使用Gates和應用程序進行SR觸發器設計

2021-04-27

使用Gates和應用程序進行SR觸發器設計

我們將討論數字電子學中一種稱為SR觸發器的基本電路。我們將看到使用NOR和與非門的SR觸發器的基本電路，其工作表，真值表，時鐘SR觸發器以及一個簡單的實時應用程序。

我們已經看到，直到電路現在即多路復用器，解復用器，編碼器，解碼器，奇偶發生器和校驗等被稱為組合邏輯電路。在這些類型的電路中，輸出僅取決于輸入的當前狀態，而不取決于輸入或輸出的過去狀態。

除了較小的傳播延遲外，當輸入發生變化時，組合邏輯電路的輸出會立即發生變化。

還有另一類電路，其輸出不僅取決于當前輸入，還取決于過去的輸入/輸出。這些類型的電路稱為順序邏輯電路。我們如何獲得“過去的輸入/輸出”數據？我們必須具有某種“內存”才能存儲數據供以后使用?？梢源鎯祿⒊洚?span>“存儲器”單元的設備或電路稱為鎖存器或觸發器。

注意：術語“鎖存器”和“觸發器”將作為同義詞使用，盡管在技術上它們稍有不同。簡而言之，觸發器是時鐘控制的鎖存器，即，僅當存在時鐘信號（取決于設計的高電平或低電平）時，輸出才會改變。

什么是觸發器？

觸發器是可以存儲1位數字信息的基本存儲單元。它是一個雙穩態電子電路，即具有兩個穩定狀態：高或低。由于觸發器是雙穩態元件，因此其輸出將保持穩定狀態，直到施加外部事件（稱為觸發）為止。

由于它會在施加輸入后很長時間保留輸出（除非進行任何更改），因此可以將觸發器視為可以存儲一個二進制位的存儲設備。

可以使用兩個串聯的反相器設計一個簡單的觸發器，該反相器具有從第二反相器的輸出到第一反相器的輸入的反饋。以下電路顯示了使用反相器的觸發器。

設Q 1為輸入，Q 3為輸出。最初，假設反饋已斷開，并且通過將其接地將Q 1設為0（邏輯0，LOW，位0）。Q 3也將為0。現在，如果已連接反饋并且輸入Q 1與地面斷開連接，則Q 3仍將繼續為0。

同樣，如果不對地進行運算，如果我們對1重復相同的過程（邏輯1，高電平，位1），則輸出Q 3保持為1。

這是具有兩個穩定狀態的簡單觸發器，并保持在特定狀態，因此保持為存儲器，直到發生外部事件（例如這種情況下的輸入更改）。

SR觸發器概述

上述基于反相器的觸發器僅用于理解其工作原理，但由于沒有提供應用任何輸入的準備，因此沒有任何實際用途。這就是NOR和NAND Gate出現的地方。可以使用NOR門來實現上述基于反相器的觸發器，如下所示。

忽略“R”和“S”值現在，讓我們重繪上述電路在更常規的形式和重命名Q 2為Q和Q 3為Q。

由此，觸發器具有兩個輸入：R和S，以及兩個輸出：Q和Q，從圖中可以明顯看出，輸出是相互補充的。讓我們嘗試分析輸入及其對應輸出的不同可能性。

這里要注意的重要一點是，對于“或非”門，邏輯“ 1”是主要輸入，如果其任何輸入是邏輯“ 1”（高），則輸出均為邏輯“ 0”（低）。其他輸入。考慮到這一點，讓我們分析上述電路。

情況1：R = 0和S = 0

在第一種情況下，兩個或非門的輸入均為邏輯“ 0”。由于它們都不是主導輸入，因此它們對輸出沒有影響。因此，輸出保留其先前的狀態，即輸出中沒有變化。此條件稱為“保持條件”或“無更改條件”。

情況2：R = 0和S = 1

在這種情況下，“ S”輸入為1，這意味著“或非”門B的輸出將變為0。結果，“或非”門A的兩個輸入均變為0，因此“或非”門A的輸出也因此變為“ 0”。 Q的值為1（高）。由于輸入S上的“ 1”使輸出切換到其穩定狀態之一并將其設置為“ 1”，因此S輸入被稱為SET輸入。

情況3：R = 1和S = 0

在這種情況下，“ R”輸入為1，這意味著“或非”門A的輸出將變為0，即Q為0（低）。結果，“或非”門B的兩個輸入都變為0，因此“或非”門B的輸出為1（高）。由于輸入R上的“ 1”使輸出切換到其穩定狀態之一并將其重置為“ 0”，因此R輸入被稱為RESET輸入。

情況4：R = 1和S = 1

禁止此輸入條件，因為它迫使兩個或非門的輸出都變為0，這違反了互補輸出。即使應用了此輸入條件，如果下一個輸入變為R = 0和S = 0（保持條件），也會在“或非”門之間引起“競爭條件”，從而在輸出端造成不穩定或不可預測的狀態。

因此，根本不使用輸入條件R = 1和S = 1。

因此，基于上述情況和不同的輸入組合，下表顯示了SR觸發器的真值表。

[R	小號	問	狀態
0	0	最后狀態	沒有變化
0	1個	1個	放
1個	0	0	重啟
1個	1個	沒有申請 （？）	禁止的

SR觸發器的邏輯符號如下所示：

使用NAND門的SR觸發器（技術上講，RS觸發器）

還可以通過兩個NAND門的交叉耦合來設計SR觸發器，但是Hold和Forbidden狀態相反。它是一個有源低輸入SR觸發器，因此我們將其稱為RS觸發器。下圖顯示了使用與非門的SR觸發器電路

