5.2.1  基本RS觸發(fā)器

     在觸發(fā)器中，最簡單的觸發(fā)器是基本RS觸發(fā)器，它由兩個(gè)與-非門（或者兩個(gè)或-非門）來組成。

    圖5.2.1（a）是由與-非門構(gòu)成的基本RS觸發(fā)器，由圖看出，基本RS觸發(fā)器有兩個(gè)輸入端(和)和兩個(gè)輸出端(和)，門G1和G2的組成有對稱性， G1的輸出經(jīng)過G2的傳輸后回送到G1的另一個(gè)輸入端，G2的輸出經(jīng)過G1的傳輸后回送到G2的另一個(gè)輸入端，正是有了這樣的反饋通道才使其具有了存儲(chǔ)特性，也有別于前面所講到的組合邏輯電路。通常將它們的電路結(jié)構(gòu)畫成圖5.2.1（b）的形式，與相連的輸出端稱為，與相連的輸出端稱為。

定義輸出端的狀態(tài)：，時(shí)，為觸發(fā)器的1狀態(tài)；，，為觸發(fā)器的0狀態(tài)。觸發(fā)器處與1狀態(tài)或0狀態(tài)時(shí)輸出端都有互補(bǔ)性。下面具體分析兩個(gè)輸入端對輸出端的影響情況。

（1）當(dāng)，時(shí)，，，觸發(fā)器為0狀態(tài)；

（2）當(dāng)，時(shí)，，，觸發(fā)器為1狀態(tài)；

（3）當(dāng)，時(shí)，觸發(fā)器兩個(gè)輸出端的值不變，觸發(fā)器保持為原來的狀態(tài)；

（4）當(dāng)，時(shí)，，，此時(shí)觸發(fā)器的輸出端既不是定義的1狀態(tài)，也不是定義的0狀態(tài)，破壞了和的互補(bǔ)特性，實(shí)際使用時(shí)應(yīng)該避免這種現(xiàn)象的產(chǎn)生。因?yàn)樵?img height="19" src="/uploads/allimg/111115/1AH93F7-1.gif" style="vertical-align: middle" width="21" />和的有效信號同時(shí)消失時(shí)，即和同時(shí)從0變到1時(shí)，輸出端的值不確定。

 
 

下面分析當(dāng)和同時(shí)從0轉(zhuǎn)變到1時(shí)，輸出端的情況。假設(shè)G₁的傳輸時(shí)延小于G₂的傳輸時(shí)延，在由0變?yōu)?strong>1時(shí)，即G₁的輸出先變?yōu)?strong>0，其值反過來影響到G₂的輸出，使的值仍然保持為1；另一種假設(shè)就是G₂的傳輸時(shí)延小于G₁的傳輸時(shí)延，在由0變?yōu)?strong>1時(shí)，即G₂的輸出先變?yōu)?strong>0，其值反過來影響到G₁的輸出，使的值仍然保持為1。用圖5.2.2可以說明在和同時(shí)從0變?yōu)?strong>1時(shí)，輸出端邏輯值的不確定情況，從圖中可以看出，在這種情況下，門電路傳輸時(shí)延小的門電路其輸出端的值會(huì)發(fā)生變化，而門電路傳輸時(shí)延大的門電路邏輯門其輸出端的值不會(huì)發(fā)生變化。

由以上分析可知，和的低電平同時(shí)消失時(shí)，在門電路傳輸時(shí)延未知的情況下，輸出端狀態(tài)是不確定的。在通常使用RS觸發(fā)器時(shí)，應(yīng)該避免這種情況的出現(xiàn)，一般不要讓和同時(shí)為0。所以，在正常工作的條件下，用式＋=1來約束兩個(gè)輸入端，稱為約束條件。

    在正常工作時(shí)，輸出端和具有互補(bǔ)的特性，是低電平使輸出端為0，也是低電平才使輸出端為1。所以是低電平有效置0（），置0也稱為觸發(fā)器復(fù)位，端稱為復(fù)位端。是低電平有效置1（），置1也稱為觸發(fā)器置位，端稱為置位端。

    對于RS觸發(fā)器輸入和輸出的邏輯關(guān)系，可以通過邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表來加以描述。如表5.2.1所示，真值表中考慮了觸發(fā)器在和信號作用前的輸出狀態(tài)值，即觸發(fā)器的初態(tài)，得到的新的狀態(tài)記作。

 

 

    表5.2.1可以寫成邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)移表的形式，如表5.2.2的所示，亦稱為邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)移表，還可以將其轉(zhuǎn)換為卡諾圖的形式，如圖5.2.3所示?？ㄖZ圖中的“×”表示約束項(xiàng)，即約束條件＋=1。

