در دنیای الکترونیک و شمارنده دیجیتال فلیپ‌فلاپ ( Flip-flop) یا لچ (latch) نوعی مدار الکتریکی است که داری دو حالت پایدار است و می‌تواند یک بیت که حاوی حالت فلیپ فلاپ است را در خود ذخیره کند.
مدار الکتریکی می‌تواند طوری ساخته شده باشد، که به وسیله سیگنال‌های که از یک یا چند ورودی می گیرد همزمان یک یا چند خروجی را تولید کند. یک فلیپ فلاپ یکی از حافظه‌های اولیه در مدارهای ترتیبی می‌باشد. بنابراین فلیپ فلاپ را یک «مدار نوسان ساز بای-استیبل» می نامند.
در این نوشته از آسونیک قصد داریم درباره فلیپ فلاپ ها و کاربرد های آن ها برای شما صحبت کنیم.
مدارهای منطقی ترتیبی
مدارهای منطقی ترتیبی از فلیپ فلاپ ها به عنوان عناصر حافظه استفاده می کنند و خروجی آنها به حالت ورودی بستگی دارد.
برخلاف مدارهای منطق ترکیبی که بسته به سیگنال های واقعیِ اعمال شده به ورودی های آنها، در آن زمان تغییر حالت می‌دهند. مدارهای منطق متوالی دارای نوعی «حافظه» ذاتی هستند.
این بدان معنی است که مدارهای منطقی ترتیبی می توانند حالت ورودی قبلی خود و همچنین موارد موجود را در نظر بگیرند، نوعی اثر “قبل” و “پس از” با مدارهای متوالی درگیر است.
به عبارت دیگر، وضعیت خروجی یک “مدار منطقی ترتیبی” تابعی از سه حالت زیر است، “ورودی فعلی”، “ورودی گذشته” و/یا “خروجی گذشته”. مدارهای منطق ترتیبی این شرایط را به خاطر می آورند و تا زمانی که سیگنال ساعت بعدی یکی از حالت ها را تغییر دهد، در حالت فعلی خود ثابت می مانند و به مدارهای منطقی متوالی “حافظه” می دهند.
مطالب پیشنهادی
مدارهای منطقی متوالی به طور کلی به عنوان دستگاه های دو حالته یا Bistable نامیده می شوند که می توانند خروجی یا خروجی های خود را در یکی از دو حالت اصلی، یک سطح منطقی “1” یا یک سطح منطقی “0” تنظیم کنند و “چفت” باقی بمانند (از این رو نام آن لچ است. ) به طور نامحدود در این وضعیت یا شرایط فعلی تا زمانی که یک پالس یا سیگنال ورودی دیگر اعمال شود که باعث می شود bistable یک بار دیگر وضعیت خود را تغییر دهد.
بازنمایی منطق متوالی
کلمه “Sequential” به این معنی است که رویدادها در یک “توالی”، یکی پس از دیگری اتفاق می‌افتند و در مدارهای Sequential Logic، سیگنال ساعت واقعی تعیین می‌کند که بعداً چه زمانی اتفاق می‌افتد. مدارهای منطقی متوالی ساده را می توان از مدارهای استاندارد Bistable مانند: فلیپ فلاپ ها، لچ ها و شمارنده ها ساخت که خود می توانند با اتصال ساده دروازه های NAND جهانی و/یا دروازه های NOR به روش ترکیبی خاصی برای تولید مدار ترتیبی مورد نیاز ساخته شوند.
طبقه بندی منطق ترتیبی
از آنجایی که گیت های منطقی استاندارد بلوک های سازنده مدارهای ترکیبی هستند، چفت های دوپایه و فلیپ فلاپ ها بلوک های ساختمانی اصلی مدارهای منطقی متوالی هستند.
مدارهای منطقی متوالی را می توان برای تولید فلیپ فلاپ های ساده یا مدارهای متوالی پیچیده تر مانند ثبات های ذخیره سازی، ثبات های شیفت، دستگاه های حافظه یا شمارنده ها ساخت. در هر صورت مدارهای منطقی ترتیبی را می توان به سه دسته اصلی زیر تقسیم کرد:
- Event Driven – مدارهای ناهمزمان که بلافاصله پس از فعال شدن تغییر حالت می دهند.
- Clock Driven – مدارهای سنکرون که با یک سیگنال ساعت خاص هماهنگ می شوند.
- Pulse Driven – که ترکیبی از این دو است که به پالس های تحریک کننده پاسخ می دهد.
علاوه بر دو حالت منطقی ذکر شده در سطح منطقی “1” و سطح منطقی “0”، عنصر سومی معرفی شده است که مدارهای منطقی متوالی را از همتایان منطق ترکیبی آنها، یعنی TIME جدا می کند. مدارهای منطقی متوالی پس از تنظیم مجدد به حالت ثابت اولیه خود باز می گردند و مدارهای متوالی با حلقه یا مسیرهای بازخورد ماهیت “چرخه ای” دارند.
