RS触发器

来源 http://www.elecfans.com/book/story.php?id=621

参考 http://www.elecfans.com/book/1/shuzidianzijishu-17.html

 

在触发器中，最简单的触发器是基本RS触发器，它由两个与-非门（或者两个或-非门）来组成。

    图5.2.1（a）是由与-非门构成的基本RS触发器，由图看出，基本RS触发器有两个输入端(和)和两个输出端(和)，门G1和G2的组成有对称性， G1的输出经过G2的传输后回送到G1的另一个输入端，G2的输出经过G1的传输后回送到G2的另一个输入端，正是有了这样的反馈通道才使其具有了存储特性，也有别于前面所讲到的组合逻辑电路。通常将它们的电路结构画成图5.2.1（b）的形式，与相连的输出端称为，与相连的输出端称为。

定义输出端的状态：，时，为触发器的1状态；，，为触发器的0状态。触发器处与1状态或0状态时输出端都有互补性。下面具体分析两个输入端对输出端的影响情况。

（1）当，时，，，触发器为0状态；

（2）当，时，，，触发器为1状态；

（3）当，时，触发器两个输出端的值不变，触发器保持为原来的状态；

（4）当，时，，，此时触发器的输出端既不是定义的1状态，也不是定义的0状态，破坏了和的互补特性，实际使用时应该避免这种现象的产生。因为在和的有效信号同时消失时，即和同时从0变到1时，输出端的值不确定。

 
 

下面分析当和同时从0转变到1时，输出端的情况。假设G₁的传输时延小于G₂的传输时延，在由0变为1时，即G₁的输出先变为0，其值反过来影响到G₂的输出，使的值仍然保持为1；另一种假设就是G₂的传输时延小于G₁的传输时延，在由0变为1时，即G₂的输出先变为0，其值反过来影响到G₁的输出，使的值仍然保持为1。用图5.2.2可以说明在和同时从0变为1时，输出端逻辑值的不确定情况，从图中可以看出，在这种情况下，门电路传输时延小的门电路其输出端的值会发生变化，而门电路传输时延大的门电路逻辑门其输出端的值不会发生变化。

由以上分析可知，和的低电平同时消失时，在门电路传输时延未知的情况下，输出端状态是不确定的。在通常使用RS触发器时，应该避免这种情况的出现，一般不要让和同时为0。所以，在正常工作的条件下，用式＋=1来约束两个输入端，称为约束条件。

    在正常工作时，输出端和具有互补的特性，是低电平使输出端为0，也是低电平才使输出端为1。所以是低电平有效置0（），置0也称为触发器复位，端称为复位端。是低电平有效置1（），置1也称为触发器置位，端称为置位端。

    对于RS触发器输入和输出的逻辑关系，可以通过逻辑状态转移真值表来加以描述。如表5.2.1所示，真值表中考虑了触发器在和信号作用前的输出状态值，即触发器的初态，得到的新的状态记作。

 

 

 

    表5.2.1可以写成逻辑状态转移表的形式，如表5.2.2的所示，亦称为逻辑状态转移表，还可以将其转换为卡诺图的形式，如图5.2.3所示。卡诺图中的“×”表示约束项，即约束条件＋=1。

 经过化简卡诺图后得到（5.2.1）式，这就是RS触发器的特性方程（也称为状态方程和或次态方程）。从特性方程中可以看出，输出端新的状态与前一状态有关，这是组合逻辑电路所不具有的特点。

图5.2.4为与-非门RS触发器状态转换图，图中“×”在此表示任意项，它用图形的方式描述了触发器状态间的转换情况。图5.2.5为与-非门RS触发器的逻辑符号。

例5.2.1  用与-非门组成的RS触发器中，已知输入端的波形如图5.2.6所示，试画出输出端和的电压波形图。

解： 在用与-非门组成的RS触发器中，输入端是低电平有效复位和置位，根据这一特性可以画出其输出波形。在图中必须注意和端同时出现了低电平，但是其低电平值不是同时消失的，所以输出端的值是可以确定的。

 
 

 

