一、D觸發(fā)器的基本概念
D觸發(fā)器(Data Flip-Flop或Delay Flip-Flop)是數(shù)字電子電路中一種重要的存儲器件,主要用于存儲1位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。它具有記憶功能,能夠在特定的時鐘脈沖作用下,將輸入端的信號狀態(tài)鎖存到輸出端,并保持該狀態(tài)直到下一個時鐘脈沖的到來。D觸發(fā)器是數(shù)字邏輯電路中構(gòu)成多種時序電路的基本邏輯單元,因此在數(shù)字系統(tǒng)和計算機(jī)中有著廣泛的應(yīng)用。
二、D觸發(fā)器的工作原理
時鐘信號CK通過倒相器生成反相信號CZ。D端是D觸發(fā)器的信號輸入。Q和QZ是D觸發(fā)器的輸出端。QZ通過G5輸出Q的反相信號。為了便于文字表達(dá),通常用CZ和QZ表示!CK和!Q(用“!”表示取反NOT,和上劃線表示一樣,讀“bá”)。
G1和G2形成回路。G1的輸出通過G2連接到G1的輸入,稱為反饋(feed back)。同理,G3和G4也形成反饋回路。
當(dāng)CK為高電平時,T1導(dǎo)通,輸入端D的信號通過G1和G2的反饋回路,使得G1的輸出始終保持為D的反相電平。此時,T2截止,呈現(xiàn)高阻狀態(tài),G3不能接受G1的輸出,而是通過G3和G4的反饋回路,保持其原有的信號。
當(dāng)CK為低電平時,T1截止,呈現(xiàn)高阻狀態(tài),G1不能接受D的輸入信號,而是保持T1導(dǎo)通時輸入的信號。而T2導(dǎo)通,G3接受G1的輸出信號,將改變其輸出Q的信號。
等到下一個時鐘信號CK再為高電平時下一個D信號才能進(jìn)入這個D觸發(fā)器。
CK為高電平期間,稱為保持狀態(tài)。CK為低電平期間,稱為傳輸狀態(tài)。
這種由時鐘控制的電路,稱為時序電路。這是由于D觸發(fā)器與時鐘信號控制來決定其信號的狀態(tài),而且能夠保持一定的電平,所以稱為具有記憶功能的電路。
其中,由T1、G1、G2構(gòu)成的電路,以及由T2、G3、G4構(gòu)成的電路都稱為鎖存器(latch)。
這種D觸發(fā)器的類型稱為主從觸發(fā)器(master-slave)。前一個鎖存器為主觸發(fā)器,后一個鎖存器為從觸發(fā)器。
三、D觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)
觸發(fā)器主要有兩種電路結(jié)構(gòu),CMOS邏輯門如圖,和傳輸門構(gòu)成的D觸發(fā)器如圖所示。
圖為CMOS邏輯門構(gòu)成D觸發(fā)器
圖為傳輸門構(gòu)成D觸發(fā)器
兩種電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的D觸發(fā)器功能一模一樣,我們以圖2-1為例來分析觸發(fā)工作原理。如圖2-1所示:在clk上升沿到來之前,D輸入端無論輸入任何值觸發(fā)器狀態(tài)不會改變,次態(tài)等于現(xiàn)態(tài)。當(dāng)時鐘上升沿到來時,與時鐘信號連接的非門產(chǎn)生的短暫延遲,使得觸發(fā)器狀態(tài)置成D輸入端的狀態(tài)。
四、D觸發(fā)器的脈沖特性
D觸發(fā)器的脈沖特性主要體現(xiàn)在其觸發(fā)方式上,主要分為電平觸發(fā)和邊沿觸發(fā)兩種。
1. 電平觸發(fā)
電平觸發(fā)D觸發(fā)器在時鐘脈沖(CP)等于某一特定電平(如高電平)時即可觸發(fā)。這種觸發(fā)方式相對簡單,但在實際應(yīng)用中容易受到干擾,因為只要CP保持在該電平,輸入端D的狀態(tài)變化就可能影響觸發(fā)器的輸出。因此,電平觸發(fā)D觸發(fā)器的抗干擾能力較弱。
2. 邊沿觸發(fā)
邊沿觸發(fā)D觸發(fā)器在時鐘脈沖的上升沿或下降沿觸發(fā)。這種觸發(fā)方式具有更強(qiáng)的抗干擾能力,因為輸入信號D的狀態(tài)變化只有在時鐘脈沖的邊沿到來時才會被觸發(fā)器捕獲并鎖存。邊沿D觸發(fā)器也被稱為維持-阻塞邊沿D觸發(fā)器,因為它在CP=1期間具有維持阻塞作用,即D端的數(shù)據(jù)狀態(tài)變化不會影響觸發(fā)器的輸出狀態(tài)。