اکنون می دانیم که در مدارهای متوالی تغییرات فقط با اعمال یک سیگنال ساعت که آن را همزمان می کند رخ می دهد، در غیر این صورت مدار ناهمزمان است و به ورودی خارجی بستگی دارد. مدارهای متوالی برای حفظ حالت فعلی خود به بازخورد متکی هستند و این زمانی اتفاق می افتد که کسری از خروجی به ورودی بازگردانده می شود و این به صورت زیر نشان داده می شود
دو اینورتر یا گیت NOT به صورت سری با خروجی Q به ورودی متصل می شوند. متأسفانه، این پیکربندی هرگز حالت را تغییر نمی دهد زیرا خروجی همیشه یکسان خواهد بود، یا “1” یا “0”، به طور دائم تنظیم می شود. با این حال، ما می‌توانیم با بررسی اساسی‌ترین مؤلفه‌های منطق متوالی، به نام فلیپ فلاپ SR، نحوه عملکرد بازخورد را ببینیم.
مطالب پیشنهادی
شمارنده های دیجیتال چگونه کار می کنند؟
کاربرد فلیپ فلاپ
اینها انواع مختلفی از فلیپ فلاپ ها هستند که در مدارهای الکترونیکی دیجیتال استفاده می شوند و کاربردهای فلیپ فلاپ به شرح زیر است:
- شمارنده ها
- ثبات ها (رجیستر ها)
- انتقال داده
شمارنده ها
شمارنده یک مدار متوالی است. مدار دیجیتالی که برای شمارش پالس ها استفاده می شود شمارنده شناخته شده است. کانتر گسترده ترین کاربرد فلیپ فلاپ ها است. این یک گروه از فلیپ فلاپ ها با سیگنال ساعت اعمال می شود. شمارنده ها دو نوع هستند.
شمارنده های ناهمزمان یا موج دار.
شمارنده های سنکرون
ثبات ها (رجیستر ها)
مدار زیر را در نظر بگیرید
در اینجا دو گیت NAND وجود دارد که خروجی های آنها به صورت متقابل به یک ورودی در هر کدام متصل است. این ترتیب از بازخورد استفاده می کند. وقتی R و S 1 باشند، مدار دارای دو حالت پایدار است: Q می تواند 1 و Q’ 0 باشد، یا Q می تواند 0 و Q’ 1 باشد. فرض کنید مدار دارای Q = 1 است. اگر S به 0 برود، حتی به صورت لحظه ای، مدار حالت‌ها را برمی‌گرداند و Q تبدیل به 0 می‌شود. اگر S به 1 برگردد، Q 0 (و Q’ 1) باقی می‌ماند.
مدار “به یاد می آورد” که S در زمانی در گذشته 0 بوده است. سپس، اگر R به 0 برود، مدار به حالت اولیه باز می گردد، با Q = 1 و Q’ = 0. این رفتار برای مدارهایی که داده ها را نگه می دارند، مرکزی است. این مدارها در حافظه کامپیوتر و رجیسترها استفاده می شوند. مدار بالا را چفت R-S (تنظیم مجدد) می نامند. این مدار مرکزی مدارهای پیچیده تر به نام فلیپ فلاپ است.
انتقال داده
ورودی های ناهمزمان به فلیپ فلاپ ها
استفاده‌های معمولی انتقال داده از فلیپ فلاپ‌ها از ورودی‌هایی استفاده می‌کنند که ورودی‌های «کنترل» یا «همگام» نامیده می‌شوند. اغلب، تغییرات خروجی از فلیپ فلاپ ها زمانی اتفاق می افتد که داده ها به طور همزمان با یک پالس ساعت به این ورودی ها اعمال شوند.
مجموعه دیگری از ورودی‌ها به نام مجموعه ناهمزمان و ورودی‌های شفاف وجود دارد که بدون توجه به آنچه در ورودی‌های دیگر می‌گذرد، وضعیت فلیپ فلاپ را تغییر می‌دهد – آنها ورودی‌های نادیده‌گیری هستند که می‌توانند یک حالت معین را به فلیپ فلاپ وادار کنند. آنها در انتقال داده های ناهمزمان استفاده می شوند.
انواع فلیپ فلیپ قابل استفاده
فلیپ فلاپ SR
فلیپ فلاپ SR که با نام SR Latch نیز شناخته می شود، می تواند به عنوان یکی از اساسی ترین مدارهای منطقی ترتیبی ممکن در نظر گرفته شود. این فلیپ فلاپ ساده اساساً یک دستگاه دو پایدار حافظه یک بیتی است که دارای دو ورودی است، یکی که دستگاه را “تنظیم” می کند (به معنای خروجی = “1”)، و دارای برچسب S است و یکی که دستگاه را “RESET” می کند. (به معنی خروجی = “0”)، با برچسب R.
