Princíp fungovania obvodov Flip-flop
Pendahuluan
Klopné obvody sú jedným zo základných stavebných kameňov digitálnej elektroniky, ktoré umožňujú ukladanie a spracovanie binárnych informácií (bitov). Klopné obvody sa dodávajú v mnohých typoch a majú širokú škálu aplikácií, od ukladania dát až po zložité logické obvody. Cieľom tohto článku je hlbšie sa ponoriť do princípov fungovania klopných obvodov, ich rôznych typov a ich aplikácií v elektronike.
Základné pracovné princípy
Klopný obvod je v podstate bistabilný obvod, čo znamená, že môže existovať v jednom z dvoch stabilných stavov. Tento obvod je schopný udržiavať tieto stavy bez potreby nepretržitého vstupného signálu. Na rozdiel od jednoduchých logických hradiel, ktoré okamžite menia svoj výstup na základe vstupu, klopný obvod si „pamätá“ svoj posledný stav.
SR preklopný obvod
Najzákladnejším typom klopného obvodu je klopný obvod SR (Set-Reset). Hlavnými komponentmi klopného obvodu SR sú dve prepojené hradlá NOR alebo NAND. Tu je pravdivostná tabuľka pre klopný obvod SR s hradlami NOR:
| S (Nastavenie) | R (Reset) | Q (Výstup) | Q' (Výstupný doplnok) |
|————|————–|————|————————|
| 0 | 0 | Q (predchádzajúce) | Q' (predchádzajúce) |
| 0 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | Nedefinované| Nedefinované |
Situácia v tabuľke, kde S aj R sú obe 1, je nestabilný stav a v praxi sa nepoužíva.
D Preklopný obvod
Na riešenie problému zakázaného stavu v SR klopných obvodoch bol zavedený D klopný obvod. D klopný obvod zjednodušuje vstup tým, že má iba jeden dátový vstup (D) a jeden hodinový vstup (C). Výstup zmení stav iba vtedy, keď je prítomný hodinový signál. Tu je pravdivostná tabuľka pre D klopný obvod:
| D | Hodiny | Q (Výstup) | Q' (Výstupný doplnok) |
|—|——-|————|————————|
| 0 | ↑ | 0 | 1 |
| 1 | ↑ | 1 | 0 |
Keď sa objaví stúpajúca hrana hodinového signálu, výstup Q bude sledovať hodnotu D.
JK Žabky
JK klopný obvod je ďalším vylepšením SR klopného obvodu, ktorý eliminuje tento nestabilný stav. JK klopný obvod má dva vstupy, J a K, a vstup pre hodiny. Jeho pravdivostná tabuľka je nasledovná:
| J | K | Hodiny | Q (Výstup) | Q' (Výstupný doplnok) |
|——|——|——-|————|————————|
| 0 | 0 | ↑ | Q (predchádzajúce) | Q' (predchádzajúce) |
| 0 | 1 | ↑ | 0 | 1 |
| 1 | 0 | ↑ | 1 | 0 |
| 1 | 1 | ↑ | Q' (predchádzajúce) | Q (predchádzajúce) |
Keď sú vstupy J a K v hodnote 1, výstup bude doplnkom predchádzajúceho stavu alebo technicky povedané „prepínaním“.
T-klopný obvod
T-klopný obvod alebo prepínací klopný obvod je variantom JK-klopného obvodu, kde sú vstupy J a K spojené a označené T. To spôsobí, že výstup Q zmení stav vždy, keď je na hrane hodinového signálu. Pravdivostná tabuľka je nasledovná:
| T | Hodiny | Q (Výstup) | Q' (Výstupný doplnok) |
|—|——-|————|————————|
| 0 | ↑ | Q (predchádzajúce) | Q' (predchádzajúce) |
| 1 | ↑ | Q' (predchádzajúce) | Q (predchádzajúce) |
Implementácia a aplikácia
Registre a pamäť
Jednou z hlavných aplikácií klopných obvodov sú registre a pamäte. Register je súbor klopných obvodov, ktoré ukladajú bity dát; zvyčajne jeden klopný obvod ukladá jeden bit. Registre sa v mikroprocesoroch bežne používajú na dočasné ukladanie spracovávaných dát. Spojením viacerých klopných obvodov môžeme vytvoriť register so špecifickou bitovou šírkou, napríklad 8-bitovou alebo 16-bitovou.
Počítačová pamäť, ako napríklad SRAM (statická RAM), obsahuje veľkú maticu klopných obvodov, ku ktorým je možné pristupovať na čítanie alebo zápis údajov.
Počítadlo a časovač
Preklápacie obvody sa používajú aj v obvodoch počítadiel a časovačov. Počítadlo je obvod, ktorý počíta hodinový signál a prevádza ho do binárnej formy, ktorú možno použiť na časovanie alebo ako index. Jednoduchým príkladom je použitie T preklápacích obvodov za sebou na vytvorenie binárneho počítadla.
Posunový register
Posuvný register je typ registra, ktorý dokáže posúvať svoje dátové bity doľava alebo doprava. Používa sa v rôznych aplikáciách, ako je napríklad sériovo-paralelné spracovanie dát, kde sa dáta serializujú alebo paralelizujú na odosielanie alebo prijímanie zo systému.
Logický ovládač
Vzhľadom na to, že klopné obvody ukladajú stavy, používajú sa v logických ovládačoch na sledovanie stavu alebo prechodu obvodu na základe vstupných udalostí. Príkladom je stavový automat, ktorý vykonáva špecifickú operáciu na základe svojho aktuálneho stavu a prijatého vstupného signálu.
Záver
Klopné obvody sú základnou súčasťou digitálnych elektronických obvodov. Prostredníctvom rôznych typov klopných obvodov, ako sú SR, D, JK a T klopné obvody, môžeme dosiahnuť širokú škálu funkcií a aplikácií, od jednoduchého ukladania dát až po komplexné logické riadenie. Pochopenie princípov fungovania klopných obvodov a ich aplikácií nám umožňuje navrhovať efektívnejšie a účinnejšie digitálne systémy podľa našich potrieb. Ako jeden z hlavných stavebných kameňov vo svete elektroniky zostanú klopné obvody kľúčovou súčasťou budúcich technologických inovácií.
