Klopné obvody sa používajú na ukladanie údajov a riadenie toku informácií v počítačoch a komunikačných zariadeniach. Na rozdiel od klopného obvodu môže západka zmeniť svoj výstup, keď je aktívny určitý vstup. Západka aj klopný obvod sú odlišné. Západka je citlivá na úroveň, zatiaľ čo klopný obvod je citlivý na hrany.
Západku a klopný obvod môžete porovnať tak, že sa pozriete na to, ako reagujú na vstupný signál. Západka mení svoj výstup podľa úrovne vstupného signálu. Signál na vstupe bude vysoký alebo nízky. Klopný obvod mení svoj výstup podľa prechodu vstupného signálu. To znamená, že namiesto vysokého a nízkeho signálu bude vstupný signál buď stúpať alebo klesať.
Žabky majú rôzne typy, ako sú žabky SR, JK, D a T. Tento článok podrobne rozoberie klopný obvod typu D. Žabku typu D môžete navrhnúť pomocou žabky SR. Medzi vstupy S a R klopného obvodu typu D je potrebné pripojiť bránu NOT a oba tieto vstupy sú navzájom prepojené. Namiesto klopných obvodov SR môžete použiť klopný obvod typu D, pre túto konfiguráciu potrebujete iba stav SET a RESET.
Rýchly prehľad:
- Čo je to Flip-Flop typu D?
- Obvod typu D Flip-Flop
- Časový diagram
- Pravdivá tabuľka pre Flip-Flop typu D
- Master-Slave konfigurácia klopného obvodu typu D
- Klopný obvod typu Master-Slave typu D
- D-type Flip Flop pre frekvenčné delenie
- D Flip Flops ako dátové blokovanie
- Transparentná západka údajov
- IC typu D Flip-Flop
- Záver
Čo je to Flip-Flop typu D?
Klopný obvod typu D (Delay flip-flop) je taktovaný prvok digitálneho obvodu, ktorý má dva stabilné stavy. Tento typ klopného obvodu využíva na svojom vstupe oneskorenie s jedným hodinovým cyklom. Vďaka tomu môžete zapojiť viacero klopných obvodov typu D do kaskády a vytvoriť tak oneskorovacie obvody. Žabky typu D majú rôzne aplikácie, najmä v digitálnych televíznych systémoch.
Obvod typu D Flip-Flop
Jednoduchý klopný obvod typu D obsahuje štyri vstupy a dva výstupy. Tieto vstupy sú:
1. Údaje
2. Hodiny
3. Nastavte
4. Resetovať
Dva výstupy klopného obvodu typu D sú navzájom logicky inverzné. Vstupné dáta môžu byť buď logická 0 (nízke napätie) alebo logická 1 (vysoké napätie). Vstupný signál hodín bude synchronizovať klopný obvod s externým signálom. Dva nastavené vstupy a reset sú udržiavané na nízkej logickej úrovni. Klopný obvod typu D má dva možné stavy. Keď je vstup dát (D) klopného obvodu 0, klopný obvod sa resetuje a výsledkom bude výstup 0. Keď je vstup údajov (D) 1, nastaví sa klopný obvod a výsledkom bude výstup 1.
Je dôležité poznamenať, že klopný obvod typu D sa líši od západky typu D. Západka typu D nevyžaduje hodinový signál, ale klopný obvod typu D vyžaduje na zmenu stavu hodinový signál.
Môžete skonštruovať klopný obvod typu D s párom SR západiek. Invertované spojenie je potrebné aj pre jeden vstup údajov medzi vstupmi S a R. Vstupy S a R nemôžu byť súčasne vysoké alebo nízke. Jednou z hlavných výhod klopného obvodu typu D je to, že môže vytvoriť západku, ktorá môže ukladať a uchovávať informácie o údajoch. Túto vlastnosť latch klopného obvodu typu D môžete použiť na vytvorenie oneskorovacieho obvodu a spracovanie údajov, keď je to potrebné. Klopné obvody typu D sa používajú hlavne vo frekvenčných deličoch a dátových zámkoch.
Časový diagram
Rozoberme časový diagram zľava doprava:
- Na začiatku časového diagramu je Q je spočiatku NÍZKA. Keď SET krátko prejde na HIGH, Q sa stáva VYSOKÝ a zostáva VYSOKÝ. Na druhej strane, keď RESET nakrátko prejde na HIGH, Q sa zmení na LOW a zostane LOW.
- Zmeny v údajoch z LOW na HIGH neovplyvňujú Q . Výstup nereaguje na zmeny DATA. Na vzostupnej hrane prvého hodinového impulzu, keďže ÚDAJE sú VYSOKÉ, Q sa stáva VYSOKÁ. Hoci sa ÚDAJE na chvíľu menia späť na NÍZKE a potom späť na VYSOKÉ. Toto všetko nemá vplyv na Q . Pri stúpajúcej hrane druhého hodinového impulzu sú ÚDAJE stále VYSOKÉ a Q zostáva aj VYSOKÝ.
