RS鎖存器的工作原理和應(yīng)用實(shí)例

一、RS鎖存器的定義

RS鎖存器，全稱Reset-Set Latch，是一種具有兩個穩(wěn)定狀態(tài)（雙穩(wěn)態(tài)）的電路，能夠存儲一位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。這兩個穩(wěn)定狀態(tài)分別對應(yīng)著二進(jìn)制數(shù)0和1，用于表示電路的兩種不同邏輯狀態(tài)。RS鎖存器通過接收外部輸入信號（Reset和Set）來控制其狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，并在輸入信號消失后，保持已轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定狀態(tài)（在通電狀態(tài)下）。

1、基本RS鎖存器

最簡單的觸發(fā)器是基本RS觸發(fā)器，基本RS鎖存器可以由兩個與非門構(gòu)成，電路如下：

基本RS鎖存器由電平觸發(fā)，并且有一個重要的約束條件：/SD和/RD不能同時為零。即：/SD+/RD=1。

2、門控SR鎖存器

門控SR 鎖存器（或時鐘控制 SR 鎖存器）只能在存在使能信號以及所需輸入時更改其輸出狀態(tài)。因此，它也稱為 同步 SR 鎖存器 。相反，可以在應(yīng)用其所需輸入條件時立即改變其狀態(tài)的鎖存器稱為異步鎖存器。

這意味著輸入僅在鎖存器啟用時才影響鎖存器；否則，即使應(yīng)用輸入，輸出狀態(tài)也保持不變。換句話說，當(dāng) ENABLE 信號為高電平時，鎖存器處于活動狀態(tài)；當(dāng) ENABLE 信號為低電平時，鎖存器處于非活動狀態(tài)。該啟用信號用作時鐘脈沖。

因此，門控SR鎖存器也稱為時鐘SR觸發(fā)器或同步SR鎖存器。由于它僅在時鐘脈沖為高電平時響應(yīng)輸入，因此也稱為電平觸發(fā)觸發(fā)器。門控 SR 鎖存器或時鐘控制 SR 觸發(fā)器的邏輯電路如下所示。

3、同步RS鎖存器

許多時候，我們希望觸發(fā)器只有在時鐘來臨時，輸出狀態(tài)改變，其它時候，觸發(fā)器維持，因?yàn)檫@樣做可以讓多個電路單元的狀態(tài)同時得以改變，這個時鐘，我們稱為同步時鐘。

如下圖所示，將基本RS鎖存器的輸入端分別經(jīng)過一個與非門作為鐘控信號。就變成了同步RS鎖存器。

同步RS鎖存器與基本RS鎖存器的不同之處在于，只有時鐘CP=1的時候，輸出狀態(tài)才能被改變。但是，同步鎖存器也具有一個約束條件，就是當(dāng)CP=1時，S和R不能同時為1。

此外，同步RS鎖存器還有一個不足之處在于：當(dāng)CP=1時，S和R若多次改變，每次改變都會影響輸出。這種現(xiàn)象，稱為空翻現(xiàn)象。

二、RS鎖存器的作用

RS鎖存器在數(shù)字系統(tǒng)中具有多種重要作用，主要包括以下幾個方面：

數(shù)據(jù)存儲：RS鎖存器最基本的作用就是存儲一位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。在數(shù)字電路中，經(jīng)常需要臨時存儲某些數(shù)據(jù)以便后續(xù)處理，RS鎖存器正是實(shí)現(xiàn)這一功能的關(guān)鍵元件。

狀態(tài)保持：RS鎖存器能夠在輸入信號消失后，保持已轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定狀態(tài)，這一特性使得它在需要保持電路狀態(tài)不變的場合中尤為重要。

信號同步：在復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)中，各個部分可能需要同步工作。RS鎖存器可以作為同步信號的一部分，通過控制其狀態(tài)的轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)不同部分之間的同步。

邏輯控制：RS鎖存器還可以作為邏輯控制元件，通過與其他電路元件的組合，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制功能。

三、RS鎖存器的功能

RS鎖存器的功能主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

置位與復(fù)位功能：

置位（Set）：當(dāng)Set（S）輸入為高電平時，無論Reset（R）輸入為何種電平，RS鎖存器都將輸出Q置為1（同時Q'輸出為0），表示電路處于“置位”狀態(tài)。

