# 时钟电路
"时钟电路"会周期性地输出红石信号, 从而循环激活与之相连的红石装置.
注意, "脉冲电路"和"时钟电路"只是人们的定义. 实际上, "时钟电路"也可以产生"脉冲"[1], 只不过两者的侧重点不同:
- "时钟电路"强调多次的循环触发, 作用是让红石装置反复激活
- "脉冲电路"不强调多次触发, 而是强调单次红石信号的持续长度, 让红石装置以确定的时间长度维持激活状态
# 如何理解"循环""周期"和"频率"?
为了更方便地理解"时钟电路", 我们先了解一下"循环""周期"和"频率"的概念:
- "循环"是连续多次运行同一个流程, 比如"时钟"的秒针、分针、时针不断在循环转圈.
- "周期"是指运行 1 个流程所需的时间. 通常单位为"秒"
- "频率"是指 1 秒运行多少个周期. 单位为"赫兹(Hertz, 简写为Hz)"[2]
- "周期"和"频率"是反比例关系. 假设运行 1 个"周期"的时间为 t. 那么, "频率"就是 1/t. "周期"越短, "频率"就越大, 也就意味着运行速度越快
比如, 下图中, 圆圈每隔 0.5 秒点亮, 从 1 到 6 逐个亮起总共需要 0.5 x 6 = 3 秒. 那么它的频率就是 1/3 Hz:
如果我们将圆圈改成每隔 1 秒点亮, 那么从 1 到 6 逐个亮起总共需要 1 x 6 = 6 秒. 那么它的频率就是 1/6 Hz:
# 5 种"时钟电路"
我们可以利用各种材料的特性来建造"时钟电路", 根据材料的不同, 可以分为:
- 火把时钟: 利用"红石火把"的"反相原理"[3]
- 中继器时钟: 利用"红石中继器"的"延时特性"和"单向传输特性"[4]
- 比较器时钟: 利用"红石比较器"的"检查容器填充度"的特性[5]
- 漏斗时钟: 利用"漏斗"的"自动转移物品"的特性[6]
- 活塞时钟:
# 1.火把时钟
"火把时钟"是根据"红石火把"的"反相原理"[3:1], 将一串"红石火把"首尾相连, 让"红石火把"之间不断循环熄灭和开启的"时钟电路". 这种电路会输出一个反复切换开启和关闭的"脉冲信号"[1:1].
# 最简单的"三刻火把时钟"
我们先制作一个最基础的"三刻火把时钟".
因为"红石火把"在对信号进行反转时会产生 1 红石刻[7]延迟, 所以"三刻火把时钟"总的"运行周期"是 3 个红石刻[7:1], 即 0.3 秒, "频率"是 1 / 0.3 ≈ 3, 即 1 秒能运行 3 个周期, 也就是说, 红石线在 1 秒内能够明灭 3 次.
原理:
- 附着在 A 方块上的火把亮起, 点亮了 D (红石线)
- 点亮的 D (红石线) 弱充能了 B 方块, 导致附着在 B 方块上的火把熄灭, 所以 E (红石线)熄灭
- 熄灭的 E (红石线)不再充能 C 方块, 根据"红石火把"的"反相原理"[3:2], 附着在 C 方块上的红石火把亮起, 所以点亮了 F (红石线)
- 点亮的 F (红石线)弱充能了 A 方块, 根据"红石火把"的"反相原理", 附着在 A 方块上的火把熄灭, 所以 D (红石线) 熄灭
- 熄灭的 D (红石线) 不再充能 B 方块, 根据"红石火把"的"反相原理", 附着在 B 方块上的火把亮起, 所以点亮了 E (红石线)
- 点亮的 E (红石线) 弱充能了 C 方块, 根据"红石火把"的"反相原理", 附着在 C 方块上的火把熄灭, 所以 F (红石线)熄灭
- 熄灭的 F (红石线)不再充能 A 方块, 根据"红石火把"的"反相原理", 附着在 A 方块上的火把亮起
- 重复循环"第 1 ~ 7 步骤", 从而形成循环往复的红石信号.
通过简单的改造, 我们就能把这个"火把时钟"变成一个不断发射箭矢的发射器:
上图中, 当"拉杆"没有开启时, 后方的"火把时钟"循环输出红石信号, 反复激活"发射器", 使其发射箭矢. 当"拉杆"开启后, "拉杆"持续强充能了其附着的方块, 所以"发射器"持续收到红石信号, 所以只能发射一次箭矢, 后面就停止发射了.
其实我一开始是这样制造"箭矢发射器"的(错误的示范):
上图的制造方法是有些问题: 尽管"拉杆"启闭也可以控制"箭矢发射器", 但是, 当"拉杆"打开后, "拉杆"所附着的方块被持续强充能, 方块持续点亮了所连接的红石线, "时钟电路"的循环功能被破坏了!
# N 刻火把时钟
上面讲解的是最基础的"三刻火把时钟", 其实, 我们可以继续添加火把来拓展"时钟电路", 以增加时钟的"周期", 降低"频率". 不过, 需要保证火把的数量是奇数 (如果是偶数, 火把互相之间形成平衡, 无法反复明灭).
