采用NAND和NOR門的SR觸發器

在本教程中，我們將討論數字電子學中的基本電路之一--SR 觸發器。我們將看到使用 NOR 和 NAND 門的 SR 觸發器的基本電路、其工作原理、真值表、時鐘 SR 觸發器以及一個簡單的實時應用。

電路簡介

我們迄今為止看到的電路，即多路復用器、解復用器、編碼器、解碼器、奇偶校驗發生器和校驗器等，都被稱為組合邏輯電路。在這類電路中，輸出只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。

除了少量的傳播延遲外，當輸入發生變化時，組合邏輯電路的輸出立即發生變化。

還有一類電路，其輸出不僅取決于當前的輸入，還取決于過去的輸入/輸出。這類電路被稱為順序邏輯電路。如何獲取 "過去的輸入/輸出 "數據？我們必須有某種 "存儲器 "來存儲數據，以便日后使用。能夠存儲數據并充當 "存儲器 "單元的設備或電路被稱為鎖存器或觸發器。

注："鎖存器 "和 "觸發器 "是同義詞，但在技術上略有不同。簡單地說，觸發器是一種時鐘控制鎖存器，即只有在有時鐘信號（高電平或低電平，取決于設計）時，輸出才會發生變化。

什么是觸發器？

觸發器是一種基本存儲單元，可以存儲 1 位數字信息。它是一種雙穩態電子電路，即有兩種穩定狀態： 高電平或低電平。由于觸發器是雙穩態元件，因此在外部事件（稱為觸發器）發生之前，觸發器的輸出都會保持穩定狀態。

由于觸發器在輸入后會長期保持輸出狀態（除非采取任何措施改變輸出狀態），因此觸發器可被視為存儲設備，可以存儲一個二進制位。

使用兩個串聯的反相器，并將第二個反相器的輸出反饋到第一個反相器的輸入，就可以設計出一個簡單的觸發器。以下電路顯示了使用反相器的觸發器。

假設 Q1 為輸入端，Q3 為輸出端。最初，假設反饋斷開，將 Q1 接地，使其為 0（邏輯 0，低電平，位 0）。現在，如果連接反饋，并斷開 Q1 輸入與地的連接，Q3 仍將繼續為 0。

同樣，如果不接地，而是用 1（邏輯 1，高電平，位 1）重復同樣的過程，輸出 Q3 將保持 1。

這是一個具有兩個穩定狀態的簡單觸發器，在外部事件（如本例中的輸入變化）發生之前，它一直處于特定狀態，因此是一個存儲器。

這是一個具有兩個穩定狀態的簡單觸發器，在出現外部事件（如本例中的輸入變化）之前，它一直處于特定狀態，因此是一個存儲器。

SR 觸發器概述

上述基于反相器的觸發器只是為了了解其工作原理，并沒有任何實際用途，因為它不提供任何輸入。這就是 NOR 和 NAND 門的作用所在。如下圖所示，上述基于反相器的觸發器可以使用 NOR 門來實現。

暫時忽略 "R "和 "S "值，讓我們以更常規的形式重繪上述電路，并將 Q2 重命名為 Q，將 Q3 重命名為 Q。

由此可見，觸發器有兩個輸入端：R 和 S： R 和 S，以及兩個輸出端： 從表示法中可以清楚地看出，輸出端是互補的。讓我們試著分析一下輸入及其相應輸出的不同可能性。

這里需要注意的重要一點是，對于 NOR 邏輯門來說，邏輯 "1 "是主導輸入，如果其中任何一個輸入為邏輯 "1"（高），則輸出為邏輯 "0"（低），與其他輸入無關。有鑒于此，讓我們來分析一下上述電路。

情況 1：R = 0 和 S = 0

在第一種情況下，兩個 NOR 邏輯門的輸入均為邏輯 "0"。由于它們都不是主導輸入，因此對輸出沒有影響。因此，輸出保持之前的狀態，即輸出沒有變化。這種情況稱為 "保持條件 "或 "無變化條件"。

