实验一 门电路逻辑功能实验

实验一验

门电路逻辑功能实

首先我们看一下RS触发器的基本结构。如何实现锁存功能？

输入端和输出端交叉连接——G1、G2分别为两个与非门，G1与非门由两个输入端为/SD和G2的输出端由反馈线/Q的引出来，G2的两个输入信号为/RD和G1的输出信号引出的Q。这种形式我们可以称为由两个与非门G1、G2的输入端和输出端交叉连接构成的基本SR触发器。

我们首先回忆一下，任何数和0进行与非运

算之后结果为1，任何数和1进行与非运算之后结果保持不变。

首先设定两个状态：1状态、0状态。 我们知道触发器有两个稳定的输出端，而且这两个输出端保持相反（互斥），当Q=1，/Q=0；当/Q=1时，Q=0，.这样对于触发器的引出的两个输出端有可能是1也有可能是0，那么我们假定：以Q端的逻辑电平来表示触发器的逻辑状态。

当Q=1，/Q=0时我们称为1态，当/Q=1，Q=0时我们称为0态。

观察基本RS触发器的逻辑符号：有一个矩形，用/S和/R作为输入端，Q和/Q作为输出端。在这里非、小圆圈代表低电平有效。那么我们继续来分析一下为什么说这就是低电平有效呢？我们可以通过分析工作原理来进行理解。

触发器置1：/SD=0，（当任何一个信号与0相与非的时候输出为高电平）那么G1输出为高电平，/RD=1（任何信号与1相与非的结果保持不变）G2

保

持

不

变

G1和G2为两个与非门，当/SD=1，/RD=0，电路可以将信号进行反馈，假设触发器的原态为1态，(Q=1，/Q=0)——当/RD=0，我们知道任何数和0进行与非运算结果都为1，所以经过G2与非门之和结果为1。将1信号反馈到G1门，那么/SD=1，1和1进行与非运算结果为0。此时Q=0，/Q=1，从1态翻转为0态。

假设原态为0态（Q=0，/Q=1），同样/SD=1，/RD=0时，因为/RD=0，那么G2的/Qn+1=1，/Qn+1=1反馈到G1的输入端，/SD=1，1和1相与非结果为0，触发器的次态为Qn+1=0，/Qn+1=1，触发器保持0态不变。

我们观察上面两个分析结果，可以发现当/SD=1，/RD=0时，无论原态为0还是1，结果都是Q=0，/Q=1。所以得到结论：不论触发器原来为何种状态，当/SD=1，/RD=0时，将使触发器置0或称为复位。

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当/SD=0，/RD=1时。假设原态为0态，实现翻转？假设原态为1态，触发器保持1态不变。

当/SD=1，/RD=1时为无效输入。（低电平有效）那么输入不会影响到原来的信息，原来是0态时，保持原态不变。当原态为1时，同样保持原态不变。

输出不定，这是一个约束条件。同时从0变为1时翻转不过来。

根据特征表画卡诺图，从而得到表达式即特性方程以及约束条件。

Qn为0态，Qn+1为1态。

触发器由不同的逻辑电路来实现，电路图——分析逻辑功能——特性表——卡诺图——特征方程——状态转换图——波形得到输出波形。我们也知道它们当中任何一个它的逻辑功能都是一致的，给定任何一个相互之间都可以转换。

对于或非门：输入端中任何一个数和1或非运算结果为0。

观察逻辑符号，输入端为高电平有效。逻辑功能和特征方程都是是一样的。

是不是每一个存储信号都是用这种基本的RS触发器呢？一位基本RS触发器只可以存储一位二进制信息。如何实现大容量数据的存储呢？随着技术的发展，我们的很多锁存器都已经实现了集成化。事实上专门的RS触发器相对来

说比较少，但是在市面上也可以找得到。

我们今天开始学习触发器，大家看一下我们今天所要学习的主要内容为基本RS触发器。那么我们分别介绍与非门实现的基本RS触发器、或非门实现的基本RS触发器，最后讨论基本RS触发器的一个应用举例。

