使用(yòng)Gates和应用(yòng)程序进行SR触发器设计

2021-04-27

使用(yòng)Gates和应用(yòng)程序进行SR触发器设计

我们将讨论数字電(diàn)子學(xué)中一种称為(wèi)SR触发器的基本電(diàn)路。我们将看到使用(yòng)NOR和与非门的SR触发器的基本電(diàn)路，其工作表，真值表，时钟SR触发器以及一个简单的实时应用(yòng)程序。

我们已经看到，直到電(diàn)路现在即多(duō)路复用(yòng)器，解复用(yòng)器，编码器，解码器，奇偶发生器和校验等被称為(wèi)组合逻辑電(diàn)路。在这些类型的電(diàn)路中，输出仅取决于输入的当前状态，而不取决于输入或输出的过去状态。

除了较小(xiǎo)的传播延迟外，当输入发生变化时，组合逻辑電(diàn)路的输出会立即发生变化。

还有(yǒu)另一类電(diàn)路，其输出不仅取决于当前输入，还取决于过去的输入/输出。这些类型的電(diàn)路称為(wèi)顺序逻辑電(diàn)路。我们如何获得“过去的输入/输出”数据？我们必须具有(yǒu)某种“内存”才能(néng)存储数据供以后使用(yòng)。可(kě)以存储数据并充当“存储器”单元的设备或電(diàn)路称為(wèi)锁存器或触发器。

注意：术语“锁存器”和“触发器”将作為(wèi)同义词使用(yòng)，尽管在技术上它们稍有(yǒu)不同。简而言之，触发器是时钟控制的锁存器，即，仅当存在时钟信号（取决于设计的高電(diàn)平或低電(diàn)平）时，输出才会改变。

什么是触发器？

触发器是可(kě)以存储1位数字信息的基本存储单元。它是一个双稳态電(diàn)子電(diàn)路，即具有(yǒu)两个稳定状态：高或低。由于触发器是双稳态元件，因此其输出将保持稳定状态，直到施加外部事件（称為(wèi)触发）為(wèi)止。

由于它会在施加输入后很(hěn)長(cháng)时间保留输出（除非进行任何更改），因此可(kě)以将触发器视為(wèi)可(kě)以存储一个二进制位的存储设备。

可(kě)以使用(yòng)两个串联的反相器设计一个简单的触发器，该反相器具有(yǒu)从第二反相器的输出到第一反相器的输入的反馈。以下電(diàn)路显示了使用(yòng)反相器的触发器。

设Q 1為(wèi)输入，Q 3為(wèi)输出。最初，假设反馈已断开，并且通过将其接地将Q 1设為(wèi)0（逻辑0，LOW，位0）。Q 3也将為(wèi)0。现在，如果已连接反馈并且输入Q 1与地面断开连接，则Q 3仍将继续為(wèi)0。

同样，如果不对地进行运算，如果我们对1重复相同的过程（逻辑1，高電(diàn)平，位1），则输出Q 3保持為(wèi)1。

这是具有(yǒu)两个稳定状态的简单触发器，并保持在特定状态，因此保持為(wèi)存储器，直到发生外部事件（例如这种情况下的输入更改）。

SR触发器概述

上述基于反相器的触发器仅用(yòng)于理(lǐ)解其工作原理(lǐ)，但由于没有(yǒu)提供应用(yòng)任何输入的准备，因此没有(yǒu)任何实际用(yòng)途。这就是NOR和NAND Gate出现的地方。可(kě)以使用(yòng)NOR门来实现上述基于反相器的触发器，如下所示。

忽略“R”和“S”值现在，让我们重绘上述電(diàn)路在更常规的形式和重命名Q 2為(wèi)Q和Q 3為(wèi)Q。

由此，触发器具有(yǒu)两个输入：R和S，以及两个输出：Q和Q，从图中可(kě)以明显看出，输出是相互补充的。让我们尝试分(fēn)析输入及其对应输出的不同可(kě)能(néng)性。

这里要注意的重要一点是，对于“或非”门，逻辑“ 1”是主要输入，如果其任何输入是逻辑“ 1”（高），则输出均為(wèi)逻辑“ 0”（低）。其他(tā)输入。考虑到这一点，让我们分(fēn)析上述電(diàn)路。

情况1：R = 0和S = 0

在第一种情况下，两个或非门的输入均為(wèi)逻辑“ 0”。由于它们都不是主导输入，因此它们对输出没有(yǒu)影响。因此，输出保留其先前的状态，即输出中没有(yǒu)变化。此条件称為(wèi)“保持条件”或“无更改条件”。