邊沿觸發(fā)D觸發(fā)器的脈沖特性可以進(jìn)一步細(xì)化為以下幾個方面:
建立時間(t_set):指輸入信號D在時鐘脈沖邊沿到來之前必須保持穩(wěn)定的最小時間。這是為了確保D端的數(shù)據(jù)在觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)前已經(jīng)穩(wěn)定地傳輸?shù)絻?nèi)部邏輯電路中。
保持時間(t_hold):指時鐘脈沖邊沿到來之后,輸入信號D必須繼續(xù)保持穩(wěn)定的最小時間。這是為了防止在觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)過程中,D端的數(shù)據(jù)發(fā)生變化而導(dǎo)致輸出狀態(tài)錯誤。
傳輸延遲(t_pd):指從時鐘脈沖邊沿到來到觸發(fā)器輸出狀態(tài)穩(wěn)定所需的時間。這是觸發(fā)器內(nèi)部邏輯電路處理輸入信號并產(chǎn)生輸出響應(yīng)的時間延遲。
五、D觸發(fā)器的應(yīng)用
D觸發(fā)器在數(shù)字系統(tǒng)和計算機(jī)中有著廣泛的應(yīng)用,主要包括以下幾個方面:
1. 時序控制
D觸發(fā)器可以用于時序電路中,通過控制時鐘脈沖的序列來控制電路的狀態(tài)變化。例如,在計數(shù)器電路中,D觸發(fā)器可以存儲和傳遞計數(shù)信息,實現(xiàn)計數(shù)的功能。
2. 寄存器
D觸發(fā)器可以作為寄存器的基本單元,用于存儲和傳輸數(shù)據(jù)。在數(shù)字系統(tǒng)中,寄存器是存儲數(shù)據(jù)的重要部件,D觸發(fā)器通過其記憶功能,能夠穩(wěn)定地保存數(shù)據(jù)并在需要時將其輸出。
3. 波形發(fā)生器
通過特定的連接方式和時鐘脈沖序列,D觸發(fā)器可以生成各種波形信號。例如,利用D觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)功能,可以產(chǎn)生方波、鋸齒波等周期性波形信號。
4. 同步電路
在同步電路中,D觸發(fā)器用于同步不同部分的時鐘信號,確保整個電路按照統(tǒng)一的時鐘節(jié)拍工作。這有助于減少電路中的時序錯誤和信號沖突。
D觸發(fā)器作為數(shù)字電子電路中的重要存儲器件,具有記憶功能和多種觸發(fā)方式。其結(jié)構(gòu)主要由存儲單元和控制單元組成,通過控制時鐘脈沖的序列和D端的輸入信號來實現(xiàn)對輸出狀態(tài)的控制。D觸發(fā)器的功能包括置0、置1、保持和翻轉(zhuǎn)等,這些功能使得D觸發(fā)器在時序控制、計數(shù)器、寄存器和波形發(fā)生器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展,D觸發(fā)器的性能和功能也將不斷提升和完善。
六、基于D觸發(fā)器的音頻信號發(fā)生器電路圖
這是一個用D觸發(fā)器組成音頻信號發(fā)生器,電路原理圖如圖所示。
在電源接通后的瞬間,Q1端(第1腳)輸出為高電平,該高電平通過RP2向C2充電,當(dāng)C2端電壓上升到復(fù)位電平時,Q1 端變?yōu)榈碗娖剑珻2通過二極管VD2向Q1端放電。此時!Q1(Q1的取反)輸出端(第2腳)變?yōu)楦唠娖剑摳唠娖酵ㄟ^RP1向C1充電。當(dāng)C1端電壓上升到置位電平時,觸發(fā)器翻轉(zhuǎn),Q1變?yōu)楦唠娖剑?Q1變?yōu)榈碗娖?,Q1端的高電平向C2充電,C1通過二極管VD1向變?yōu)榈碗娖降?Q1端放電,如此不斷循環(huán),在Q1和!Q1端交替出現(xiàn)高、低電平,形成振蕩。因此該電路是一個無穩(wěn)態(tài)的振蕩器。QI 端的振蕩信號通過電阻R1加到三極管V1的基極,經(jīng)過V1放大后推動揚(yáng)聲器BP發(fā)出響亮的音頻聲。
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