基于D触发器的音频信号发生器电路图 D触发器的工作原理和脉冲特性

一、D触发器的基本概念

D触发器（Data Flip-Flop或Delay Flip-Flop）是数字电子电路中一种重要的存储器件，主要用于存储1位二进制数据。它具有记忆功能，能够在特定的时钟脉冲作用下，将输入端的信号状态锁存到输出端，并保持该状态直到下一个时钟脉冲的到来。D触发器是数字逻辑电路中构成多种时序电路的基本逻辑单元，因此在数字系统和计算机中有着广泛的应用。

二、D触发器的工作原理

时钟信号CK通过倒相器生成反相信号CZ。D端是D触发器的信号输入。Q和QZ是D触发器的输出端。QZ通过G5输出Q的反相信号。为了便于文字表达，通常用CZ和QZ表示!CK和!Q(用“!”表示取反NOT，和上划线表示一样，读“bá”)。

G1和G2形成回路。G1的输出通过G2连接到G1的输入，称为反馈(feed back)。同理，G3和G4也形成反馈回路。

当CK为高电平时，T1导通，输入端D的信号通过G1和G2的反馈回路，使得G1的输出始终保持为D的反相电平。此时，T2截止，呈现高阻状态，G3不能接受G1的输出，而是通过G3和G4的反馈回路，保持其原有的信号。

当CK为低电平时，T1截止，呈现高阻状态，G1不能接受D的输入信号，而是保持T1导通时输入的信号。而T2导通，G3接受G1的输出信号，将改变其输出Q的信号。

等到下一个时钟信号CK再为高电平时下一个D信号才能进入这个D触发器。

CK为高电平期间，称为保持状态。CK为低电平期间，称为传输状态。

这种由时钟控制的电路，称为时序电路。这是由于D触发器与时钟信号控制来决定其信号的状态，而且能够保持一定的电平，所以称为具有记忆功能的电路。

其中，由T1、G1、G2构成的电路，以及由T2、G3、G4构成的电路都称为锁存器(latch)。

这种D触发器的类型称为主从触发器(master-slave)。前一个锁存器为主触发器，后一个锁存器为从触发器。

三、D触发器的电路结构

触发器主要有两种电路结构，CMOS逻辑门如图，和传输门构成的D触发器如图所示。

图为CMOS逻辑门构成D触发器

图为传输门构成D触发器

两种电路结构实现的D触发器功能一模一样，我们以图2-1为例来分析触发工作原理。如图2-1所示：在clk上升沿到来之前，D输入端无论输入任何值触发器状态不会改变，次态等于现态。当时钟上升沿到来时，与时钟信号连接的非门产生的短暂延迟，使得触发器状态置成D输入端的状态。

四、D触发器的脉冲特性

D触发器的脉冲特性主要体现在其触发方式上，主要分为电平触发和边沿触发两种。

1. 电平触发

电平触发D触发器在时钟脉冲（CP）等于某一特定电平（如高电平）时即可触发。这种触发方式相对简单，但在实际应用中容易受到干扰，因为只要CP保持在该电平，输入端D的状态变化就可能影响触发器的输出。因此，电平触发D触发器的抗干扰能力较弱。

2. 边沿触发

边沿触发D触发器在时钟脉冲的上升沿或下降沿触发。这种触发方式具有更强的抗干扰能力，因为输入信号D的状态变化只有在时钟脉冲的边沿到来时才会被触发器捕获并锁存。边沿D触发器也被称为维持-阻塞边沿D触发器，因为它在CP=1期间具有维持阻塞作用，即D端的数据状态变化不会影响触发器的输出状态。

边沿触发D触发器的脉冲特性可以进一步细化为以下几个方面：

建立时间（t_set）：指输入信号D在时钟脉冲边沿到来之前必须保持稳定的最小时间。这是为了确保D端的数据在触发器翻转前已经稳定地传输到内部逻辑电路中。

保持时间（t_hold）：指时钟脉冲边沿到来之后，输入信号D必须继续保持稳定的最小时间。这是为了防止在触发器翻转过程中，D端的数据发生变化而导致输出状态错误。

传输延迟（t_pd）：指从时钟脉冲边沿到来到触发器输出状态稳定所需的时间。这是触发器内部逻辑电路处理输入信号并产生输出响应的时间延迟。

五、D触发器的应用

D触发器在数字系统和计算机中有着广泛的应用，主要包括以下几个方面：

1. 时序控制

D触发器可以用于时序电路中，通过控制时钟脉冲的序列来控制电路的状态变化。例如，在计数器电路中，D触发器可以存储和传递计数信息，实现计数的功能。

2. 寄存器

D触发器可以作为寄存器的基本单元，用于存储和传输数据。在数字系统中，寄存器是存储数据的重要部件，D触发器通过其记忆功能，能够稳定地保存数据并在需要时将其输出。

3. 波形发生器

通过特定的连接方式和时钟脉冲序列，D触发器可以生成各种波形信号。例如，利用D触发器的翻转功能，可以产生方波、锯齿波等周期性波形信号。

4. 同步电路

在同步电路中，D触发器用于同步不同部分的时钟信号，确保整个电路按照统一的时钟节拍工作。这有助于减少电路中的时序错误和信号冲突。

D触发器作为数字电子电路中的重要存储器件，具有记忆功能和多种触发方式。其结构主要由存储单元和控制单元组成，通过控制时钟脉冲的序列和D端的输入信号来实现对输出状态的控制。D触发器的功能包括置0、置1、保持和翻转等，这些功能使得D触发器在时序控制、计数器、寄存器和波形发生器等领域有着广泛的应用。随着数字技术的不断发展，D触发器的性能和功能也将不断提升和完善。

六、基于D触发器的音频信号发生器电路图

这是一个用D触发器组成音频信号发生器，电路原理图如图所示。

在电源接通后的瞬间，Q1端(第1脚)输出为高电平，该高电平通过RP2向C2充电，当C2端电压上升到复位电平时，Q1 端变为低电平，C2通过二极管VD2向Q1端放电。此时!Q1(Q1的取反)输出端(第2脚)变为高电平，该高电平通过RP1向C1充电。当C1端电压上升到置位电平时，触发器翻转，Q1变为高电平，!Q1变为低电平，Q1端的高电平向C2充电，C1通过二极管VD1向变为低电平的!Q1端放电，如此不断循环，在Q1和!Q1端交替出现高、低电平，形成振荡。因此该电路是一个无稳态的振荡器。QI 端的振荡信号通过电阻R1加到三极管V1的基极，经过V1放大后推动扬声器BP发出响亮的音频声。