關于“與非”門的重要一點是，其主要輸入為0，即，如果其任何輸入為邏輯“ 0”，則輸出為邏輯“ 1”，而與其他輸入無關。僅當所有輸入均為1時，輸出才為0。牢記這一點，讓我們看一下基于NAND的RS觸發器的工作原理。

情況1：R = 1和S = 1

當S和R輸入都為HIGH時，輸出保持先前狀態，即，它保存先前數據。

情況2：R = 1和S = 0

當R輸入為HIGH而S輸入為LOW時，觸發器將處于SET狀態。當R為高電平時，與非門B的輸出即Q變為低電平。這使得與非門A的兩個輸入都變為低電平，因此，與非門A的輸出即Q變為高電平。

情況3：R = 0和S = 1

當R輸入為低電平而S輸入為高電平時，觸發器將處于復位狀態。當S為高電平時，與非門A的輸出即Q變為低電平。這使得與非門B的兩個輸入都變為低，因此，與非門A的輸出即Q變為高。

情況3：R = 0和S = 0

當R和S輸入均為LOW時，觸發器將處于不確定狀態。由于S和R的低輸入違反了觸發器的規則，即輸出應相互補充。因此，觸發器處于未定義狀態（或禁止狀態）。

下面的真值表總結了借助NAND門設計的SR觸發器的上述工作原理。

[R	小號	問	狀態
1個	1個	最后狀態	沒有變化
1個	0	1個	放
0	1個	0	重啟
0	0	沒有申請 （？）	禁止的

使用NAND門的RS觸發器可通過將輸入反相來轉換為具有與常規SR觸發器相同的真值表。代替使用反相器，我們可以使用具有公共輸入的NAND門，如下圖所示。

簡單的SR觸發器的問題在于，它們對控制信號（盡管未在圖中顯示）電平敏感，這使它們成為透明的設備。為了避免這種情況，引入了門控或時鐘SR觸發器（每當使用術語SR觸發器時，它通常是指時鐘SR觸發器）。時鐘信號使器件對邊緣敏感（因此沒有透明性）。

時鐘SR觸發器–觸發器

有兩種類型的時鐘SR觸發器是可能的：基于NAND和基于NOR。使用“與非”門的時鐘SR觸發器電路如下所示

該電路是通過在基于NAND的SR觸發器中添加兩個NAND門而形成的。當額外的與非門將輸入反相時，輸入為高電平有效。時鐘脈沖被提供給兩個額外的與非門。

因此，時鐘脈沖的躍遷是該設備工作的關鍵因素。假設它是一個上升沿觸發的器件，則該觸發器的真值表如下所示。

鐘	[R	小號	問	狀態
↓或0或1	X	X	最后狀態	不變（保持）
↑	0	0	最后狀態	不變（保持）
↑	0	1個	1個	放
↑	1個	0	0	重啟
↑	1個	1個	沒有申請 （？）	禁止的

通過使用“或非”門也可以實現相同的目的。使用“或非”門的時鐘SR觸發器的電路如下所示。

該圖顯示了RS觸發器的結構（由于R與輸出Q相關聯），SET和RESET的功能保持不變，即，當S為高電平時，Q設置為1，而當R為高電平時，Q為重置為0。

應用領域

SR觸發器是非常簡單的電路，但由于它們的非法狀態（S和R都很高（S = R = 1）），因此并未在實際電路中廣泛使用。但是它們用于開關電路，因為它們提供了簡單的開關功能（在置位和復位之間）。

一種這樣的應用是開關去抖動電路。SR觸發器用于消除數字電路中開關的機械抖動。

機械彈跳

機械開關在按下或釋放時，通常需要一些時間并振動幾次，才能穩定下來。開關的這種非理想行為稱為“開關彈跳”或“機械彈跳”。這種機械彈跳將傾向于在低電壓和高電壓之間波動，這可以通過數字電路來解釋。

這可能會導致脈沖信號發生變化，并且這些不需要的脈沖序列將導致數字系統無法正常工作。

例如，在信號的這個彈跳周期中，輸出電壓的波動非常大，因此寄存器對多個輸入進行計數，而不是對單個輸入進行計數。為了消除這種數字電路的行為，我們使用了開關去抖動電路，在這種情況下，使用了SR觸發器。

SR觸發器如何消除機械彈跳？

基于當前狀態輸出，如果按下設置或重置按鈕，則輸出將以計數一個以上信號輸入的方式改變，即電路可能接收到一些不需要的脈沖信號，因此由于機器，在Q處的輸出沒有變化。

當按下按鈕時，觸點將影響觸發器的輸入，并且當前狀態將發生變化，并且對于任何其他機械開關彈跳，不會對電路/機器產生進一步的影響。如果開關有任何其他輸入，則不會有任何變化，SR觸發器將在一段時間后復位。

因此，只有在SR觸發器執行狀態更改后（即，僅在接收到單個時鐘脈沖信號之后），才能使用同一開關。

開關去抖電路的電路如下所示。

開關的輸入接地（邏輯0）。每個輸入都有兩個上拉電阻。它們可確保在觸點之間切換時，觸發器輸入S和R始終為1。
可以使用NOR SR觸發器構建另一個電路。

開關的輸入連接到邏輯1。每個輸入都有兩個下拉電阻。它們確保當開關在觸點a和b之間時，觸發器輸入S和R始終為0。

消除機械開關抖動的常用IC為MAX6816 –單輸入，MAX6817 –雙輸入，MAX6818 –八路輸入開關去抖動IC。這些IC包含帶有SR觸發器的必要配置。