一、D觸發器的基本概念

D觸發器（Data Flip-Flop或Delay Flip-Flop）是數字電子電路中一種重要的存儲器件，主要用于存儲1位二進制數據。它具有記憶功能，能夠在特定的時鐘脈沖作用下，將輸入端的信號狀態鎖存到輸出端，并保持該狀態直到下一個時鐘脈沖的到來。D觸發器是數字邏輯電路中構成多種時序電路的基本邏輯單元，因此在數字系統和計算機中有著廣泛的應用。

二、D觸發器的工作原理

時鐘信號CK通過倒相器生成反相信號CZ。D端是D觸發器的信號輸入。Q和QZ是D觸發器的輸出端。QZ通過G5輸出Q的反相信號。為了便于文字表達，通常用CZ和QZ表示!CK和!Q(用“!”表示取反NOT，和上劃線表示一樣，讀“bá”)。

G1和G2形成回路。G1的輸出通過G2連接到G1的輸入，稱為反饋(feed back)。同理，G3和G4也形成反饋回路。

當CK為高電平時，T1導通，輸入端D的信號通過G1和G2的反饋回路，使得G1的輸出始終保持為D的反相電平。此時，T2截止，呈現高阻狀態，G3不能接受G1的輸出，而是通過G3和G4的反饋回路，保持其原有的信號。

當CK為低電平時，T1截止，呈現高阻狀態，G1不能接受D的輸入信號，而是保持T1導通時輸入的信號。而T2導通，G3接受G1的輸出信號，將改變其輸出Q的信號。

等到下一個時鐘信號CK再為高電平時下一個D信號才能進入這個D觸發器。

CK為高電平期間，稱為保持狀態。CK為低電平期間，稱為傳輸狀態。

這種由時鐘控制的電路，稱為時序電路。這是由于D觸發器與時鐘信號控制來決定其信號的狀態，而且能夠保持一定的電平，所以稱為具有記憶功能的電路。

其中，由T1、G1、G2構成的電路，以及由T2、G3、G4構成的電路都稱為鎖存器(latch)。

這種D觸發器的類型稱為主從觸發器(master-slave)。前一個鎖存器為主觸發器，后一個鎖存器為從觸發器。

三、D觸發器的電路結構

觸發器主要有兩種電路結構，CMOS邏輯門如圖，和傳輸門構成的D觸發器如圖所示。

圖為CMOS邏輯門構成D觸發器

圖為傳輸門構成D觸發器

兩種電路結構實現的D觸發器功能一模一樣，我們以圖2-1為例來分析觸發工作原理。如圖2-1所示：在clk上升沿到來之前，D輸入端無論輸入任何值觸發器狀態不會改變，次態等于現態。當時鐘上升沿到來時，與時鐘信號連接的非門產生的短暫延遲，使得觸發器狀態置成D輸入端的狀態。

四、D觸發器的脈沖特性

D觸發器的脈沖特性主要體現在其觸發方式上，主要分為電平觸發和邊沿觸發兩種。

1. 電平觸發

電平觸發D觸發器在時鐘脈沖（CP）等于某一特定電平（如高電平）時即可觸發。這種觸發方式相對簡單，但在實際應用中容易受到干擾，因為只要CP保持在該電平，輸入端D的狀態變化就可能影響觸發器的輸出。因此，電平觸發D觸發器的抗干擾能力較弱。

2. 邊沿觸發

邊沿觸發D觸發器在時鐘脈沖的上升沿或下降沿觸發。這種觸發方式具有更強的抗干擾能力，因為輸入信號D的狀態變化只有在時鐘脈沖的邊沿到來時才會被觸發器捕獲并鎖存。邊沿D觸發器也被稱為維持-阻塞邊沿D觸發器，因為它在CP=1期間具有維持阻塞作用，即D端的數據狀態變化不會影響觸發器的輸出狀態。

邊沿觸發D觸發器的脈沖特性可以進一步細化為以下幾個方面：

建立時間（t_set）：指輸入信號D在時鐘脈沖邊沿到來之前必須保持穩定的最小時間。這是為了確保D端的數據在觸發器翻轉前已經穩定地傳輸到內部邏輯電路中。

保持時間（t_hold）：指時鐘脈沖邊沿到來之后，輸入信號D必須繼續保持穩定的最小時間。這是為了防止在觸發器翻轉過程中，D端的數據發生變化而導致輸出狀態錯誤。

傳輸延遲（t_pd）：指從時鐘脈沖邊沿到來到觸發器輸出狀態穩定所需的時間。這是觸發器內部邏輯電路處理輸入信號并產生輸出響應的時間延遲。

五、D觸發器的應用

D觸發器在數字系統和計算機中有著廣泛的應用，主要包括以下幾個方面：

1. 時序控制

D觸發器可以用于時序電路中，通過控制時鐘脈沖的序列來控制電路的狀態變化。例如，在計數器電路中，D觸發器可以存儲和傳遞計數信息，實現計數的功能。

2. 寄存器

D觸發器可以作為寄存器的基本單元，用于存儲和傳輸數據。在數字系統中，寄存器是存儲數據的重要部件，D觸發器通過其記憶功能，能夠穩定地保存數據并在需要時將其輸出。

3. 波形發生器

通過特定的連接方式和時鐘脈沖序列，D觸發器可以生成各種波形信號。例如，利用D觸發器的翻轉功能，可以產生方波、鋸齒波等周期性波形信號。

4. 同步電路

在同步電路中，D觸發器用于同步不同部分的時鐘信號，確保整個電路按照統一的時鐘節拍工作。這有助于減少電路中的時序錯誤和信號沖突。

D觸發器作為數字電子電路中的重要存儲器件，具有記憶功能和多種觸發方式。其結構主要由存儲單元和控制單元組成，通過控制時鐘脈沖的序列和D端的輸入信號來實現對輸出狀態的控制。D觸發器的功能包括置0、置1、保持和翻轉等，這些功能使得D觸發器在時序控制、計數器、寄存器和波形發生器等領域有著廣泛的應用。隨著數字技術的不斷發展，D觸發器的性能和功能也將不斷提升和完善。

六、基于D觸發器的音頻信號發生器電路圖

這是一個用D觸發器組成音頻信號發生器，電路原理圖如圖所示。

在電源接通后的瞬間，Q1端(第1腳)輸出為高電平，該高電平通過RP2向C2充電，當C2端電壓上升到復位電平時，Q1 端變為低電平，C2通過二極管VD2向Q1端放電。此時!Q1(Q1的取反)輸出端(第2腳)變為高電平，該高電平通過RP1向C1充電。當C1端電壓上升到置位電平時，觸發器翻轉，Q1變為高電平，!Q1變為低電平，Q1端的高電平向C2充電，C1通過二極管VD1向變為低電平的!Q1端放電，如此不斷循環，在Q1和!Q1端交替出現高、低電平，形成振蕩。因此該電路是一個無穩態的振蕩器。QI 端的振蕩信號通過電阻R1加到三極管V1的基極，經過V1放大后推動揚聲器BP發出響亮的音頻聲。