情况2：R = 0和S = 1

在这种情况下，“ S”输入為(wèi)1，这意味着“或非”门B的输出将变為(wèi)0。结果，“或非”门A的两个输入均变為(wèi)0，因此“或非”门A的输出也因此变為(wèi)“ 0”。 Q的值為(wèi)1（高）。由于输入S上的“ 1”使输出切换到其稳定状态之一并将其设置為(wèi)“ 1”，因此S输入被称為(wèi)SET输入。

情况3：R = 1和S = 0

在这种情况下，“ R”输入為(wèi)1，这意味着“或非”门A的输出将变為(wèi)0，即Q為(wèi)0（低）。结果，“或非”门B的两个输入都变為(wèi)0，因此“或非”门B的输出為(wèi)1（高）。由于输入R上的“ 1”使输出切换到其稳定状态之一并将其重置為(wèi)“ 0”，因此R输入被称為(wèi)RESET输入。

情况4：R = 1和S = 1

禁止此输入条件，因為(wèi)它迫使两个或非门的输出都变為(wèi)0，这违反了互补输出。即使应用(yòng)了此输入条件，如果下一个输入变為(wèi)R = 0和S = 0（保持条件），也会在“或非”门之间引起“竞争条件”，从而在输出端造成不稳定或不可(kě)预测的状态。

因此，根本不使用(yòng)输入条件R = 1和S = 1。

因此，基于上述情况和不同的输入组合，下表显示了SR触发器的真值表。

[R	小(xiǎo)号	问	状态
0	0	最后状态	没有(yǒu)变化
0	1个	1个	放
1个	0	0	重启
1个	1个	没有(yǒu)申请 （？）	禁止的

SR触发器的逻辑符号如下所示：

使用(yòng)NAND门的SR触发器（技术上讲，RS触发器）

还可(kě)以通过两个NAND门的交叉耦合来设计SR触发器，但是Hold和Forbidden状态相反。它是一个有(yǒu)源低输入SR触发器，因此我们将其称為(wèi)RS触发器。下图显示了使用(yòng)与非门的SR触发器電(diàn)路

关于“与非”门的重要一点是，其主要输入為(wèi)0，即，如果其任何输入為(wèi)逻辑“ 0”，则输出為(wèi)逻辑“ 1”，而与其他(tā)输入无关。仅当所有(yǒu)输入均為(wèi)1时，输出才為(wèi)0。牢记这一点，让我们看一下基于NAND的RS触发器的工作原理(lǐ)。

情况1：R = 1和S = 1

当S和R输入都為(wèi)HIGH时，输出保持先前状态，即，它保存先前数据。

情况2：R = 1和S = 0

当R输入為(wèi)HIGH而S输入為(wèi)LOW时，触发器将处于SET状态。当R為(wèi)高電(diàn)平时，与非门B的输出即Q变為(wèi)低電(diàn)平。这使得与非门A的两个输入都变為(wèi)低電(diàn)平，因此，与非门A的输出即Q变為(wèi)高電(diàn)平。

情况3：R = 0和S = 1

当R输入為(wèi)低電(diàn)平而S输入為(wèi)高電(diàn)平时，触发器将处于复位状态。当S為(wèi)高電(diàn)平时，与非门A的输出即Q变為(wèi)低電(diàn)平。这使得与非门B的两个输入都变為(wèi)低，因此，与非门A的输出即Q变為(wèi)高。

情况3：R = 0和S = 0

当R和S输入均為(wèi)LOW时，触发器将处于不确定状态。由于S和R的低输入违反了触发器的规则，即输出应相互补充。因此，触发器处于未定义状态（或禁止状态）。

下面的真值表总结了借助NAND门设计的SR触发器的上述工作原理(lǐ)。

[R	小(xiǎo)号	问	状态
1个	1个	最后状态	没有(yǒu)变化
1个	0	1个	放
0	1个	0	重启
0	0	没有(yǒu)申请 （？）	禁止的

使用(yòng)NAND门的RS触发器可(kě)通过将输入反相来转换為(wèi)具有(yǒu)与常规SR触发器相同的真值表。代替使用(yòng)反相器，我们可(kě)以使用(yòng)具有(yǒu)公共输入的NAND门，如下图所示。