之前的"三刻火把时钟"的"频率"是 1 秒能运行 3.3 个周期, 也就是说, 红石线在 1 秒内能够明灭 3.3 次. 如果我们想设计一个"火把时钟电路", 让其 1 秒明灭 2 次. 如何设计呢?
- "1 秒明灭 2 次"表示"频率"为 2 Hz, 所以"周期"为
1 / 2 = 0.5 秒 - 0.5 秒即 5 个红石刻, 也就是说需要制作"五刻火把时钟"
- 我们只需要在之前"三刻火把时钟"的基础上, 再增加 2 个红石火把和方块即可:
# 一刻火把时钟
可能有人会好奇, "一刻火把时钟"是如何实现的. 不幸的是, "一刻火把时钟"的"红石火把"在反复明灭几次后, 会很快损毁, 从而失去信号, 我们可以动手试一下:
原理:
- C (红石火把)亮起, 导致强充能了其上方的 B 方块, 所以点亮了 D (红石粉)
- 点亮的 D (红石粉)弱充能了 A 方块, 根据"红石火把"的"反相原理"[3:3], 附着其上的 C (红石火把)熄灭
- C (红石火把) 熄灭, 导致 B 方块不再被充能, 所以 D (红石粉) 熄灭
- 熄灭的 D (红石粉) 不再充能 A 方块, 根据"红石火把"的"反相原理", 附着其上的 C (红石火把) 亮起
- 重复循环"第 1 ~ 4步骤"(不过, 红石火把会很快烧毁)
# 火把时钟的功能极限
从上文得知, 我们可以根据需要的"频率", 来设计相应的"N 刻火把时钟". 同时, 我们也知道了, "一刻火把时钟"会很快烧毁, 所以**"火把时钟"所能实现的功能范围是以"三刻火把时钟"为极限的**.
因此, "火把时钟"所能实现的功能极限:
| 最大(max) | 最小(min) | |
|---|---|---|
| 频率 | 3.3 Hz | (理论上可以无限小) |
| 周期 | (理论上可以无限大) | 0.3 秒 |
# 2.中继器时钟
# 基础方案
上图中的 2 个"中继器"的延时都为 4 红石刻, 所以整个电路的运行周期是 4 x 2 x 0.1 = 0.8 秒, 频率是 1 / 0.8 = 1.25 Hz.
原理:
- 从外部输入一个短暂的红石信号(在左下角放上"红石火把", 并立即拆除), 由于"中继器"的"单向传输"特性[4:1], "中继器 a"输入红石信号, 而"中继器 b"无法通过红石信号
- "中继器 a"被输入红石信号后, 尽管外部的红石火把已经拆除, 但是由于"中继器"的"延时特性", 红石信号被延迟了几个红石刻才输出(相当于红石信号被储存在"中继器 a"中一段时间). 输出后, "中继器 a"因为没有输入而熄灭;
- "中继器 a"的输出成为"中继器 b"的输入, 同样的, 红石信号被延迟了几个红石刻才输出, 输出后, "中继器 b"熄灭;
- "中继器 b"的输出成为"中继器 a"的输入
- 重复循环"第 2 ~ 4 步骤", 从而实现红石线反复明灭
我们可以通过调节"中继器"的延时来方便地调节"时钟电路"的"频率":
- 如果我们想加快频率, 就需要缩短"中继器"的延时. 比如说, 将 2 个中继器的延时都调整为 1 红石刻, 那么 1 个周期的时间是
1 x 2 x 0.1 = 0.2 秒, 频率为1 / 0.2 = 5 Hz, 也就是说 1 秒内明灭 5 次; - 需要注意的是, 如果任意一个"红石中继器"的延时为 1, 即没有延时. 整个电路将持续点亮;
建造"中继器时钟"时, 需要注意:
- 2 个"中继器"面朝相反的方向摆放
- 插上红石火把后需要立刻拆除, 操作的速度必须快于红石信号的传播速度(在这里就是指"中继器"的总延时时间), 否则"时钟电路"会失败. 比如说, 2 个中继器都延时 0.2 秒, 所以总延时 0.4 秒. 如果从"插上火把"到"敲掉火把"所耗费的时间大于 0.4 秒, 则时钟电路制作失败, 将持续点亮, 无法明灭 (我的操作速度在中继器总延时 0.4~0.8 秒的情况下可以制作成功"时钟电路", 在总延时 0.2 秒时, 就失败了. 不过, 在后面的"进阶方案"中, 我们利用自动装置, 能够在中继器总延时 0.2 秒的状态下制作成功"时钟电路") [8]
# 衍生方案
如同之前的"N 刻火把时钟", 我们也同样可以通过增加"中继器"来增加时钟的"周期", 降低"频率".
