1.4 SR触发器

在本教程中，我们将讨论数字电子学中的一种基本电路，即SR触发器。我们将探讨使用与非门和或非门构建的SR触发器的基本电路、工作原理、真值表、时钟控制的SR触发器，以及一个简单的实际应用。

SR触发器的设计（使用逻辑门）

到目前为止，我们已经了解了多路复用器、多路分用器、编码器、译码器、奇偶校验生成器和校验器等电路，这些电路被称为组合逻辑电路。在这些类型的电路中，输出仅依赖于输入的当前状态，而与输入或输出的过去状态无关。

除了短暂的传播延迟外，组合逻辑电路的输出会在输入发生变化时立即改变。

还有一类电路，其输出不仅取决于当前输入，还取决于过去的输入/输出。这些类型的电路被称为时序逻辑电路。我们如何获取“过去的输入/输出”数据呢？我们需要某种“存储”功能，以便能够存储数据以供后续使用。能够存储数据并作为“存储单元”的设备或电路被称为锁存器或触发器。

注意：虽然“锁存器”和“触发器”这两个术语将被交替使用，但严格来说它们略有不同。简单来说，触发器是一个由时钟控制的锁存器，即输出仅在有时钟信号（高电平或低电平，具体取决于设计）时才会改变。

什么是触发器？

触发器是一个基本的存储单元，能够存储1位数字信息。它是一个双稳态电子电路，即它有两个稳定状态：高电平或低电平。由于触发器是一个双稳态元件，其输出会保持在其中一个稳定状态，直到施加外部事件（称为触发信号）。

因为它在输入施加后很长时间内仍保持输出（除非采取措施改变它），所以触发器可以被视为一种存储设备，能够存储一个二进制位。

一个简单的触发器可以使用两个反相器串联设计，第二个反相器的输出反馈到第一个反相器的输入。以下电路展示了使用反相器的触发器。

假设$Q_1$是输入，$Q_3$是输出。最初，假设反馈断开，通过将其连接到地，将$Q_1$设置为0（逻辑0，低电平，比特0）。此时，$Q_3$也将是0。现在，如果连接反馈并断开输入$Q_1$与地的连接，$Q_3$仍将保持为0。

同样地，如果用1（逻辑1，高电平，比特1）代替地，重复上述过程，输出$Q_3$将保持为1。

这是一个简单的具有两个稳定状态的触发器，它保持在一个特定的状态，因此可以作为存储单元，直到发生外部事件（如输入变化）。

SR触发器概述

上述基于反相器的触发器仅用于理解其工作原理，但由于没有提供输入的接口，因此它没有实际用途。这就是与非门和或非门发挥作用的地方。上述基于反相器的触发器可以使用或非门实现，如下所示。

忽略“R”和“S”的值，让我们重新绘制上述电路，使其更具传统形式，并将$Q_2$重命名为$Q$，$Q_3$重命名为$\overline{Q}$。

从这个电路可以看出，触发器有两个输入：R和S，以及两个输出：$Q$和$\overline{Q}$，并且从表示中可以清楚地看出，这两个输出是互补的。让我们尝试分析输入的不同可能性及其对应的输出。

需要注意的一个重要点是，对于或非门，逻辑“1”是一个占主导地位的输入，如果其任何一个输入是逻辑“1”（高电平），那么输出将是逻辑“0”（低电平），而与另一个输入无关。记住这一点，让我们分析上述电路。

情况1：R = 0，S = 0

在第一种情况下，两个或非门的输入都是逻辑“0”。由于它们都不是占主导地位的输入，因此它们对输出没有影响。因此，输出保持其先前的状态，即输出没有变化。这种条件被称为保持条件或无变化条件。

情况2：R = 0，S = 1

在这种情况下，“S”输入为1，这意味着或非门B的输出将变为0。因此，或非门A的两个输入都变为0，因此或非门A的输出以及$Q$的值为1（高电平）。由于在输入S处的“1”使输出切换到其一个稳定状态并将其设置为“1”，因此S输入被称为置位输入。

情况3：R = 1，S = 0

在这种情况下，“R”输入为1，这意味着或非门A的输出将变为0，即$Q$为0（低电平）。因此，或非门B的两个输入都变为0，因此或非门B的输出为1（高电平）。由于在输入R处的“1”使输出切换到其一个稳定状态并将其复位为“0”，因此R输入被称为复位输入。

情况4：R = 1，S = 1

这种输入条件是禁止的，因为它迫使两个或非门的输出都变为0，这违反了互补输出的规则。即使应用了这种输入条件，如果下一个输入变为R = 0和S = 0（保持条件），那么它将在或非门之间引起“竞态条件”，这会导致输出处于不稳定或不可预测的状态。

因此，输入条件R = 1和S = 1根本不用。

所以，根据上述提到的情况和输入的不同组合，SR触发器的真值表如下表所示。

R	S	Q	状态
0	0	上一次状态	无变化
0	1	1	置位
1	0	0	复位
1	1	不适用（？）	禁止

SR触发器的逻辑符号如下所示。

使用与非门设计的SR触发器（技术上，$\overline{RS}$触发器）

SR触发器也可以通过交叉耦合两个与非门来设计，但保持和禁止状态是相反的。这是一个低电平输入的SR触发器，因此我们称它为RS触发器。使用与非门的SR触发器电路如下图所示。