    用或-非门也可以组成RS触发器，其电路结构和逻辑符号见图5.2.7（a）、（b），与前面与-非门组成的RS触发器相比，其输入端是高电平有效复位和置位。如果RS同时从高电平变到低电平时，输出的状态

是不确定的，所以其相应的约束条件为：R_DS_D＝0。图5.2.7（c）是其卡诺图，利用约束条件化简得其特性方程为（5.2.2）式。

                        （5.2.2）

5.2.2  时钟控制RS触发器

    基本的RS触发器结构简单，但其功能单一，在较复杂的数字逻辑系统中可能要用到很多的触发器，如此多的逻辑器件要能够有条不紊的工作，应该有一个统一的指挥，这就是时钟脉冲，将时钟脉冲应用到基本RS触发器中，即为钟控RS触发器（也称为同步RS触发器）。其电路的结构形式如图5.2.8（a）所示,图5.2.8（b）为其逻辑符号。

从图5.2.8可以看出，其电路结构的变化在于将RS端和时钟信号相与，门G₁和G₂组成控制电路，结果送入与-非门组成的基本RS触发器，下面分析其工作原理。

 

 

（1）当钟控信号CP =0时，G₃和G₄被封锁，其输出端均为1，则，，触发器两个输出端的值不变，触发器保持为原来的状态，即：。

（2）当钟控信号CP =1时,G₃和G₄的输出端的值取决于R、S端的值，则，，触发器的状态可以发生变化。输入端的取值情况与输出的关系为

(ⅰ) 当，时， ，，触发器为1状态；

(ⅱ) 当，时， ，，触发器为0状态；

(ⅲ) 当，时，，，此时和不具有互补特性，而且R和S的高电平同时消失时，和状态不定，实际使用时应该避免这种输入。

(ⅳ) 当，时，触发器两个输出端的值不变，触发器保持为原来的状态。

根据以上分析可知，在CP =1时，输入端的有效电平为高电平，此时钟控RS触发器的逻辑状态的变化与用或-非门组成的RS触发器相同。所以其特性方程可以总结为

                       （5.2.3）

从式（5.2.3）出发，可以画出钟控信号为1期间，输出端的逻辑状态的转换关系，即图5.2.9所示的状态转换图。

例5.2.2  对于图5.2.8所示的钟控RS触发器，其输入端的信号波形如图5.2.10所示，试画出输出端和的波形。

解： 图5.2.8所示的钟控RS触发器，在时钟信号CP =1时，输出端的状态可以发生变化，在CP =0时，输出端的状态不变。其R、S端是高电平有效复位和置位，输出端的波形图如图5.2.10所示。

 

5.2.3  主从RS触发器

在钟控RS触发器中，时钟信号CP =0期间，输出端的值不会发生变化，而在CP =1期间，输出端的状态可以发生变化，其状态与R、S端的值有关，如果R、S的值发生多次变化，则输出端的值也会发生多次变化，例题5.2.2已经说明了这一点。因此，为了提高触发器的工作的可靠性，让时钟信号作用的一个周期里，输出端的

值只能变化一次，主从触发器可实现这一功能。下面分析主从结构的RS触发器工作原理。

主从RS触发器的电路结构如图5.2.11所示。电路中由两个钟控RS触发器组成，从触发器的时钟端通过非门和主触发器的时钟端相连，作为总的时钟端；主触发器的R、S端作为整个主从结构RS触发器的输入端；从触发器的输出端作为整个主从结构RS触发器的输出端，即和。

 
 

(1)当时钟信号CP =1时，主触发器对应的时钟端为1，处于工作状态，其输出端和的值与输入端RS的值有关。此时从触发器的时钟端为0，处于封锁状态，其输出端和的状态不会发生变化。

(2)当时钟信号CP =0时，主触发器对应的时钟端为0，处于封锁状态，其输出端的和的状态不会发生变化。此时从触发器的时钟端为1，处于工作状态，输出端和的值与主触发器输出端和有关。