復(fù)位（Reset）：當(dāng)Reset（R）輸入為高電平時，無論Set（S）輸入為何種電平，RS鎖存器都將輸出Q置為0（同時Q'輸出為1），表示電路處于“復(fù)位”狀態(tài)。

保持功能：當(dāng)Set（S）和Reset（R）輸入均為低電平時，RS鎖存器將保持當(dāng)前的狀態(tài)不變。這一特性使得RS鎖存器能夠在沒有外部輸入信號的情況下，長期保持其存儲的數(shù)據(jù)。

競爭與冒險避免：在數(shù)字電路中，由于信號傳輸?shù)难舆t和干擾等因素，可能會出現(xiàn)競爭與冒險現(xiàn)象。RS鎖存器通過其雙穩(wěn)態(tài)特性，能夠在一定程度上避免競爭與冒險的發(fā)生，提高電路的穩(wěn)定性和可靠性。

四、SR鎖存器的工作原理

圖為與非門構(gòu)成的SR鎖存器

圖為或非門構(gòu)成SR鎖存器

上面兩圖分別是使用兩個與非門和兩個或非門組成的SR鎖存器，本文以圖兩個或非門組成的SR鎖存器進(jìn)行功能分析。

當(dāng)SD=1，RD=0時，或非門G2一端以SD作為輸入，故G2輸出低電平，G2和RD作為G1的輸入，所以G1輸出為高電平，此時SR鎖存器輸出Q端為高電平，Q'為低電平。Q的次態(tài)與Q的現(xiàn)態(tài)無關(guān)，輸出端Q均為高電平，故SD被稱為置數(shù)端。

當(dāng)SD=0，RD=1時，因?yàn)榛蚍情TG1的RD端輸入高電平，所以G1輸出端輸出低電平，或非門G2輸入均為低電平，則Q非為高電平，故SR鎖存器Q輸出為低電平，Q'輸出高電平。Q的次態(tài)與Q現(xiàn)態(tài)無關(guān)，輸出端均為低電平，RD被稱為SR鎖存器清零端。

當(dāng)SD=0，RD=0，Q的現(xiàn)態(tài)為0時，則Q'的次態(tài)為高電平，進(jìn)而推出或非門G1的輸出為低電平，所以Q的次態(tài)為0；當(dāng)Q的現(xiàn)態(tài)為1時，則或非門G2的輸出為0，或非門G1將RD和或非門G2輸出作為輸入，所以或非門G1輸出高電平，即Q的次態(tài)為高電平，由此可知，Q端的次態(tài)和現(xiàn)態(tài)保持相同，所以當(dāng)SD與RD端輸入數(shù)據(jù)均無效時，SR鎖存器具有保持功能。

五、RS鎖存器的實(shí)現(xiàn)方式

RS鎖存器可以通過多種邏輯門電路實(shí)現(xiàn)，其中最常見的是使用與非門（NAND Gate）或或非門（NOR Gate）構(gòu)建。以下分別介紹這兩種實(shí)現(xiàn)方式：

1. 使用與非門實(shí)現(xiàn)RS鎖存器

使用兩個與非門可以實(shí)現(xiàn)一個基本的RS鎖存器。兩個與非門的輸入和輸出相互交叉耦合，形成正反饋回路。當(dāng)Set（S）輸入為高電平時，通過與非門的邏輯運(yùn)算，可以使得輸出Q置為1；同樣地，當(dāng)Reset（R）輸入為高電平時，可以使得輸出Q置為0。當(dāng)Set（S）和Reset（R）輸入均為低電平時，由于正反饋回路的存在，RS鎖存器將保持當(dāng)前的狀態(tài)不變。