سپس توضیحات SR مخفف “Set-Reset” است. ورودی ریست فلیپ فلاپ را با خروجی Q که بسته به این شرایط تنظیم/تنظیم مجدد یا در سطح منطقی “1” یا منطقی “0” خواهد بود، به حالت اولیه خود بازنشانی می کند.
یک مدار فلیپ فلاپ گیت NAND پایه SR بازخوردی را از هر دو خروجی خود به ورودی های مخالف خود ارائه می دهد و معمولاً در مدارهای حافظه برای ذخیره یک بیت داده استفاده می شود. سپس فلیپ فلاپ SR در واقع سه ورودی دارد، Set، Reset و خروجی فعلی Q مربوط به وضعیت فعلی یا تاریخچه آن است.
اصطلاح “Flip-flop” به عملکرد واقعی دستگاه مربوط می شود، زیرا می توان آن را به یک حالت تنظیم منطقی “برگرداند” یا به حالت بازنشانی منطقی مخالف “فلاپ” کرد.
فلیپ فلاپ JK
فلیپ فلاپ JK شبیه فلیپ فلاپ SR است اما وقتی ورودی های J و K هر دو LOW هستند، تغییری در وضعیت ایجاد نمی شود.
مدار فلیپ فلاپ اصلی S-R NAND دارای مزایا و کاربردهای زیادی در مدارهای منطقی متوالی است اما از دو مشکل کلیدزنی اساسی رنج می برد.
- از شرط Set = 0 و Reset = 0 (S = R = 0) همیشه باید اجتناب شود
- اگر Set یا Reset تغییر حالت دهد در حالی که ورودی فعال (EN) زیاد است، عمل قفل صحیح ممکن است رخ ندهد
سپس برای غلبه بر این دو مشکل اساسی طراحی با طراحی فلیپ فلاپ SR، فلیپ فلاپ JK توسعه یافت.
این فلیپ فلاپ ساده JK بیشترین استفاده را در بین تمام طرح های فلیپ فلاپ دارد و به عنوان یک مدار فلیپ فلاپ جهانی در نظر گرفته می شود. دو ورودی با برچسب “J” و “K” حروف کوتاه شده کلمات دیگر، مانند “S” برای Set و “R” برای Reset نیستند، بلکه خود حروف مستقلی هستند که توسط مخترع آن جک کیلبی برای تشخیص تلنگر انتخاب شده است.
طراحی فلاپ از انواع دیگر
عملکرد متوالی فلیپ فلاپ JK دقیقاً مانند فلیپ فلاپ SR قبلی با همان ورودی های “Set” و “Reset” است. تفاوت این بار در این است که “فلیپ فلاپ JK” هیچ حالت ورودی نامعتبر یا ممنوعی از لچ SR ندارد، حتی زمانی که S و R هر دو در منطق “1” هستند.
فلیپ فلاپ JK اساساً یک فلیپ فلاپ SR دردار با اضافه کردن یک مدار ورودی ساعت است که از شرایط خروجی غیرقانونی یا نامعتبر جلوگیری می کند که ممکن است وقتی هر دو ورودی S و R برابر با سطح منطقی “1” باشند، رخ دهد.
با توجه به این ورودی کلاک اضافی، یک فلیپ فلاپ JK دارای چهار ترکیب ورودی ممکن است، “منطق 1″، “منطق 0″، “بدون تغییر” و “تغییر”. نماد فلیپ فلاپ JK مشابه نماد SR Bistable Latch است که در آموزش قبلی دیده شد به جز اضافه کردن ورودی ساعت.
فلیپ فلاپ D
فلیپ فلاپ نوع D یک فلیپ فلاپ Set-Reset اصلاح شده با اضافه کردن یک اینورتر برای جلوگیری از قرار گرفتن ورودی های S و R در یک سطح منطقی است.
یکی از معایب اصلی مدار پایه SR NAND Gate Bistable این است که شرایط ورودی نامشخص SET = “0” و RESET = “0” ممنوع است.
این حالت هر دو خروجی را مجبور می کند که در منطق “1” قرار گیرند، بر عمل بازخورد فیدبک غلبه می کند و هر ورودی که ابتدا به سطح منطقی “1” برود، کنترل را از دست می دهد، در حالی که ورودی دیگر هنوز در منطق “0” حالت حاصل را کنترل می کند. از چفت
اما برای جلوگیری از این اتفاق می توان یک اینورتر را بین ورودی های “SET” و “RESET” وصل کرد تا نوع دیگری از مدار فلیپ فلاپ به نام Data Latch، Delay Flip Flop، D-type Bistable، D-type تولید کند. فلیپ فلاپ یا فقط یک فلیپ فلاپ D به طور کلی تر.