 經(jīng)過化簡卡諾圖后得到（5.2.1）式，這就是RS觸發(fā)器的特性方程（也稱為狀態(tài)方程和或次態(tài)方程）。從特性方程中可以看出，輸出端新的狀態(tài)與前一狀態(tài)有關(guān)，這是組合邏輯電路所不具有的特點(diǎn)。

圖5.2.4為與-非門RS觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，圖中“×”在此表示任意項(xiàng)，它用圖形的方式描述了觸發(fā)器狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換情況。圖5.2.5為與-非門RS觸發(fā)器的邏輯符號。

例5.2.1  用與-非門組成的RS觸發(fā)器中，已知輸入端的波形如圖5.2.6所示，試畫出輸出端和的電壓波形圖。

解： 在用與-非門組成的RS觸發(fā)器中，輸入端是低電平有效復(fù)位和置位，根據(jù)這一特性可以畫出其輸出波形。在圖中必須注意和端同時(shí)出現(xiàn)了低電平，但是其低電平值不是同時(shí)消失的，所以輸出端的值是可以確定的。

 
 

 

    用或-非門也可以組成RS觸發(fā)器，其電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號見圖5.2.7（a）、（b），與前面與-非門組成的RS觸發(fā)器相比，其輸入端是高電平有效復(fù)位和置位。如果RS同時(shí)從高電平變到低電平時(shí)，輸出的狀態(tài)

是不確定的，所以其相應(yīng)的約束條件為：R_DS_D＝0。圖5.2.7（c）是其卡諾圖，利用約束條件化簡得其特性方程為（5.2.2）式。

                        （5.2.2）

5.2.2  時(shí)鐘控制RS觸發(fā)器

    基本的RS觸發(fā)器結(jié)構(gòu)簡單，但其功能單一，在較復(fù)雜的數(shù)字邏輯系統(tǒng)中可能要用到很多的觸發(fā)器，如此多的邏輯器件要能夠有條不紊的工作，應(yīng)該有一個(gè)統(tǒng)一的指揮，這就是時(shí)鐘脈沖，將時(shí)鐘脈沖應(yīng)用到基本RS觸發(fā)器中，即為鐘控RS觸發(fā)器（也稱為同步RS觸發(fā)器）。其電路的結(jié)構(gòu)形式如圖5.2.8（a）所示,圖5.2.8（b）為其邏輯符號。

從圖5.2.8可以看出，其電路結(jié)構(gòu)的變化在于將RS端和時(shí)鐘信號相與，門G₁和G₂組成控制電路，結(jié)果送入與-非門組成的基本RS觸發(fā)器，下面分析其工作原理。

 

 

（1）當(dāng)鐘控信號CP =0時(shí)，G₃和G₄被封鎖，其輸出端均為1，則，，觸發(fā)器兩個(gè)輸出端的值不變，觸發(fā)器保持為原來的狀態(tài)，即：。

（2）當(dāng)鐘控信號CP =1時(shí),G₃和G₄的輸出端的值取決于R、S端的值，則，，觸發(fā)器的狀態(tài)可以發(fā)生變化。輸入端的取值情況與輸出的關(guān)系為

(ⅰ) 當(dāng)，時(shí)， ，，觸發(fā)器為1狀態(tài)；

(ⅱ) 當(dāng)，時(shí)， ，，觸發(fā)器為0狀態(tài)；

(ⅲ) 當(dāng)，時(shí)，，，此時(shí)和不具有互補(bǔ)特性，而且R和S的高電平同時(shí)消失時(shí)，和狀態(tài)不定，實(shí)際使用時(shí)應(yīng)該避免這種輸入。

(ⅳ) 當(dāng)，時(shí)，觸發(fā)器兩個(gè)輸出端的值不變，觸發(fā)器保持為原來的狀態(tài)。

根據(jù)以上分析可知，在CP =1時(shí)，輸入端的有效電平為高電平，此時(shí)鐘控RS觸發(fā)器的邏輯狀態(tài)的變化與用或-非門組成的RS觸發(fā)器相同。所以其特性方程可以總結(jié)為

                       （5.2.3）

從式（5.2.3）出發(fā)，可以畫出鐘控信號為1期間，輸出端的邏輯狀態(tài)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，即圖5.2.9所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

