【PCB工艺】时序图（Timing Diagram）

时序图（Timing Diagram）是描述数字电路信号随时间变化的图示，广泛用于分析和设计时序逻辑电路，如锁存器（Latch）、触发器（Flip-Flop）、计数器、状态机等。这篇文章从时序图的原理、构成、细节、扩展等多个角度全方位让你彻底能够看懂时序图。

时序图是一种用于描述数字电路中信号随时间变化的图表，横轴表示时间，纵轴表示不同信号的状态（高电平 1 / 低电平 0）。

✅ 时序图用于分析电路的时序关系，确定信号之间的同步性。

✅ 常用于分析触发器、锁存器、CPU 总线操作等时序要求较高的电路。

时序图的基本组成

名称	描述
时钟信号（CLK）	提供同步参考，决定触发器或寄存器的工作节奏
输入信号（D, S, R, J, K, T, EN 等）	影响电路状态的输入变量
输出信号（Q, Q'）	由输入信号和时钟信号决定的最终输出
建立时间（Setup Time, Tsu）	输入信号需在时钟触发前稳定的时间
保持时间（Hold Time, Th）	时钟触发后，输入信号需继续保持稳定的时间
传播延迟（Propagation Delay, Tp）	输入变化到输出稳定的时间

横轴表示时间

纵轴表示幅度

声波是模拟信号，会出现较为复杂的波形

单片机通信是数字信号，数字信号中只有逻辑 0（高电平）和逻辑 1（低电平）两种状态，图表中表现为电压稳定的横线：

典型时序图示例

以下是几种常见数字电路的时序图分析：

1. D 触发器时序图

D 触发器（D Flip-Flop）在时钟上升沿（或下降沿）时，Q 复制 D 的值。

🖥 时序图示例

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CLK  ────┐ ┌───┐ ┌───┐ ┌───┐ ┌───┐ ┌───┐
      ───┘ └───┘ └───┘ └───┘ └───┘ └───┘

D    ────██████──────██████──────██████
         ↑        ↑        ↑        ↑  
         触发沿   触发沿   触发沿   触发沿

Q    ────██████──────██████──────██████

说明：📌 D 触发器在时钟上升沿时锁存 D 的值，并保持该值直到下一个时钟沿。

2. SR 锁存器时序图

SR 锁存器（Set-Reset Latch）根据 S（设定）和 R（复位）信号控制 Q 的状态。

🖥 时序图示例

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S    ─────██████──────────────────────
R    ───────────██████────────────────
Q    ─────██████───────┄┄┄─────────────

说明：📌 当 S=1，Q 被置 1；当 R=1，Q 被复位为 0；S=0 且 R=0 时，Q 保持不变。

3. JK 触发器时序图

JK 触发器在 J=1 且 K=1 时翻转状态，在 J=1 或 K=1 时分别设定或复位。

🖥 时序图示例

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CLK  ───┐ ┌──┐ ┌──┐ ┌──┐ ┌──┐ ┌──┐ ┌──┐
      ──┘ └──┘ └──┘ └──┘ └──┘ └──┘ └──┘

J    ───██████────────██████──────────
K    ───────────██████────────██████──
Q    ───██████───┄┄┄───██████───┄┄┄───

说明：📌 J=1, K=0 设定 Q=1；J=0, K=1 复位 Q=0；J=1, K=1 时 Q 翻转。

4. I²C总线多波形时序图

上方一条是SDA接口、下方一条是SCL接口，这是芯片硬件上的两个引脚，这张图表示两个端口的电平同时配合，来实现通信的内容：虚线S框中是划定这个框中的电平变化方式，用于 I²C总线的起始位信号，两个端口组合出的这个电平表示通讯中的起始信号；右侧虚线P框内是结束位信号，原理和起始位一样。

在这种多波形的时序图中，我们必须考虑同一时刻的多个端口的电平状态，它们共同组合出一个时序关系。

另外，有一些地方可能会出现高低电平的叠加状态：

SDA端口在中间部分的位置上既有高电平又有低电平，这表示在这个地方是【量子力学的】高低电平的叠加状态：既可以是高电平，也可以是低电平，具体是什么，要看实际数据发送的是什么。（虚线部分表示此处省略了很多波形，由于这些波形和起始位、结束位没有关系，所以用虚线表示）

虚线 -------- 和波浪符号 S S 这二者的效果是一样的。

还有一种特别的标注：

在叠加的电平上加上文字说明，如果是高电平表示无应答，如果是低电平则表示有应答。这样，我们就明确能知道，不同的电平分别代表什么含义。

下面的波形中出现的数字则表示这里是第几个出现的高电平（脉冲数量）。

这张图中，上面波形中的高电平上面的数字1 和数字9 是标记的高电平数量，一组中有9个电平，分别标出了首位1和9；下面波形中的 1、0 标在电平的中间，表示这是二进制数 1和0，1是高电平、0是低电平，两个波段中的竖虚线并没有什么含义，只是用于辅助将两组波形对齐。

下面的波形中出现的A2、R/W、D7之类的是发送数据的内容说明，和时序图原理没有关系。

最后，在同一条端口上，单片机可以向从设备发送电平（数据），从设备也可以向单片机发送电平（数据），图纸上左边标出的 by Master: 表示是单片机发出的电平，中间标出的 by LM75:表示这是LM75从设备发出的电平。另外，有的时序图中会用颜色的不同标识：

时序图的应用

CPU 设计： 描述指令执行过程。
存储器： 读写数据的时序分析。
通信协议： 确保数据传输同步。
数字逻辑电路： 设计触发器、寄存器、状态机等。

时序图有利于分析和优化数字系统的同步特性。

时序图是分析数字电路信号变化的重要工具，能够直观地表示输入、时钟和输出之间的关系。从时序图中，我们可以观测到 时钟信号是同步电路的关键，决定数据更新的时刻。 ；建立时间、保持时间和传播延迟是时序分析的重要参数；并且，不同类型的锁存器和触发器具有不同的时序特性，适用于不同应用场景。掌握时序图的分析方法，有助于深入理解数字电路的时序特性。

总而言之，时序图的核心就是表示时间和电平的变化关系。 时间从左到右只有前后，电平只有高低。

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