- Prechod na stúpajúcu hranu tretieho hodinového impulzu, keď sú DATA NÍZKE, Q sa stáva NÍZKY. V štvrtom a piatom hodinových impulzoch, kde DATA zostávajú NÍZKE, Q tiež zostáva NÍZKA na každej stúpajúcej hrane. Nakoniec, keď príde vzostupná hrana, ÚDAJE sú VYSOKÉ a Q ide aj do VYSOKEJ.
Všimnite si, že Q̅ je vždy opakom Q . Vstup SET môže kedykoľvek zmeniť výstup na HIGH. Podobne môžete použiť vstup RESET na otočenie výstupu na LOW, kedykoľvek budete chcieť.
Tabuľka pravdy pre flip-flopy typu D
Charakteristiky klopného obvodu typu D možno zapísať pomocou pravdivostnej tabuľky klopného obvodu D. Vo vnútri pravdivostnej tabuľky môžeme vidieť, že máme jeden vstup, ktorým je D. Podobne máme len jeden výstup, ktorým je Q(n+1).
| CLK | D | Q(n+1) | Štát |
| – | 0 | 0 | RESETOVAŤ |
| – | 1 | 1 | SET |
V tabuľke charakteristík klopného obvodu typu D máme dva vstupy, D a Qn. Tabuľka charakteristík má jeden výstup Q(n+1).
Z logického diagramu typu D môžeme vyvodiť záver, že Qn a Qn' sú dva komplementárne výstupy. Tieto dva výstupy tiež fungujú ako vstupy pre hradlo 3 a hradlo 4. Takže Qn, ktorý je súčasným stavom klopného obvodu, sa bude považovať za vstup a Q(n+1), ktorý je ďalším stavom klopného obvodu sa bude považovať za výstup.
| D | Qn | Q(n+1) |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 |
Pomocou charakteristickej tabuľky klopných obvodov typu D môžeme zapísať booleovský výraz K-map z 2-premennej K-mapy.
Master-Slave konfigurácia klopného obvodu typu D
Na zlepšenie správania klopného obvodu typu D môžeme na koniec výstupu klopného obvodu typu D pridať druhý klopný obvod SR. To bude mať za následok aktiváciu doplnkového hodinového signálu z výstupu klopného obvodu typu D. V dôsledku toho sa vytvorí klopný obvod typu Master-Slave typu D. Keď príde nábežná hrana (od nízkej po vysokú) hodinového signálu, vstupná podmienka na hlavnom klopnom obvode sa zablokuje. Zatiaľ čo výstup hlavného klopného obvodu typu D bude deaktivovaný.
Podobne, keď príde zostupná alebo zostupná hrana (High-to-Low) hodinového signálu, bude aktivovaný druhý stupeň slave. Keď sa hodinový impulz zmení z vysokého na nízky (počas záporného impulzu), výstup sa zmení. Klopné obvody typu Master-Slave typu D môžete navrhnúť kaskádovaním dvoch západiek, pričom obe majú opačné fázy hodín.
Klopný obvod typu Master-Slave typu D
Takže z obvodu Master-Slave typu D môžete vidieť, ako hlavný klopný obvod načítava údaje zo vstupu D, keď hodinový impulz stúpa v obvode Master-Slave typu D. To spôsobí, že sa majster otočí. Na druhej hrane (zostupnej hrane) hodinového impulzu teraz podriadený klopný obvod načíta údaje a zapne podriadený obvod.
Celkovo táto konfigurácia povedie k tomu, že jeden klopný obvod bude vždy zapnutý, zatiaľ čo druhý bude vypnutý. Všimnite si, že výstup Q tejto konfigurácie klopného obvodu master-slave zachytí hodnotu D iba vtedy, keď sa použije úplný cyklus hodinových impulzov. Tento kompletný cyklus by mal obsahovať nábežnú aj zostupnú hranu v konfigurácii 0-1-0.
D-type Flip Flop pre frekvenčné delenie
Klopný obvod typu D môžete použiť aj ako obvod frekvenčného deliča. Priamo prepojte výstup Q klopného obvodu D so vstupom D. Tým sa vytvorí systém spätnej väzby s uzavretou slučkou. Pre každé dva cykly hodinových impulzov sa prepne bistabilný.
Data Latch môže fungovať aj ako binárny delič alebo frekvenčný delič. To povedie k vytvoreniu obvodu počítadla delenia 2. To znamená, že výstupná frekvencia je polovičná v porovnaní s frekvenciou hodinových impulzov.
Vrátane systému spätnej väzby okolo klopného obvodu typu D môžete tiež vytvárať rôzne typy klopných obvodov, ako sú klopné obvody typu T, známe tiež ako bistabilné klopné obvody typu T. Tento klopný obvod typu T v binárnych počítadlách môže fungovať ako obvod s delením dvoma, ako je znázornené nižšie.