触发器是构成时序逻辑电路最基本的单元电路。大家知道数字电路根据逻辑特点的功能不同可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。上一章我们学习了组合逻辑电路，那么这一章开始我们主要讨论时序逻辑电路，那么在时序逻辑电路中最基本的单元电路呢就是触发器，

在触发器中最基本的单元电路呢应该就是我们这节课准备学习的基本RS触发器。

首先我们应该知道触发器具有记忆功能，这个是我们以前所学习的门电路所不具备的，能存储一位二进制数码，应该注意一个触发器可以存储一位二进制数码，那么如果是两位触发器就可以存储两 位二进制数码。而且它具有记忆功 能。那么记忆功能是如何实现的呢，它可以根据我们这节课所学习的基本RS触发器大家可以有所体会。

我们首先了解一下触发器所具有的三个基本特性：

（1）触发器有两个稳态（0状态、1状态），可以分别表示二进制数码0和1，在无外触发时可维持在某一个稳态上。那么在生活中也有很多的例子，比如说：某一盏灯，它稳定的亮和稳定的灭就是这两个不同的情况。但是我们现在要讨论的触发器呢他可以存二进制数码0和1，它可以有0状态和1状态，只有没有外加的触发，他就好像一盏灯只要不去关它，他就总是亮着，只要不去开呢他就总是灭着，这就说明他维持了稳态。那么这个稳态如何被打破呢？

（2）可以通过外触发信号，在外触发有效触发下，两个稳态可相互转化。在这里我们所说

的是二值逻辑，只可能是0转化到1或1转化到0这两种情况当中一种，所以呢他总是翻转的。（所以讲两个稳态的相互转化又称为翻转）

（3）触发器都有两个互补的输出端用来指示0状态和1状态。

那么我们这样来提呢，大家可能还是没有一个比较清晰的概念，因此接下来我们将按照触发器的电路结构、触发方式、逻辑功能来分别进行具体的介绍。从而大家来进一步理解何为记忆功能？何为0状态1状态？何为翻转？

那么这个是一个基本RS触发器，大家看看它的电路是非常非常简单，只有两个与非门。大家前面也见过比这个复杂的多的电路，但是以前

所学习的电路都没有现在这个电路的一个很重要的特点，大家观察一下电路当中这两条交叉的连线，是不是和以前所学习电路的一个重要的区别，即Q被送到门G2的输入端，/Q从门G2的输出端返送回到门G1的输入端，门G1的输出为Q，这是不是意味着输出有了一个反馈，返送回到输入。所以就有了一个从输出返送回输入的一个反馈通路，这是大家以前学习组合逻辑电路绝对不会出现的，而正是由于这一个小小的改变，这个电路就不再是组合逻辑电路了，它具有了记忆功能，它是一个最简单的时序逻辑电路。那么为什么说它有记忆功能呢？接下来，我们来具体的加以分析。

首先我们观察一下这个电路，我们称它为基本RS触发器。引脚R的含义是Reset为置0端又称为复位端，S是S额头为置1端又称为置位端，符号上面的非号表示低电平有效。同样在逻辑符号当中用一个小圆圈来表示低电平有效。输出Q和/Q（大家是不是发现输出的/Q也用一个小圆圈来表述）那么我们在刚开始所说的1状态具体表示Q=1、/Q=0的状态；0状态和1状态正好相反。在电路当中的低电平有效置0端和低

电平有效置1端，它可以置0状态和置1状态，他的工作原理我们来进行具体分析。

当/R和/S都为0时，【根据与非门逻辑关系：有0必1，全1才0】因此当两个与非门的/R和/S都为0时，无论它们的另外一个值为何值，它们的结果Q和/Q都为1。但是呢，明显Q和/Q应该是互补的逻辑关系，一个为0，另外一个应该为1的。但是当/R和/S都为0时，输出都为1，这种输出情况显然是不合逻辑的，Q和/Q应该是互补，但是它们相等了，因此呢这种输入在正常情况下是不允许出现的，我们将它称为不定状