基础方案的"中继器时钟", 在总延时 0.8 秒的情况下, "周期"就是 0.8 秒, "频率"就是 1 / 0.8 = 1.25 Hz, 如果我们想减慢速度, 也就是增大"周期"减小"频率", 可以通过增加中继器以增加总延时来实现:
# 进阶方案
我们将之前的方案改造一下, 将手动快速拆除"红石火把"的功能, 交给"T 触发器"[9], 用于自动切断"供能元件":
其主体部分和之前的"基础方案"是一样的, 也是把两个"中继器"面朝相反方向放置. 唯一的区别是, 使用"T 触发器"[9:1]将"供能部分"改造成可以自动切断:
其原理是:
当"拉杆 a"打开, 其附着的"方块 b"被强充能
- 强充能的"方块 b"激活了"粘性活塞 c", "粘性活塞 c"推出了"方块 d"
- 强充能的"方块 b"激活了相邻的"红石线 g", "红石线 g"激活"中继器 h"
- 激活的"中继器 h"强充能了"方块 j", "方块 j"激活了相邻的"红石线 k", "红石线 k" 激活了 "中继器 l", "中继器 l"激活了"红石线 f", "红石线 f"激活了"中继器 e", "中继器 e"强充能了"方块 d"
- 同时, 激活的"中继器 h"强充能了其附着的方块, 该方块激活了"粘性活塞 i", 将"方块 j"推开, 从而断开了之前"中继器 h"对"方块 j"的强充能, 也就断开了"方块 j"对"红石线 k"的激活
- 然而, 强充能的"方块 d"激活了"红石线 k", 使得红石信号的"k -> l -> f -> e -> d -> k 循环"得以维持
# 3.比较器时钟
原理:
- 首先, 把"比较器"切换为"减法模式", 即当侧面的红石输入强度和后面的输入强度相等时, 前面输出为 0;
- 一开始, "红石火把"在"比较器"后面提供 15 强度的红石信号, 而"比较器"的侧面没有红石信号, 即信号强度为 0, 所以, "比较器"前面的输出强度为 15 - 0 = 15;
- 当"比较器"输出 15 强度的红石信号, 随着红石线的传递, 信号强度开始衰减, 但是到达"中继器"之后, 信号强度被"中继器"提升到 15 强度, 此时, "比较器"后面是 15 强度, 侧面是 15 强度, 因此前面的输出强度为 0;
- 循环"第 2 ~ 3 步骤", 红石线路反复明灭
建造时, 注意"红石比较器"和"红石中继器"的放置方向 注意"比较器"要切换成"减法模式"(比较器前面的灯会亮起)
# 4.漏斗时钟
建造时, 要注意把两个"漏斗"的输出管相互连接在一起.
我们可以先放置一个"漏斗", 然后将十字光标对准这个"漏斗"的侧面, 按住 Shift 键, 放置另一个"漏斗", 这样, 两个"漏斗"的"输出管"就能连接在一起了.
建造好之后, 丢一个普通方块到其中一个漏斗, "时钟线路"就可以工作了.
原理:
- 当我们丢一个普通方块到其中一个"漏斗",
- 另一个"漏斗"接收到方块, 重复上面"第 1 条步骤"
- 循环"第 1 ~ 2 步骤", 左右两侧的红石线反复明灭
改良版本:
因为"比较器"产生的红石信号强度和"漏斗"的填充度成正比例关系, 所以, 当"漏斗"只有 1 个普通方块时, 只产生 1 个单位强度的红石信号, 走 1 格距离, 红石信号就衰减为 0 了. 因此, 我们在红石线后面接上"中继器", 将红石信号强度提升到 15 单位强度, 方便后面连接其他红石设备:
# 5.活塞时钟
原理:
- "方块 a"被正下方的"红石火把"强充能, 从而激活相连的"红石线 b", 激活"中继器 c", 从而激活"活塞 d", "活塞 d"将"方块 a"推出去;
- "方块 a"被推出去后, 同样地, 被正下方的"红石火把"强充能, 从而激活相连的"红石线 e", 激活"中继器 f", 从而激活"活塞 g", "活塞 g"将"方块 a"推出去;
- 如此循环往复
之所以这里使用"红石中继器", 是因为空间紧凑, 需要利用它"单向传输"特性, 来保证线路走向
这个装置的"活塞"也可以替换成"粘性活塞"
"脉冲"这个词就是取自"像脉搏一样波动"之意, "脉冲电流"就是指像脉搏一样间歇起伏的电流. 这里的"脉冲"就是指"一个脉冲电流的周期". 详细解释见这里 ↩︎ ↩︎
"赫兹(Hertz/Hz)"是以首位用实验验证电磁波存在的科学家海因里希·赫兹(Heinrich Rudolf Hertz)命名的 ↩︎
"红石火把"的"反相原理"是指, 如果"红石火把"所附着的方块被充能, 则"红石火把"会熄灭. 详细的解释见 这里 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
之前总延时 0.2 秒的情况下, "时钟电路"总是制作失败. 我还以为是由于人眼的"视觉暂留"现象导致的 -- 人眼能够保留 0.1 ~ 0.4 秒左右的图像, 所以我以为人眼无法察觉周期为 0.2 秒的明灭周期电路. 之后引入自动装置, 设计了"进阶方案", 发现在中继器总延时 0.2 秒的状态下可以制作成功"时钟电路". 这推翻了我之前"视觉暂留"的解释, 证明了"时钟电路"的失败是由于手动操作的速度太慢的缘故 ↩︎