触发器的电路结构与动作特点

由两个与非门互耦而成的RS锁存器【图4.2.2（a）】是各种触发器的基本单元电路，它有两个低电平有效的数据输入端(S(--)：置位输入；R(--)：复位输入)和一对互补的数据输出端(Q和Q(--))。Q=1,Q(--)=0时，锁存器处于置位状态；Q=0,Q(--)=1时，锁存器处于复位状态。S(--) 和 R(--) 有四种组合，如果S(--)无效，R(--)无效，锁存器的状态将与初态相同；如果S(--)有效，R(--)无效，锁存器的状态将为Q=1,Q(--)=0；如果S(--)无效，R(--)有效，锁存器的状态将为Q=0,Q(--)=1；如果S(--)有效，R(--)有效，锁存器的状态将是不确定的。如何理解最后一种输入组合呢？

图4.2.2 用与非门组成的基本RS触发器
（a）电路结构
RS锁存器可以（并且只可以）存储一个二进制位，要么存储1，要么存储0。如果我们想存储1，就在 S(--) 端加上一个负脉冲。所谓的负脉冲，就是一个由高电平跳变到低电平，然后再由低电平跳变到高电平的信号。当 S(--) 由高电平跳变到低电平时，S(--)=0，R(--)=1，Q=1,Q(--)=0，锁存器的状态为1；当 S(--) 由低电平跳变到高电平时，S(--)=1，R(--)=1，锁存器的状态保持不变，仍为1。换句话说，负脉冲到来时，锁存器的状态为1；负脉冲消失后，锁存器维持这个一状态。同理，如果我们想存储0，我们就在 R(--) 端加上一个负脉冲。那么，同时在 S(--) 端和 R(--) 端加上负脉冲是什么意思呢？难道既要存储1，又要存储0？显然，这种要求在逻辑上是矛盾的，也是无法实现的。我们不可能提出这种无理要求。那么，这种输入组合又是怎么出现的呢？哇！一定是干扰（或噪声）在作怪！干扰的存在，可能会使锁存器误动作。假如我们要存储“1”，我们就在S(--)端加上一个负脉冲P1当P1到来时，S(--)=0，R(--)=1，Q=1,Q(--)=0。如果P1结束前，在 R(--) 端出现一个干扰脉冲P2，那


么我们有S(--) ＝0，R(--)＝0，Q=1, Q(--)=1，问题就发生了。问题发生后，我们可就三种简单的情况进行分析。若P2比P1先消失，我们有 S(--)＝0，R(--)＝1，Q=1, Q(--)=0。在这种情况下，锁存器的状态为“1”；若P1比P2先消失，我们将有 S(--)＝1，R(--)＝0，Q=1, Q(--)=0，在这种情况下，锁存器的状态为“0”；还有一种情况是P2与P1同时消失，我们将有 S(--)＝1，R(--)＝1,
因为此前Q=1, Q(--)=1，所以每个与非的输入都是全“1”，由于这两个与非门的传输延迟时间不同，因此工作速度稍快一些的与非门输出率先为“0”，这将使另一个与非门的输出保持为“1”。由于干扰脉冲的出现和消失是随机的，我们无法预知P2与P1哪个先消失。由于器件参数的离散性，我们也无法预知那个与非门的传输时间较短。所以，锁存器的状态将是不定的。
RS锁存器的用途之一是构成“防抖动电路”。我们知道，数据通常经过机械开关输入数字系统。机械开关动作时，触点将会抖动。抖动是指开关的两个触点要经历一个常达数毫秒的接通、断开，再接通、再断开，循环往复，直至最后接通的过程。数毫秒的振荡在数字系统中是不可接受的。假如开关接通表示“1”，断开表示“0”，我们将开关接通是期望输入一个“1”，结果却输入拉一连串的“1”和“0”。




锁存器或触发器易受干扰的影响。例如，RS锁存器的初态为0，如果在 S(--) 端出现一个干扰脉冲，锁存器的状态将变成“1”。选通脉冲锁存器【图4.2.4（a）】就有一定的抗干扰能力。

（a）电路结构
图4.2.4 同步RS触发器
我们看到，在CP的控制下，锁存器并非随时受输入信号的影响。只有当CP信号为“1”时，输入信号才会起作用。CP信号即时钟信号，时钟信号是数字系统的时间基准，用来协调（或同步）数字系统中各部分的动作。鉴于时钟信号的重要性，设计者们采取各种措施保证其信号质量，使之避免干扰。在数据信号不可靠而时钟信号相对可靠的条件下，采用窄时钟脉冲将显著提高锁存器的抗干扰能力。
除了改善抗干扰能力，CP信号还起另一个作用：消除竞争冒险。假如R信号由0变1，S信号由1变0，理想情况下，Q和 Q(--) 将同时变化，Q由1变0，Q(--) 由0变1。实际上，由于传输路径不同，R、S到达锁存器会有时间差。我们不妨假设S信号落后于R信号△t秒。这样，锁存器将在△t秒内处于S=1，R=1的非正常工作状态，输出Q=1, Q(--)=1，这样的输出在数字系统内产生尖峰脉冲，导致逻辑错误。为了消除这种竞争冒险现象，我们可以引入CP信号，CP信号使锁存器接收输入信号的时间至少推迟了△t秒，输入信号稳定后才允许锁存器进行逻辑运算。这种情况下，CP信号也叫选通脉冲。
在集成电路产品中，除了RS锁存器外，还有D锁存器【图4.2.7（a）】。

图4.2.7 D型锁存器电路
（a）基本形式
脉冲选通锁存器有一定的抗干扰能力。然而，在CP=1期间，如果输入信号多次变化，输出也将多次变化。主从触发器【图4.2.8（a）（b）】比脉冲选通锁存器进了一步。

(a)

(b)
图4.2.8 主从结构RS触发器
（a）电路结构 （b）图形符号
主从RS触发器由两个脉冲选通RS锁存器级联而成。这两个脉冲选通RS锁存器的CP信号是互补，因此前级接收信号时，后级就不接收信号；后级接收信号时，前级就不接收信号。在CP=1期间，前级接收输入信号，后级不接收输入信号。如果输入信号多次变化，前级的输出（即后级的输入）也将随之多次变化，但后级的输出不变。在CP由1变0那一刻，后级接收输入信号，后级输出将随之变化。但是，因为CP＝0期间，前级不接收输入信号，它的输出将不再变化，它将保持CP由1变0那一刻的状态。所以后级的输出也将保持CP由1变0那一刻的状态。