简单的SR触发器的问题在于，它们对控制信号（尽管未在图中显示）電(diàn)平敏感，这使它们成為(wèi)透明的设备。為(wèi)了避免这种情况，引入了门控或时钟SR触发器（每当使用(yòng)术语SR触发器时，它通常是指时钟SR触发器）。时钟信号使器件对边缘敏感（因此没有(yǒu)透明性）。

时钟SR触发器–触发器

有(yǒu)两种类型的时钟SR触发器是可(kě)能(néng)的：基于NAND和基于NOR。使用(yòng)“与非”门的时钟SR触发器電(diàn)路如下所示

该電(diàn)路是通过在基于NAND的SR触发器中添加两个NAND门而形成的。当额外的与非门将输入反相时，输入為(wèi)高電(diàn)平有(yǒu)效。时钟脉冲被提供给两个额外的与非门。

因此，时钟脉冲的跃迁是该设备工作的关键因素。假设它是一个上升沿触发的器件，则该触发器的真值表如下所示。

钟	[R	小(xiǎo)号	问	状态
↓或0或1	X	X	最后状态	不变（保持）
↑	0	0	最后状态	不变（保持）
↑	0	1个	1个	放
↑	1个	0	0	重启
↑	1个	1个	没有(yǒu)申请 （？）	禁止的

通过使用(yòng)“或非”门也可(kě)以实现相同的目的。使用(yòng)“或非”门的时钟SR触发器的電(diàn)路如下所示。

该图显示了RS触发器的结构（由于R与输出Q相关联），SET和RESET的功能(néng)保持不变，即，当S為(wèi)高電(diàn)平时，Q设置為(wèi)1，而当R為(wèi)高電(diàn)平时，Q為(wèi)重置為(wèi)0。

应用(yòng)领域

SR触发器是非常简单的電(diàn)路，但由于它们的非法状态（S和R都很(hěn)高（S = R = 1）），因此并未在实际電(diàn)路中广泛使用(yòng)。但是它们用(yòng)于开关電(diàn)路，因為(wèi)它们提供了简单的开关功能(néng)（在置位和复位之间）。

一种这样的应用(yòng)是开关去抖动電(diàn)路。SR触发器用(yòng)于消除数字電(diàn)路中开关的机械抖动。

机械弹跳

机械开关在按下或释放时，通常需要一些时间并振动几次，才能(néng)稳定下来。开关的这种非理(lǐ)想行為(wèi)称為(wèi)“开关弹跳”或“机械弹跳”。这种机械弹跳将倾向于在低電(diàn)压和高電(diàn)压之间波动，这可(kě)以通过数字電(diàn)路来解释。

这可(kě)能(néng)会导致脉冲信号发生变化，并且这些不需要的脉冲序列将导致数字系统无法正常工作。

例如，在信号的这个弹跳周期中，输出電(diàn)压的波动非常大，因此寄存器对多(duō)个输入进行计数，而不是对单个输入进行计数。為(wèi)了消除这种数字電(diàn)路的行為(wèi)，我们使用(yòng)了开关去抖动電(diàn)路，在这种情况下，使用(yòng)了SR触发器。

SR触发器如何消除机械弹跳？

基于当前状态输出，如果按下设置或重置按钮，则输出将以计数一个以上信号输入的方式改变，即電(diàn)路可(kě)能(néng)接收到一些不需要的脉冲信号，因此由于机器，在Q处的输出没有(yǒu)变化。

当按下按钮时，触点将影响触发器的输入，并且当前状态将发生变化，并且对于任何其他(tā)机械开关弹跳，不会对電(diàn)路/机器产生进一步的影响。如果开关有(yǒu)任何其他(tā)输入，则不会有(yǒu)任何变化，SR触发器将在一段时间后复位。

因此，只有(yǒu)在SR触发器执行状态更改后（即，仅在接收到单个时钟脉冲信号之后），才能(néng)使用(yòng)同一开关。

开关去抖電(diàn)路的電(diàn)路如下所示。

开关的输入接地（逻辑0）。每个输入都有(yǒu)两个上拉電(diàn)阻。它们可(kě)确保在触点之间切换时，触发器输入S和R始终為(wèi)1。
可(kě)以使用(yòng)NOR SR触发器构建另一个電(diàn)路。

开关的输入连接到逻辑1。每个输入都有(yǒu)两个下拉電(diàn)阻。它们确保当开关在触点a和b之间时，触发器输入S和R始终為(wèi)0。

消除机械开关抖动的常用(yòng)IC為(wèi)MAX6816 –单输入，MAX6817 –双输入，MAX6818 –八路输入开关去抖动IC。这些IC包含带有(yǒu)SR触发器的必要配置。