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电子产品 · 数字与控制

触发器与数字状态存储

触发器是一种时序逻辑电路,用于存储前一个状态。D 触发器接收输入,并在定义的时钟边缘更新其输出状态。

相关实验:触发器与计数器 →
触发器与计数器
触发器与计数器实验场景 →

意义与机制

与组合逻辑不同,组合逻辑的输出仅由当前输入决定。而序列逻辑则保持一个存储的状态。因此,即使使用相同的输入,结果也可能因之前的状态而变化。

上升沿 D 触发器在时钟由 0 变为 1 的瞬间保存输入 D。理想模型中,在两个边沿之间,即使 D 改变,输出状态仍然保持不变。

关系与条件

在时钟的边缘,Qnext=D。 一个 4 位二进制计数器可以表示 0 到 15,因此在 16 递增后,会返回初始状态。

在实际电路中,存在设置时间和维护时间,以及无线电延迟。 既不能使用不考虑延迟的模型,也不能完全用 0·1 来解释禁阻状态和元稳定性。

观察实验中需要注意的事物

一个 D 触发器仅在上升沿存储输入;一个 4 位计数器每 16 个时钟周期重复。

不考虑元态和传播延迟。禁止的 SR 状态不被视为有效的位。在屏幕上进行实验;不要使用实际电源、插座或高电压进行重复。

关键关系与符号

D-FF: Qnext = D (↑CLK) · counter = (Q₀+n) mod 16

符号及公式中使用的单位
符号含义单位
D, Q数据输入·存储输出0 或 1
↑CLK上升的钟摆边缘事件

工作实例

对于一个 Q=1 且 D=0 的 D 触发器,当时钟从 1 变为 0 时,Q 的值是多少?

1

常见误解

  • 当时钟为 1 时,上升沿触发器的输出不会持续跟随输入。

通过实验探索这个概念

参考文献

OpenStax · 物理学:大学教材,第二卷 (英文版)