如果此时：、，则、；

、，则和。

    所以在时钟信号CP =0期间，主触发器状态不变，而从触发器接收主触发器的数据，即将主触发器的数据送到了输出端保存下来。钟信号CP的一个周期里，主触发器状态在CP =1期间可以发生多次变化，而从触发器的输出只会变化一次。下面通过例5.2.3来说明主从RS触发器的工作情况。

    例5.2.3 在图5.2.11所示的RS触发器中，已知触发器的输出端的初始值为

，，R、S波形如图5.2.12所示，试画出输出端、和、的电压波形图。

解：在主从结构的RS触发器中，时钟信号CP =1时，主触发器的状态可以发生改变，其逻辑值与输入端R、S的值有关。此时主触发器的对应波形如图中的①部分所示，从触发器的波形保持不变。

当时钟信号CP 由1变为0时，从触发器接收主触发器数据，因为此时的、，所以从触发器的输出端的值为、，即图中②的前半部分。在CP =0期间，主触发器保持不变。

当时钟信号CP 又由0变为1时，主触发器的状态又与此时的R、S值有关，其值可以发生变化，波形为图中②的后半部分。重复前面的分析过程可以得到图5.2.12的波形。

通过分析可以看出，主从结构的RS触发器输出端的值在时钟信号的一个周期里只能改变一次，即在时钟信号由1变为0时（下降沿），接收主触发器的数据，保存在输出端。这种结构的RS触发器，克服了简单钟控RS触发器在时钟信号CP =1时输出端的多次翻转现象。

 
 

5.2.4  集成RS触发器

 

集成基本RS触发器有54/74LS279、CC4043、CC4044。54/74LS279为4RS触发器，图5.2.13是其逻辑电路，其中两个RS触发器的S端具有与运算功能。

CC4043、CC4044为三态4 RS集成器件，逻辑图及其引脚功能图如图5.2.14所示。图5.2.14(a)为CC4043逻辑图，它是由或-非门组成的基本RS触发器，图5.2.14(b)

 

 

 

为CC4044逻辑图，它是由与-非门组成的基本RS触发器，它们都是经传输门输出，因此都具有三态输出功能。CC4043/CC4044是4个基本RS触发器共用一个使能端EN。当EN= 1，传输门TG导通，输出按基本RS触发器特性工作；当EN= 0，传输门TG截止，所有输出端都处于高阻状态。

5.2.5  基本RS触发器的简单应用

    利用基本RS触发器的置位和复位功能可以组成很多实际应用电路。下面列举其两个应用。

应用一  根据RS触发器工作原理的分析，可以看出在输入端出现多次的复位信号时，只有第一个复位信号产生作用，在输入端出现多次的置位信号时，只有第一个置位信号产生作用，利用其这一特性，可以应用到机械开关的防抖动电路中，消除机械触点引起的毛刺现象。

在图5.2.15中，普通的机械开关在转换触点时，由触点1到触点2，在输出端

V₀可能会产生图中所示的一串窄脉冲(毛刺)，对数字系统带来了噪声，引起严重的问题。图5.2.16是利用基本RS触发器组成的消除机械开关抖动的电路。开关由触点1到触点2转换时，在输出端V₀不会产生毛刺现象，消除了机械开关的抖动。

 

应用二   利用RS触发器的两个输出端的功能，还可以组成抢答电路，用于输入端的时间判断。如图5.2.17所示位三输入端的抢答器逻辑电路。

电路中设计有三个输出端A、B、C，三个输出端Y₁、Y₂、Y₃，一个复位控制端R_X。正常工作时，首先应该让三个触发器的输出端复位，在R_X输入端用低电平脉冲复位，即得，。

当输入端没有按键（没有高电平出现）时，即输入端X₁=X₂=X₃=0，RS触发器输入端的值全为1，输出端的值保持不变，电路处于等待状态。

 
 

假设A输入端最先出现高电平（对应的按键先按下），则,,Y₁＝1，的反馈信号将使得其他两个RS触发器的S端输入锁定在逻辑值1，输出状态不会发生变化，Y₂＝0，Y₃＝0。通过观察输出端Y₁、Y₂、Y₃的逻辑值，出现1的输出端即为最先按键。图5.2.17（b）是其工作的波形图。

 

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