Verrous à déclenchement de front : Des verrous S-R/D aux bascules (flip-flops)

Dans les sections précédentes, nous avons examiné les verrous S-R et D qui répondent aux entrées de données seulement quand un signal d'activation (E) est actif. Pour de nombreux designs numériques, il est avantageux de confiner la réactivité du verrou à un intervalle très bref plutôt qu'à toute la durée où la ligne d'activation reste haute.

Le déclenchement de front (edge triggering) y parvient en permettant aux entrées de données d'influencer le verrou seulement pendant l'instant où le signal d'activation transitionne d'un niveau à l'autre. Cette fenêtre brève est générée par un détecteur d'impulsion qui produit une courte impulsion chaque fois que la ligne d'activation change d'état.

Ci-dessous, nous comparons les diagrammes de temporisation pour un verrou D conventionnel et un verrou D à déclenchement de front :

 

 

 

Dans le premier diagramme, la sortie suit l'entrée D aussi longtemps que le signal d'activation (E) reste haut. Une fois E revenu bas, le circuit maintient son dernier état. Dans le second diagramme, la sortie change seulement pendant le bref instant où E transitionne de bas vers haut — c'est le déclenchement par front montant (positive edge triggering).

Le déclenchement par front descendant (negative edge triggering) se comporte de façon similaire mais réagit au front descendant (transition haut-vers-bas) du signal d'activation :

 

 

Quand un verrou est piloté par un détecteur d'impulsion sur le front d'un signal d'horloge, on l'appelle bascule (flip-flop) plutôt que verrou (latch). Par conséquent, un verrou S-R à déclenchement de front devient une bascule S-R, et un verrou D à déclenchement de front devient une bascule D. L'entrée d'activation est renommée horloge (C), et les entrées de données (S, R, ou D) sont appelées synchrones car elles affectent la sortie seulement à l'instant du front d'horloge.

Comment implémenter un tel déclenchement de front ? Convertir un verrou S-R régulier en verrou commandé est direct avec quelques portes ET, mais générer une impulsion qui marque seulement le front montant ou descendant d'un signal numérique nécessite un détecteur d'impulsion dédié. Ce détecteur est effectivement un multivibrateur monostable qui produit une courte impulsion chaque fois que l'entrée bascule.

 

 

La largeur d'impulsion est déterminée par les composants à l'intérieur du détecteur. En logique d'échelle, un relais à retard temporel avec un délai très court accomplit cela :

 

 

En logique semi-conducteur, nous exploitons le délai de propagation inhérent aux portes logiques. Le signal d'entrée est divisé ; un chemin passe par une porte ou une série de portes pour le retarder légèrement. Le signal original et le signal retardé alimentent alors une porte à deux entrées qui produit une sortie haute seulement pendant que le signal retardé traîne derrière le front montant de l'original. Un exemple de circuit générant une impulsion sur une transition bas-vers-haut est montré ci-dessous :

 

 

Pour détecter un front descendant, remplacez simplement la porte ET finale par une porte NOR :

 

 

Avec un détecteur d'impulsion en place, nous pouvons convertir un verrou en bascule. Par exemple, une bascule S-R est obtenue en commandant la ligne d'activation du verrou S-R avec le détecteur d'impulsion :

 

 

Le circuit est réactif à S et R seulement quand l'horloge (C) transitionne de bas vers haut ; sinon, il reste verrouillé. Une représentation en logique d'échelle de la même bascule S-R est :

 

 

Dans le diagramme d'échelle, le contact CR3 remplace le contact d'activation original et se ferme seulement pendant la brève fenêtre où C et le contact à retard temporel TR1 sont tous deux fermés. Qu'il soit implémenté avec des portes ou des relais, les entrées S et R n'ont aucun effet à moins que C ne transitionne de 0 vers 1.

Il est important de noter que l'état invalide de la bascule S-R n'existe que pour la courte période pendant laquelle le détecteur d'impulsion permet au verrou d'être activé. Après la fermeture de cette fenêtre, les sorties se verrouillent soit dans l'état positionné, soit dans l'état réinitialisé. Cette brève condition de course — chaque porte du verrou rivalisant pour affirmer sa sortie en premier — assure que la bascule se stabilise dans un état valide, mutuellement exclusif.

Les symboles de bloc pour les bascules diffèrent légèrement de ceux des verrous. Le triangle à côté de l'entrée d'horloge indique un dispositif à déclenchement de front. Les bascules à front montant sont montrées avec un triangle simple, tandis que les dispositifs à front descendant ont une bulle sur la ligne d'horloge :

 

 

 

Les deux diagrammes illustrent des bascules qui horlogent sur le front descendant (transition haut-vers-bas) du signal d'horloge.

 

RÉVISION

• Une bascule (flip-flop) est un verrou équipé d'un détecteur d'impulsion qui lui permet de répondre seulement à un bref front montant ou descendant de l'horloge.
• Les détecteurs d'impulsion peuvent être implémentés avec des relais à retard temporel en logique d'échelle ou avec des portes semi-conductrices qui utilisent le délai de propagation.

 

FEUILLES D'EXERCICES CONNEXES

• Feuille d'exercices sur les bascules (Flip Flops)