态。在正常的输入状态下，不允许两个输入端都有效，我们讲过/R和/S是低电平有效的输入触发，因此两个信号同时为触发的情况是不允许的。

当/R=0，/S=1时，对于G2与非门当/R=0那么输出/Q必将为1；但是我们从/S来分析，当/S为1时我们是不是不可以立刻决定Q输出的结果，因此当/S=1时我们应该观察另一个输入端的取值，是不是当另一个输入端的状态没有确定下来的时候，它的输出Q是不能够立刻确定的，而根据/Q的结果为1 即为G1的另一个输入端为1，即可确定Q的结果为0。

/Q会有一点的延迟时间，ns级别的，咱们一般做实验可能看不到这种情况。我们可以在做计算机仿真的时候来观察这种现象。

在/R为有效的低电平的时候，/R=0，Q=0，/Q=1。

当 /R=1，/S=1时，因为在与非门有一个输入端为1，他不能够决定次态，他需要根据另一个输入端来决定次态。假定Q=1，/Q=0，Q送到G2门得到/Qn+1输出为0，与过去他的状态相同；然后0送到G1门后得到/Qn+1输出为1，

状态不变。当假定Q=0，/Q=1，Q=0送到G2后得到/Qn+1输出为1，然后1送到G1门后得到/Qn+1输出为0，它的输出任然不变。因此当输入为11时，他将不改变电路原来的状态。电路的状态保持不变，也就说明它具体记忆功能。

将状态Q在时间轴上将其分为两种不同的情况，当某一时刻N为现态：（新的）触发器输入信号变化前的状态用Qn表示；用Qn+1表示下一个时刻，称为次态：在下一个时刻输入信号有变化，那么触发器的状态将会更新，更新为下一个状态。

一个状态Q在某个物理点上将其区分为Qn和Qn+1，是因为门电路是有反馈的，即交叉耦

合的反馈线。在物理点上为同一个点Q，而在时间段上是有变化的。

在某一时刻状态为0状态，那么在这一个时刻低电平信号到来，状态将更新为1状态。 那么在这一物理点，当输入/S和/R为01之前的状态称为现态（0状态），当新的输入到来后状态将更新为1状态，而且在这种信号状态之下信号发送了翻转。

当/S和/R输入为11时，状态将保持不变，次态和现态相等来描述，这就表明它具体记忆功能。保持等价于记忆功能。

触发器可以存储二进制的0和1用0状态和1状态来表示，同时它还允许外触发，所以当有效的0信号到来时可以置0状态，有效的置1信号到来时可以置1状态。但是两个相反的输入同时有效时输出不合理，因此这种情况不允许出现，用无关项来表示。

特性表（状态转换表）：/S和/R为输入信号，而Qn为输出状态，但是我们把它放到输入端，是因为我们把输出反送回了输入端，因此现态是作为输入送到电路的，因此我们在讨论真值表是把现态Qn当做为一个输入变量来看待，而将次

态作为输出。那么状态转换表就描绘了次态输出信号与输入的信号/S和/R以及现态之间的关系，定义为特性表，表面RS触发器的特性，另外又称为状态转换表，因为表明了现态转换为次态的关系。

我们应该知道状态转换表和功能表在概念原理上是一样的，只是表达的方式不同。 在功能表当中只将输入作为变化量，将现态和次态输出，但是在次态当中/S和/R为11时次态不是写为0和1的形式，而是写成现态的形式。 在状态转换表当中将现态当做一个输入变量看待，表达成为三变量的函数关系表。

