硬件工程师必知必会系列(3):一款经典的数字二倍频电路

Author: Jackie Long

本文介绍一种经典实用的数字二倍频电路,其电路结构如下图所示:


硬件工程师必知必会系列(3):一款经典的数字二倍频电路

它由一个同或门与一个时钟上升沿有效的D触发器(连接成翻转器)组成,其中clk_in为外部输入时钟周期信号,clk_out为二倍频输出信号,下图为其输入输出波形:

硬件工程师必知必会系列(3):一款经典的数字二倍频电路

在t0时刻,clk_in为低电平,D触发器为复位状态(即Q=0、Q#=1),这样Q#与clk_in经"同或门"后为低电平(异出为0),此时为初始稳定状态,如下图所示:

硬件工程师必知必会系列(3):一款经典的数字二倍频电路

当t1时刻到来时,clk_in时钟变为高电平,此时D触发器尚未翻转,"同或门"另一输入引脚亦仍为高电平,则"同或门"输出转变为高电平(同出为"1"),同时此输出作为有效时钟上升沿触发D触发器翻转,则有Q=1、Q#=0,如下图所示:

硬件工程师必知必会系列(3):一款经典的数字二倍频电路

这个状态并非稳定状态,从上图可以看出,D触发器输出与"同或门"输入是连接在一起的,却有两个不同的电平,这是不可能存在的稳定状态,当D触发器翻转变化后的低电平经"同或门"后,输出又变成0,此时是另一个稳定状态,也就是t2时刻到来了。

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之后每次输入信号变化一次,则重复一次稳定状态→不稳定状态→稳定状态的变化。

从D触发器翻转输出至"同或门"输出变化那一段时间,称为延时(Tdelay),在这个电路里也就是高电平宽度。在74系列逻辑器件中,这个延时值大约为几十个纳秒(ns),在可编程逻辑(FPGA/CPLD中)则只有几个纳秒,可以通过在这个延时链路上插入多个缓冲器来增加高电平的宽度(也就是占空比),如下图所示:

硬件工程师必知必会系列(3):一款经典的数字二倍频电路

如果需要精确的延时,还应该将寄存器的TCO算入,D触发器有效时钟沿到来后,经过时间TCO后才会有稳定的输出,如下图所示:

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