Z vyššie uvedeného tvaru vlny môžeme usúdiť, že keď sa výstup Q dostane ako spätná väzba na vstupnú svorku D, frekvencia výstupných impulzov na Q bude presne rovná polovici (ƒ/2) frekvencie vstupných hodín (ƒ IN ). Inými slovami, tento obvod dosahuje frekvenčné delenie delením vstupnej frekvencie faktorom dva. Q prejde na 1 raz za dva cykly hodín.
D Flip Flops ako dátové blokovanie
D klopné obvody spolu s frekvenčným delením môžu fungovať aj ako Data Latches. Data Latch je zariadenie, ktoré slúži na uchovanie alebo vyvolanie údajov prítomných na jeho vstupe. V skutočnosti funguje ako jednobitové pamäťové zariadenie. Môžete ľahko nájsť integrované obvody ako napr TTL 74LS74 alebo CMOS 4042 vo formáte Quad. Tieto integrované obvody sú špeciálne navrhnuté na účely blokovania údajov.
Ak chcete vytvoriť 4-bitovú dátovú západku, spojte štyri 1-bitové dátové západky. Tiež sa uistite, že hodinové vstupy všetkých týchto 1-bitových dátových západiek sú vzájomne prepojené a synchronizované. Nižšie je uvedený 4-bitový dátový blokovací obvod.
Transparentná západka údajov
V elektronike a digitálnych obvodoch nájdete množstvo aplikácií Data Latch. Pomocou Data Latch môžete spravovať ukladanie do vyrovnávacej pamäte, správu I/O portov, riadenie obojsmernej zbernice a riadenie zobrazenia. Je navrhnutý tak, aby vám poskytol veľmi vysokú výstupnú impedanciu na oboch Q a jeho doplnkový výstup Q̅ . Výsledkom bude minimalizácia vplyvov impedancie na pripojené obvody.
Väčšinu času zistíte, že jednotlivé 1-bitové dátové západky sa bežne nepoužívajú. Komerčne dostupné integrované obvody integrujú viacero individuálnych dátových západiek (4, 8, 10, 16 alebo 32) do jedného balíka. Príkladom je 74LS373 Oktalová priehľadná západka typu D.
Môžete myslieť na 74LS373 ako zariadenie, ktoré má osem žabky typu D vnútri. Každý klopný obvod má dátový vstup D a výstup Q . Keď je hodinový vstup (CLK) VYSOKÝ, výstup každého klopného obvodu sa zhoduje s dátovým vstupom. To znamená, že vstup dát je transparentný alebo viditeľný pre výstup. V tomto otvorenom stave je cesta od D̅ vstup do Q̅ výstup je transparentný. To umožňuje dátam prechádzať bez prekážok, a preto sa používa názov priehľadná západka.
Na druhej strane, keď je signál hodín LOW, západka sa zatvorí. Výstup pri Q̅ sa zachytí na poslednú hodnotu údajov pred zmenou hodinového signálu. V tomto bode Q̅ sa už nemení v reakcii na D̅ .
IC typu D Flip-Flop
Existujú rôzne typy D klopných integrovaných obvodov, ktoré sú k dispozícii v puzdre TTL aj CMOS. 74LS74 je jednou z bežne používaných možností, ktoré môžete zvážiť. Toto je klopný obvod Dual D, ktorý obsahuje dve samostatné bistabilné prvky typu D v rámci jedného čipu. Pomocou toho môžete vytvoriť jednoduché prepínacie žabky alebo žabky typu master-slave.
K dispozícii sú aj niektoré ďalšie klopné obvody IC typu D, ako napríklad klopný obvod 74LS174 HEX D s priamym čistým vstupom. Ďalším D klopným obvodom IC je 74LS175 Quad D klopný obvod s doplnkovými výstupmi. Žabka 74LS273 Octal typu D má celkovo 8 žabiek typu D. Všetkých týchto osem žabiek má jasný vstup. Všetky tieto vstupy sú zapojené v jednom balení.
Záver
Flip-Flop typu D možno navrhnúť pomocou dvoch západiek SR za sebou. Medzi vstupmi S a R je tiež použitý menič. Výsledkom bude jeden vstup D (údaje). K základnému klopnému obvodu typu D môžete pridať druhú žabku SR. Tým sa zlepší fungovanie klopného obvodu typu D. Tento klopný obvod SR môžete pripojiť k výstupu klopného obvodu typu D. Bude fungovať iba vtedy, keď je hodinový signál opačný ako pôvodný. Táto konfigurácia je známa aj ako klopný obvod Master-Slave D.
Západka typu D a klopný obvod typu D sú odlišné. Latch nemá hodinový signál, zatiaľ čo klopný obvod typu D obsahuje hodinový signál. D flip-flop je zariadenie spúšťané okrajom. Prenos vstupných dát je riadený pomocou vzostupnej alebo zostupnej taktovacej hrany. Na druhej strane, Data Latches, rovnako ako dátová západka a priehľadná západka, sú zariadenia citlivé na úroveň.