例5.2.2  對于圖5.2.8所示的鐘控RS觸發(fā)器，其輸入端的信號波形如圖5.2.10所示，試畫出輸出端和的波形。

解： 圖5.2.8所示的鐘控RS觸發(fā)器，在時(shí)鐘信號CP =1時(shí)，輸出端的狀態(tài)可以發(fā)生變化，在CP =0時(shí)，輸出端的狀態(tài)不變。其R、S端是高電平有效復(fù)位和置位，輸出端的波形圖如圖5.2.10所示。

 

5.2.3  主從RS觸發(fā)器

在鐘控RS觸發(fā)器中，時(shí)鐘信號CP =0期間，輸出端的值不會(huì)發(fā)生變化，而在CP =1期間，輸出端的狀態(tài)可以發(fā)生變化，其狀態(tài)與R、S端的值有關(guān)，如果R、S的值發(fā)生多次變化，則輸出端的值也會(huì)發(fā)生多次變化，例題5.2.2已經(jīng)說明了這一點(diǎn)。因此，為了提高觸發(fā)器的工作的可靠性，讓時(shí)鐘信號作用的一個(gè)周期里，輸出端的

值只能變化一次，主從觸發(fā)器可實(shí)現(xiàn)這一功能。下面分析主從結(jié)構(gòu)的RS觸發(fā)器工作原理。

主從RS觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)如圖5.2.11所示。電路中由兩個(gè)鐘控RS觸發(fā)器組成，從觸發(fā)器的時(shí)鐘端通過非門和主觸發(fā)器的時(shí)鐘端相連，作為總的時(shí)鐘端；主觸發(fā)器的R、S端作為整個(gè)主從結(jié)構(gòu)RS觸發(fā)器的輸入端；從觸發(fā)器的輸出端作為整個(gè)主從結(jié)構(gòu)RS觸發(fā)器的輸出端，即和。

 
 

(1)當(dāng)時(shí)鐘信號CP =1時(shí)，主觸發(fā)器對應(yīng)的時(shí)鐘端為1，處于工作狀態(tài)，其輸出端和的值與輸入端RS的值有關(guān)。此時(shí)從觸發(fā)器的時(shí)鐘端為0，處于封鎖狀態(tài)，其輸出端和的狀態(tài)不會(huì)發(fā)生變化。

(2)當(dāng)時(shí)鐘信號CP =0時(shí)，主觸發(fā)器對應(yīng)的時(shí)鐘端為0，處于封鎖狀態(tài)，其輸出端的和的狀態(tài)不會(huì)發(fā)生變化。此時(shí)從觸發(fā)器的時(shí)鐘端為1，處于工作狀態(tài)，輸出端和的值與主觸發(fā)器輸出端和有關(guān)。

如果此時(shí)：、，則、；

、，則和。

    所以在時(shí)鐘信號CP =0期間，主觸發(fā)器狀態(tài)不變，而從觸發(fā)器接收主觸發(fā)器的數(shù)據(jù)，即將主觸發(fā)器的數(shù)據(jù)送到了輸出端保存下來。鐘信號CP的一個(gè)周期里，主觸發(fā)器狀態(tài)在CP =1期間可以發(fā)生多次變化，而從觸發(fā)器的輸出只會(huì)變化一次。下面通過例5.2.3來說明主從RS觸發(fā)器的工作情況。

    例5.2.3 在圖5.2.11所示的RS觸發(fā)器中，已知觸發(fā)器的輸出端的初始值為

，，R、S波形如圖5.2.12所示，試畫出輸出端、和、的電壓波形圖。

解：在主從結(jié)構(gòu)的RS觸發(fā)器中，時(shí)鐘信號CP =1時(shí)，主觸發(fā)器的狀態(tài)可以發(fā)生改變，其邏輯值與輸入端R、S的值有關(guān)。此時(shí)主觸發(fā)器的對應(yīng)波形如圖中的①部分所示，從觸發(fā)器的波形保持不變。

當(dāng)時(shí)鐘信號CP 由1變?yōu)?strong>0時(shí)，從觸發(fā)器接收主觸發(fā)器數(shù)據(jù)，因?yàn)榇藭r(shí)的、，所以從觸發(fā)器的輸出端的值為、，即圖中②的前半部分。在CP =0期間，主觸發(fā)器保持不變。

當(dāng)時(shí)鐘信號CP 又由0變?yōu)?strong>1時(shí)，主觸發(fā)器的狀態(tài)又與此時(shí)的R、S值有關(guān)，其值可以發(fā)生變化，波形為圖中②的后半部分。重復(fù)前面的分析過程可以得到圖5.2.12的波形。