关于与非门的一个重要点是，其占主导地位的输入是0，即如果其任何一个输入是逻辑“0”，那么输出是逻辑“1”，而与另一个输入无关。只有当所有输入都是1时，输出才为0。记住这一点，让我们看看基于与非门的$\overline{RS}$触发器的工作原理。

情况1：$\overline{R}$ = 1，$\overline{S}$ = 1

当$\overline{S}$和$\overline{R}$输入都为高电平时，输出保持在先前状态，即它保持先前的数据。

情况2：$\overline{R}$ = 1，$\overline{S}$ = 0

当$\overline{R}$输入为高电平且$\overline{S}$输入为低电平时，触发器将处于置位状态。由于$\overline{R}$为高电平，与非门B的输出，即$Q$，变为低电平。这导致与非门A的两个输入都变为低电平，因此，与非门A的输出，即$Q$，变为高电平。

情况3：$\overline{R}$ = 0，$\overline{S}$ = 1

当$\overline{R}$输入为低电平且$\overline{S}$输入为高电平时，触发器将处于复位状态。由于$\overline{S}$为高电平，与非门A的输出，即$\overline{Q}$，变为低电平。这导致与非门B的两个输入都变为低电平，因此，与非门B的输出，即$Q$，变为高电平。

情况4：$\overline{R}$= 0，$\overline{S}$ = 0

当$\overline{R}$和$\overline{S}$输入都为低电平时，触发器将处于未定义状态。因为$\overline{S}$和R的低电平输入违反了触发器的规则，即输出应该相互补充。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使用与非门设计的SR触发器的工作原理。

R	S	Q	状态
1	1	上一次状态	无变化
1	0	1	置位
0	1	0	复位
0	0	不适用（？）	禁止

使用与非门的$\overline{RS}$触发器可以通过反向输入来转换为具有与普通SR触发器相同的真值表。与其使用反相器，我们也可以使用具有公共输入的与非门，如下图所示。

简单SR触发器的问题在于，它们对控制信号是电平敏感的（尽管图中未显示），这使得它们成为一种透明设备。为了避免这种情况，引入了门控或时钟控制的SR触发器（每当提到SR触发器时，通常指的是时钟控制的SR触发器）。时钟信号使设备变为边沿敏感（因此不具备透明性）。

时钟控制的SR触发器

时钟控制的SR触发器有两种可能的类型：基于与非门的和基于或非门的。使用与非门的时钟控制SR触发器的电路如下所示。

该电路是通过在基于与非门的SR触发器中增加两个与非门形成的。由于额外的与非门对输入进行了反向，因此输入是高电平有效的。时钟脉冲作为输入提供给这两个额外的与非门。

因此，时钟脉冲的转换是该设备工作中的一个关键因素。假设这是一个上升沿触发的设备，该触发器的真值表如下所示。

时钟	R	S	Q	状态
↓ 或 0 或 1	X	X	上一次状态	无变化（保持）
↑	0	0	上一次状态	无变化（保持）
↑	0	1	1	置位
↑	1	0	0	复位
↑	1	1	不适用（？）	禁止

使用或非门也可以实现相同的效果。使用或非门的时钟控制SR触发器的电路如下所示。

该图表明了一种RS触发器的结构（因为R与输出Q相关联），置位和复位的功能保持不变，即当S为高电平时，Q被置位为1；当R为高电平时，Q被复位为0。

应用

SR触发器是非常简单的电路，但由于存在非法状态（S和R均为高电平，S = R = 1），它们在实际电路中并不广泛使用。然而，它们被用于开关电路，因为它们提供了简单的开关功能（在置位和复位之间切换）。

一个这样的应用是开关防抖电路。SR触发器用于消除数字电路中开关的机械抖动。

机械抖动

机械开关在按下或释放时，通常需要一些时间才能稳定下来，并且会多次振动。这种开关的非理想行为被称为开关抖动或机械抖动。这种机械抖动会导致电压在低电平和高电平之间波动，这可能会被数字电路误读。

这可能导致脉冲信号的变化，这些不想要的脉冲序列会导致数字系统工作不正确。

例如，在信号的抖动期间，输出电压的波动非常大，因此寄存器会计算多个输入而不是单个输入。为了消除数字电路的这种行为，我们使用开关防抖电路，在这种情况下，使用SR触发器。

SR触发器如何消除机械抖动？

根据当前状态的输出，如果按下置位或复位按钮，则输出将以一种方式改变，即它会计算多个信号输入，即电路可能会接收到一些不想要的脉冲信号，因此由于机器的机械抖动，Q输出没有变化。

当按钮被按下时，接触点会影响触发器的输入，并且当前状态会发生变化，而电路/机器对任何其他机械开关的抖动都不会有进一步的影响。如果开关有额外的输入，则不会有任何变化，SR触发器将在一小段时间后复位。

因此，同一个开关只有在SR触发器执行状态变化后才会被使用，即在接收到单个时钟脉冲信号之后。

以下是开关防抖电路的电路图。

开关的输入连接到地（逻辑0）。每个输入端都连接有两个上拉电阻。它们确保当开关处于接触点之间时，触发器的输入S和R始终为1。

还可以使用或非门SR触发器构建另一个电路。

开关的输入连接到逻辑1。每个输入端都连接有两个下拉电阻。它们确保当开关处于接触点a和b之间时，触发器的输入S和R始终为0。

用于消除机械开关抖动的常用集成电路有MAX6816（单输入）、MAX6817（双输入）和MAX6818（八输入）开关防抖IC。这些集成电路包含了与SR触发器相关的必要配置。