情況 2：R = 0 和 S = 1

在這種情況下，"S "輸入為 1，這意味著 NOR 門 B 的輸出將變為 0。因此，NOR 柵極 A 的兩個輸入端都變為 0，從而使 NOR 柵極 A 的輸出端和 Q 的值都變為 1（高電平）。由于輸入 S 的 "1 "會使輸出切換到其中一個穩定狀態，并將其設置為 "1"，因此 S 輸入稱為 SET 輸入。

情況 3：R = 1，S = 0

在這種情況下，"R "輸入為 1，這意味著 NOR 門 A 的輸出將變為 0，即 Q 為 0（低電平）。因此，NOR 柵極 B 的兩個輸入端都變為 0，從而使 NOR 柵極 B 的輸出為 1（高）。由于輸入 R 的 "1 "會使輸出切換到其中一個穩定狀態，并將其復位為 "0"，因此 R 輸入稱為 RESET 輸入。

情況 4：R = 1 和 S = 1

該輸入條件是禁止的，因為它會迫使兩個 NOR 門的輸出都變為 0，這違反了互補輸出的原則。即使應用了該輸入條件，如果下一個輸入變成 R = 0 和 S = 0（保持條件），也會導致 NOR 門之間出現 "競賽條件"，從而導致輸出出現不穩定或不可預測的狀態。

因此，輸入條件 R = 1 和 S = 1 根本無法使用。

因此，根據上述情況和不同的輸入組合，SR 觸發器的真值表如下表所示。

SR 觸發器的邏輯符號如下所示：

使用 NAND 柵極的 SR 觸發器（技術上稱為 RS 觸發器）

SR 觸發器也可以通過兩個 NAND 柵極的交叉耦合來設計，但保持和禁止狀態是相反的。它是一種有源低輸入 SR 觸發器，因此我們稱之為 RS 觸發器。使用 NAND 門的 SR 觸發器電路如下圖所示

NAND 門的一個重要特點是，它的主導輸入為 0，即如果任何一個輸入為邏輯 "0"，則輸出為邏輯 "1"，與其他輸入無關。只有當所有輸入都為 1 時，輸出才為 0。有鑒于此，讓我們來看看基于 NAND 的 RS 觸發器的工作原理。

情況 1：R = 1 和 S = 1

當 S 和 R 輸入端均為高電平時，輸出端保持之前的狀態，即保存之前的數據。

情況 2：R = 1 和 S = 0

當 R 輸入為高電平，S 輸入為低電平時，觸發器處于 SET 狀態。由于 R 為高電平，NAND 柵極 B 的輸出（即 Q）變為低電平。這將導致 NAND 門 A 的兩個輸入端均變為低電平，從而使 NAND 門 A 的輸出端（即 Q）變為高電平。

情況 3：R = 0 和 S = 1

當 R 輸入端為低電平，S 輸入端為高電平時，觸發器將處于 RESET 狀態。由于 S 為高電平，NAND 柵極 A 的輸出（即 Q）變為低電平。這將導致 NAND 門 B 的兩個輸入端均變為低電平，從而使 NAND 門 A 的輸出端（即 Q）變為高電平。

情況 4：R = 0 和 S = 0

當 R 和 S 輸入均為低電平時，觸發器將處于未定義狀態。因為 S 和 R 的低輸入違反了觸發器輸出應互補的規則。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上述借助 NAND 柵極設計的 SR 觸發器的工作原理。

使用 NAND 邏輯門的 RS 觸發器可以通過反相輸入轉換成與普通 SR 觸發器相同的真值表。如下圖所示，我們可以不使用反相器，而是使用具有公共輸入的 NAND 柵極。