فلیپ فلاپ T
فلیپ فلاپ های ضامن مدارهای منطقی متوالی هستند که اغلب به عنوان عناصر ذخیره سازی دو بیتی تک بیتی در شمارنده ها، بخش های حافظه یا به عنوان تقسیم کننده فرکانس در پاسخ به یک پالس ساعت استفاده می شوند.
فلیپ فلاپ T نوع دیگری از مدار منطقی متوالی دوپایایی است که در مدار فلیپ فلاپ کلاک قبلی JK است. فلیپ فلاپ ضامن را می توان به عنوان یک عنصر دیجیتال پایه برای ذخیره یک بیت از اطلاعات، به عنوان تقسیم بر دو یا به عنوان شمارنده استفاده کرد.
فلیپ فلاپ های ضامن دارای یک ورودی واحد و یک یا دو خروجی مکمل Q و Q هستند که در لبه مثبت (لبه بالارونده) یا لبه منفی (لبه در حال سقوط) سیگنال ساعت ورودی یا پالس تغییر حالت می دهند.
فلیپ فلاپ های ضامن، TFF یا به سادگی فلیپ فلاپ های نوع T به عنوان یک تراشه منطقی اختصاصی TTL یا CMOS به صورت تجاری در دسترس نیستند، آنها را می توان به راحتی با اتصال ورودی های J و K یک فلیپ فلاپ اصلی JK در جایی که به یکدیگر متصل کرد، ساخت. ورودی J مانند دستور( Set (S و ورودی K مانند دستور( Reset (R عمل می کند.
آی سی فلیپ فلاپ
فلیپ فلاپ آی سی (مدار مجتمع) یک دستگاه نیمه هادی است که در مدار فلیپ فلاپ استفاده می شود – نوعی مدار که دارای دو حالت پایدار است. مدارهای فلیپ فلاپ عمدتاً در رایانه ها برای ذخیره و انتقال داده استفاده می شوند. اجزای RS طیف گسترده ای از قطعات الکترونیکی با کیفیت بالا را از برندهای پیشرو از جمله Nexperia، Texas Instruments، ON Semiconductor و Toshiba ارائه می دهند.
مدارهای فلیپ فلاپ چگونه کار می کنند؟
مدارهای فلیپ فلاپ مدارهای غیر خطی هستند، به این معنی که خروجی یکی از گیت‌های آن (دستگاه‌هایی که به یک سیستم الکترونیکی اجازه می‌دهند بر اساس تعداد ورودی‌هایش تصمیم بگیرد) به عقب برگشت داده می‌شود تا با سیگنال ورودی پردازش شود.
مدارهای فلیپ فلاپ بر روی یک سیگنال ورودی مخلوط شده با سیگنال خروجی قبلی کار می کنند تا خروجی های خود به حالت قبلی خود وابسته باشند. مدارهای فلیپ فلاپ از این جهت که دارای ورودی سیگنال کنترلی (ساعت) هستند با لچ ها متفاوت هستند.
انواع آی سی های فلیپ فلاپ
چهار نوع اصلی از دستگاه ها با توابع منطقی زیر وجود دارد.
- فلیپ فلاپ SR – (تنظیم-بازنشانی)
- فلیپ فلاپ نوع D – (داده)
- T Flip-Flop – (تغییر)
- جی کی فلیپ فلاپ
همه این دستگاه ها در بسته بندی های استاندارد صنعتی، تعداد پین ها، پین اوت ها و انواع نصب موجود هستند.
آی سی های فلیپ فلاپ برای چه مواردی استفاده می شود؟
آی سی های فلیپ فلاپ می توانند اطلاعات را ذخیره کنند. با اتصال چندین آی سی فلیپ فلاپ به یکدیگر، می توانید داده هایی را ذخیره کنید که می توانند وضعیت یک ترتیب دهنده، مقدار شمارنده یا یک کاراکتر ASCII را در حافظه کامپیوتر نشان دهند. دستگاه ها در طیف گسترده ای از برنامه های الکترونیکی و مدارهای دیجیتال استفاده می شوند. برخی از رایج ترین آنها هستند
- تقسیم کننده های فرکانس
- شمارنده ها
- ریجسترها
- ثبت های ذخیره سازی
سخن پایانی
در این مقاله فلیپ فلاپ و انواع فلیپ فلاپ ها و کاربرد آنها در مدار های الکترونیکی و کارایی آنها در مدارهای منطقی ترتیبی مورد بحث و بررسی قرار گرفتند. اگر اطلاعات دیگری در مورد فلیپ فلاپ ها می دانید خوشحال میشویم از بخش نظرات با ما به اشتراک بگذارید.