基本RS触发器作为一个最基本的时序电路，可以用一个最基本的时序图来描绘逻辑功能。时序图中波形图的横轴是时间t，在时间过程当中有新的时间到来的时候，它本来的状态将变成下一个状态，就是从现态变为次态的过程。初态为0：一开始的状态为Q=0，/Q=1；此时/S=/R=1，都不是有效的触发，因此将保持0状态不变；直到当有效的/S低电平信号到来的时候，状态从0状态变为1状态；接着/S恢复到1，但是/S和/R为11是不会改变状态的，只有等到低电平信号到来，下一个状态，/R为有效低电平时，置0状态；当/S和/R为00时，输出Q和/Q都为1，这种情况是不允许出现的，但是我们可以在时序图中表示出来；假定在某一时刻，两个输出信号同时从0变为1，次态就不确定；当/S为有效低电平后，接着置1。

用虚线或阴影表示触发器处于不定状态。

/S和/R同时都为0时，输出Q和/Q同时都为1，这个既不是0状态也不是1状态，因此也可称为不定状态，这种情况不允许出现。

当/S和/R同时从0变为1的时候，触发器的次态不可以预先确定。这个和两个门的延迟时间谁长谁短有关系。

与非门组成的基本RS触发器，/S和/R低电平有效，并且/S对应Q、/R对应/Q。

这里低电平有效和与非门的逻辑功能有关系：有0必1。因此当有低电平输入的时候立刻决定次态，当输入为1时要分析另一个输入的状态。 或非门组成的基本RS触发器：输入变量变换位置，而且是高电平有效。因此或非门组成的基本RS触发器的输入信号R和S是高电平有效触发的。这是因为或非门的逻辑关系：有1必0，全0才1。输入为高电平信号可以立刻决定次态为0，当输入为0信号时次态将由另一个输入信号来判断。

对于或非门，0和任何数或非运算相当于这个输入端不接，那么/Q和0相或再非相当于/Q的非结果为Q。

对于与非门，当/S和/R都为1时候，1和Q相与再非等效于/Q

对于拨动开关，我们一般认为在拨动的时候是一步到位的，但是实际上任何的材料都会有一定的弹性。那么任何开关在波动时候由于触点需要连接，其实也是有抖动的，但是由于抖动的时间短速度快，一般我们可以忽略不计。实际上就像我们计算机的键盘在摁键的时候也会有防抖动的处理操作。在时序电路中利用开关来来实现一定的功能的时候就需要用到开关防抖动电路。那么防抖动的方法是有很多的，利用电容等。但是我们在这学习基本RS触发器的记忆功能，我们来分析如何利用这种方法来消除机械开关振动引起的抖动。

在波形当中出现了干扰脉冲。输出为0表示

开关闭合，输出接地；在某一个时刻我们将开关断开，断开的过程相当于把乒乓球从地上拿起了，这个过程是不会有振动的，所以输出变为电源电压：高电平；但是当我们将开关闭合的过程触点是需要接住的，这个过程当中就会因为有机械弹性而产生抖动，如何消除？

利用基本RS触发器和两个电阻一个开关相连实现的防抖动电路，输出一个边沿非常陡峭无抖动的脉冲信号。

当开关接B时，A点接到高电平，A点通过电阻接到5V电源输入到与非门，B点通过开关

接地；当开关接到A时，A点接地，B变为高电平；开关离开的时候一下就离开了，B变为高；但是开关接到A点时候是由一定的抖动时间的，在这里的抖动只是一个示意性的画法，实际的抖动是由幅度变化的，而且抖动次数不定。如果用抖动的信号来控制数字电路时，会有许多的误操作。因此我们需要来消除抖动。

下面电路中和Q相对应的是A点应该是/S，和/Q对应的是/R。当/R为有效低电平时，输出Q=0，/Q=1；当开关接A，B=1，A通过一些抖动然后才稳定到0，当时只有A第一次抖动到低电平时，即/S接到有效低电平、R=1时，输出Q=1，当A继续抖动是不会再有影响了，因为Q=1，/R=1，结果为0，然后通过/Q的0反送到门的输入端，有0必1这个1是稳定不变的。所以虽然/S有抖动，但是/Q=1，就代替了/S为0来工作。

重要概念：1状态和0状态；现态和次态；特性表；逻辑功能。