簡單的 SR 觸發器存在的問題是，它們對控制信號的電平敏感（雖然圖中沒有顯示），這使得它們成為一個透明器件。為了避免這一問題，我們引入了門控或時鐘 SR 觸發器（無論何時使用 SR 觸發器一詞，通常都是指時鐘 SR 觸發器）。時鐘信號使器件對邊沿敏感（因此沒有透明度）。

時鐘式 SR 觸發器

時鐘式 SR 觸發器有兩種類型：基于 NAND 和基于 NOR。使用 NAND 門的時鐘式 SR 觸發器電路如下所示

該電路是在基于 NAND 的 SR 觸發器上添加兩個 NAND 門而形成的。輸入為高電平有效，因為額外的 NAND 門會對輸入進行反相。兩個額外 NAND 門的輸入均為時鐘脈沖。

因此，時鐘脈沖的轉換是該器件運行的關鍵因素。假設它是一個正邊沿觸發器件，該觸發器的真值表如下所示。

使用 NOR 門也可以實現同樣的功能。使用 NOR 門的時鐘 SR 觸發器電路如下所示。

該圖顯示了 RS 觸發器的結構（因為 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 被置 1，當 R 為高電平時，Q 被復位為 0。

應用

SR 觸發器是一種非常簡單的電路，但由于其非法狀態（S 和 R 均為高電平（S = R = 1）），因此在實際電路中應用并不廣泛。但是，它們在開關電路中的應用卻很廣泛，因為它們提供了簡單的開關功能（在設置和復位之間）。

開關去彈跳電路就是這樣一種應用。SR 觸發器用于消除數字電路中開關的機械反彈。

機械反彈

機械開關在按下或松開時，往往需要一些時間并振動數次才能穩定下來。開關的這種非理想行為被稱為開關反彈或機械反彈。這種機械反彈往往會在低電壓和高電壓之間波動，數字電路可以對其進行解釋。

這可能導致脈沖信號的變化，而這一系列不需要的脈沖將導致數字系統工作錯誤。

例如，在信號彈跳期間，輸出電壓的波動非常大，因此寄存器會對多個輸入而不是單個輸入進行計數。為了消除數字電路的這種行為，我們使用了開關去抖電路，在這種情況下，我們使用了 SR 觸發器。

SR 觸發器如何消除機械反彈？

根據當前的輸出狀態，如果按下設置或復位按鈕，那么輸出將發生變化，它將計算一個以上的信號輸入，即電路可能會接收到一些不需要的脈沖信號，因此由于機器的機械彈跳作用，Q 值的輸出不會發生變化。

當按下按鈕時，觸點將影響觸發器的輸入，當前狀態將發生變化，并且不會對電路/機器的任何其他機械開關彈跳產生進一步影響。如果開關有任何額外的輸入，則不會有任何變化，SR 觸發器將在一小段時間后復位。

因此，只有在 SR 觸發器執行狀態變化后，即只有在接收到單時鐘脈沖信號后，同一開關才會開始使用。

開關去彈跳電路如下所示。

開關的輸入端連接到地（邏輯 0）。每個輸入端都連接有兩個上拉電阻。它們確保觸發器的輸入端 S 和 R 在開關處于觸點之間時始終為 1。

使用 NOR SR 觸發器可構建另一種電路。

開關的輸入端連接到邏輯 1。每個輸入端都連接有兩個下拉電阻。它們確保當開關位于觸點 a 和 b 之間時，觸發器輸入端 S 和 R 始終為 0。

常用的消除機械開關彈跳的集成電路有 MAX6816 - 單輸入、MAX6817 - 雙輸入、MAX6818 - 八進制輸入開關緩沖器集成電路。這些 IC 包含 SR 觸發器的必要配置。

結論

這是一個關于 SR 鎖存器或 SR 觸發器這一基本存儲電路的完整入門教程。您將了解到什么是 SR 觸發器、它的工作原理、使用 NOR 和 NAND 柵極的實現方法、時鐘 SR 觸發器以及 SR 觸發器的一個重要應用。