通過分析可以看出，主從結(jié)構(gòu)的RS觸發(fā)器輸出端的值在時(shí)鐘信號的一個(gè)周期里只能改變一次，即在時(shí)鐘信號由1變?yōu)?strong>0時(shí)（下降沿），接收主觸發(fā)器的數(shù)據(jù)，保存在輸出端。這種結(jié)構(gòu)的RS觸發(fā)器，克服了簡單鐘控RS觸發(fā)器在時(shí)鐘信號CP =1時(shí)輸出端的多次翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

 
 

5.2.4  集成RS觸發(fā)器

集成基本RS觸發(fā)器有54/74LS279、CC4043、CC4044。54/74LS279為4RS觸發(fā)器，圖5.2.13是其邏輯電路，其中兩個(gè)RS觸發(fā)器的S端具有與運(yùn)算功能。

CC4043、CC4044為三態(tài)4 RS集成器件，邏輯圖及其引腳功能圖如圖5.2.14所示。圖5.2.14(a)為CC4043邏輯圖，它是由或-非門組成的基本RS觸發(fā)器，圖5.2.14(b)

 

 

為CC4044邏輯圖，它是由與-非門組成的基本RS觸發(fā)器，它們都是經(jīng)傳輸門輸出，因此都具有三態(tài)輸出功能。CC4043/CC4044是4個(gè)基本RS觸發(fā)器共用一個(gè)使能端EN。當(dāng)EN= 1，傳輸門TG導(dǎo)通，輸出按基本RS觸發(fā)器特性工作；當(dāng)EN= 0，傳輸門TG截止，所有輸出端都處于高阻狀態(tài)。

5.2.5  基本RS觸發(fā)器的簡單應(yīng)用

    利用基本RS觸發(fā)器的置位和復(fù)位功能可以組成很多實(shí)際應(yīng)用電路。下面列舉其兩個(gè)應(yīng)用。

應(yīng)用一  根據(jù)RS觸發(fā)器工作原理的分析，可以看出在輸入端出現(xiàn)多次的復(fù)位信號時(shí)，只有第一個(gè)復(fù)位信號產(chǎn)生作用，在輸入端出現(xiàn)多次的置位信號時(shí)，只有第一個(gè)置位信號產(chǎn)生作用，利用其這一特性，可以應(yīng)用到機(jī)械開關(guān)的防抖動(dòng)電路中，消除機(jī)械觸點(diǎn)引起的毛刺現(xiàn)象。

在圖5.2.15中，普通的機(jī)械開關(guān)在轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)時(shí)，由觸點(diǎn)1到觸點(diǎn)2，在輸出端

V₀可能會(huì)產(chǎn)生圖中所示的一串窄脈沖(毛刺)，對數(shù)字系統(tǒng)帶來了噪聲，引起嚴(yán)重的問題。圖5.2.16是利用基本RS觸發(fā)器組成的消除機(jī)械開關(guān)抖動(dòng)的電路。開關(guān)由觸點(diǎn)1到觸點(diǎn)2轉(zhuǎn)換時(shí)，在輸出端V₀不會(huì)產(chǎn)生毛刺現(xiàn)象，消除了機(jī)械開關(guān)的抖動(dòng)。

 

應(yīng)用二   利用RS觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端的功能，還可以組成搶答電路，用于輸入端的時(shí)間判斷。如圖5.2.17所示位三輸入端的搶答器邏輯電路。

電路中設(shè)計(jì)有三個(gè)輸出端A、B、C，三個(gè)輸出端Y₁、Y₂、Y₃，一個(gè)復(fù)位控制端R_X。正常工作時(shí)，首先應(yīng)該讓三個(gè)觸發(fā)器的輸出端復(fù)位，在R_X輸入端用低電平脈沖復(fù)位，即得，。

當(dāng)輸入端沒有按鍵（沒有高電平出現(xiàn)）時(shí)，即輸入端X₁=X₂=X₃=0，RS觸發(fā)器輸入端的值全為1，輸出端的值保持不變，電路處于等待狀態(tài)。

 
 

假設(shè)A輸入端最先出現(xiàn)高電平（對應(yīng)的按鍵先按下），則,,Y₁＝1，的反饋信號將使得其他兩個(gè)RS觸發(fā)器的S端輸入鎖定在邏輯值1，輸出狀態(tài)不會(huì)發(fā)生變化，Y₂＝0，Y₃＝0。通過觀察輸出端Y₁、Y₂、Y₃的邏輯值，出現(xiàn)1的輸出端即為最先按鍵。圖5.2.17（b）是其工作的波形圖。