀態僅取決於輸入的當前的狀態，與輸入、輸出的原始狀態無關，而時序電路是一種輸出不僅與當前的輸入有關，而且與其輸出狀態的原始狀態有關，

其相當於在組合邏輯的輸入端加上了一個反饋輸入，在其電路中有一個存儲電路，其可以將輸出的狀態保持住，我們可以用下圖的框圖來描述時序電路的構成。

從上面的圖上可以看出，其輸出是輸入及輸出前一個時刻的狀態的函數，這時就無法用組合邏輯電路的函數表達式的方法來表示其輸出函數表達式了，在這裡引入了現態（Present state)和次態（Next State)的概念，當現態表示現在的狀態（通常用Qn來表示），而次態表示輸入發生變化后其輸出的狀態（通常用Qn 1表示），那麼輸入變化后的輸出狀態表示為

Qn 1=f(X,Qn)

其中：X為輸入變數。

下面通過兩個波形圖來幫助建立時序電路中存儲器的概念：

從上圖a圖中可以看出，其圖中有四段輸入RS都為0的情況，但其輸出Q的狀態不同，這取決於輸出的原始狀態；而b圖中的輸入與圖a相同，但多了一個CP，這時輸出Q不僅取決於輸入RS、輸出Q的原始狀態，而且取決CP的狀態，僅當CP為高電平時，輸入的狀態才能影響輸出的狀態。通常將上面的兩種類型分為兩種形式的存儲器電路：鎖存器(Latch)和觸發器（Flip-flop)，其兩都的區別在於其輸出狀態的變化是否取決於CP(時鐘脈衝Clock Plus)。將圖a所有的電路稱為鎖存器，而b圖所示的電路稱為觸發器電路。

時序邏輯電路的特點：任意時刻的輸出不僅取決於該時刻的輸入，而且還和電路原來的狀態有關，所以時序電路具有記憶功能。

時序邏輯電路其任一時刻的輸出不僅取決於該時刻的輸入，而且還與過去各時刻的輸入有關。常見的時序邏輯電路有觸發器、計數器、寄存器等。由於時序邏輯電路具有存儲或記憶的功能，檢修起來就比較複雜。

帶有時序邏輯電路的數字電路主要故障分析：

1. 時鐘：時鐘是整個系統的同步信號，當時鐘出現故障時會帶來整體的功能故障。時鐘脈衝丟失會導致系統數據匯流排、地址匯流排或控制匯流排沒有動作。時鐘脈衝的速率、振幅、寬度、形狀及相位發生變化均可能引發故障。

2. 複位：含有微處理器(MPU)的設備，即使是最小系統，一般都具有複位功能。複位脈衝在系統上電時載入到MPU上，或在特定情況下使程序回到最初狀態(例如，看門狗Watchdog程序)。當複位脈衝不能發生、信號過窄、信號幅度不對、轉換中有干擾或轉換太慢時，程序就可能在錯誤的地址啟動，導致程序混亂。

3. 匯流排：匯流排傳遞指令系列和控制事件，一般有地址匯流排、數據匯流排和控制匯流排。當匯流排即使只有一位發生錯誤時，也會嚴重影響系統功能，出現錯誤定址、錯誤數據或錯誤操作等。匯流排錯誤可能發生在匯流排驅動器中，也可能發生在接收數據位的其它元件中。

4. 中斷：帶微處理器(MPU)的系統一般都能夠響應中斷信號或設備請求，產生控制邏輯，以暫時中斷程序執行，轉到特殊程序，為中斷設備服務，然後自動回到主程序。中斷錯誤主要是中斷線路粘附或受到干擾。

5. 信號衰減和畸變：長的并行匯流排和控制線可能會發生交互串擾和傳輸線故障，表現為相鄰的信號線出現尖峰脈衝(交互串擾)，或驅動線上形成減幅振蕩(相當於邏輯電平的多次轉換)，從而可能加入錯誤數據或控制信號。發生信號衰減的可能原因比較多，常見的有高濕度環境、長的傳輸線、高速率轉換等。而大的電子干擾源會產生電磁干擾，導致信號畸變，引起電路的功能紊亂。

在檢修時序邏輯電路之前應儘可能熟悉系統的結構原理和電路，然後是分析故障的表徵特性，儘可能地縮小故障產生的範圍。較高檔的醫療設備一般帶有自診斷程序，可充分利用它查找故障，將故障定位到較小範圍。

時序邏輯電路較常採用±5V、±15V、±12V電源。當電源對地短路或電源穩定性差都可能導致系統故障，表現為系統無反應、系統程序紊亂等。一般來說，電源對地短路是因為電容（去耦電容）短路產生的，找到故障電容最好的辦法是採用電流跟蹤儀跟蹤短路電流，沒有電流跟蹤儀的就只好將電路分單元查找替換。

時鐘電路一般由石英晶體電路組成(也有採用RC振蕩電路的)。根據經驗，石英晶體較易損壞。可用示波器測試時鐘信號的頻率、振幅、相位，或簡單地用邏輯探針檢測時鐘脈衝的有無。對各個單元電路的時鐘均應檢測，以防斷線、鬆脫、干擾等引起時鐘脈衝的不正確。

用邏輯探針檢查匯流排上是否有脈衝活動。若匯流排上沒有脈衝活動，可繼續檢查匯流排驅動器輸入端有無脈衝信號、驅動器是否在允許狀態、驅動器是否響應激勵等，來確定故障是否是由於匯流排驅動器引起的，然後輪流檢查每一個匯流排接收者。另外，可以關掉電源，用多用表檢查匯流排各線的對地電阻，如果所有線的阻值一樣，那麼匯流排估計正常；如果一條或多條線的阻值與其餘的不同，那麼該線值得懷疑；如果有兩根線的阻值相同，而又高於或低於其它的線，那麼這兩條線可能相互短路了。

用邏輯探針、示波器或邏輯分析儀觀察複位、使能、選通、讀寫、中斷、讀內存等控制信號，可以較好地判斷集成電路(IC)是否正常工作。當複位信號有效時，IC輸出應被清零或置位，程序應回到初始狀態運行；當使能信號有效而時鐘脈衝正常時，IC數據線上應有脈衝活動；當邏輯探針連到讀內存線上，而指示燈沒有閃爍顯示(即讀內存線上沒有脈衝活動)，說明微處理器可能在程序的某處卡住了，因為每一條指令讀地址處存儲器時，讀內存線上通常是應有脈衝信號的；對於中斷信號，可用邏輯探針來觀察是否發生中斷線路粘附，也可通過外加直流電壓或低電平來控制(允許或禁止)被測試的中斷。

介面卡、印刷板與插座插接時可能鬆脫或偏離中心導致接觸不良而引發故障，實際上很多故障的確是由此產生的，對此可用無水酒精擦拭清潔介面后再重新插接固定。另外數字系統還常常通過外部通信線路(RS232、MODEM、IEEE-488等)與其它系統連接，而連接線通常很長，還可能暴露於電子干擾源下，例如繼電器、電機、變壓器、大型X線機、陰雨天閃電等，連介面接觸不良和電子干擾源的電磁干擾(EMI)均可能會產生錯誤的數據傳送，甚至損壞相關的元件。對電磁干擾最好找出干擾源後排除它，其次可改善工作環境(如濕度和溫度等)，加強屏蔽，或改用屏蔽性能好的連接線。

時序邏輯電路的檢修有許多方法技巧，必須通過長期實際工作摸索總結經驗，才能更好地診斷、發現、排除故障，提高時序邏輯電路的維修技術水平。