2. 使用或非門實(shí)現(xiàn)RS鎖存器

與與非門類似，兩個或非門也可以構(gòu)建成RS鎖存器。但是需要注意的是，由于或非門的邏輯特性與與非門相反（全0輸出1，有1輸出0），因此在使用或非門實(shí)現(xiàn)RS鎖存器時，需要調(diào)整輸入信號的邏輯電平。具體來說，當(dāng)Set（S）輸入為低電平時（相當(dāng)于與非門中的高電平），通過或非門的邏輯運(yùn)算，可以使得輸出Q置為1；同樣地，當(dāng)Reset（R）輸入為低電平時（相當(dāng)于與非門中的高電平），可以使得輸出Q置為0。當(dāng)Set（S）和Reset（R）輸入均為高電平時（相當(dāng)于與非門中的低電平），RS鎖存器將保持當(dāng)前的狀態(tài)不變。

六、RS鎖存器的應(yīng)用實(shí)例

基本RS鎖存器雖然電路相當(dāng)簡單，但有很廣泛的使用，下圖是在時序電路是廣泛使用的消除抖動開關(guān)電路的使用的例子。

我們通常使用的開關(guān)一般是機(jī)械觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)開關(guān)的合上和斷開的，由于機(jī)械觸點(diǎn)存在彈性，這就決定了當(dāng)它們合上的時候，產(chǎn)生反彈的問題，反映在電信號上將出現(xiàn)不規(guī)則的脈沖信號，若要求合上輸出就為低電平時，就須通過電路加以改進(jìn)，此圖就實(shí)現(xiàn)變個功能。

RS鎖存器由于其簡單性和實(shí)用性，在數(shù)字系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。以下列舉幾個典型的應(yīng)用實(shí)例：

寄存器：在CPU中，寄存器是存儲臨時數(shù)據(jù)的重要部件。RS鎖存器可以作為寄存器的一部分，用于存儲和保持CPU執(zhí)行指令時所需的臨時數(shù)據(jù)。

觸發(fā)器：觸發(fā)器是數(shù)字電路中用于存儲和傳輸信息的基本單元。RS鎖存器可以作為觸發(fā)器的一種基礎(chǔ)形式，雖然在實(shí)際應(yīng)用中更常見到的是D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器或T觸發(fā)器等，但RS鎖存器為這些更復(fù)雜的觸發(fā)器提供了基礎(chǔ)概念。通過添加時鐘信號或其他控制邏輯，RS鎖存器可以被擴(kuò)展為這些更高級的觸發(fā)器。

開關(guān)電路：在數(shù)字電子學(xué)中，RS鎖存器經(jīng)常被用作簡單的開關(guān)電路。例如，在控制系統(tǒng)中，它可以根據(jù)外部信號（如按鈕或傳感器）的輸入來開啟或關(guān)閉某個電路。當(dāng)Set信號被激活時，電路打開；當(dāng)Reset信號被激活時，電路關(guān)閉。

同步控制：在需要精確同步的電路中，RS鎖存器可以用來確保不同部分的操作按照預(yù)定的順序進(jìn)行。通過精心設(shè)計(jì)的時鐘信號和觸發(fā)邏輯，可以確保RS鎖存器在適當(dāng)?shù)臅r候接收Set或Reset信號，從而控制電路的同步操作。

數(shù)據(jù)鎖存：在數(shù)據(jù)傳輸過程中，為了防止數(shù)據(jù)丟失或錯誤，經(jīng)常需要使用鎖存器來暫存數(shù)據(jù)。RS鎖存器可以在接收到有效數(shù)據(jù)后，將其鎖存起來，直到下一個時鐘周期或觸發(fā)信號到來時才釋放數(shù)據(jù)。這種特性使得RS鎖存器在數(shù)據(jù)通信和存儲系統(tǒng)中非常有用。

狀態(tài)機(jī)：在狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)中，RS鎖存器可以用來表示系統(tǒng)的不同狀態(tài)。通過控制Set和Reset信號的輸入，可以切換系統(tǒng)的狀態(tài)，并根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的操作。雖然在實(shí)際應(yīng)用中，更復(fù)雜的觸發(fā)器（如JK觸發(fā)器）可能更適合用于狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)，但RS鎖存器作為基礎(chǔ)概念仍然具有重要的指導(dǎo)意義。

故障檢測和恢復(fù)：在數(shù)字系統(tǒng)中，故障檢測和恢復(fù)是非常重要的功能。RS鎖存器可以通過其雙穩(wěn)態(tài)特性來檢測電路中的故障，并在檢測到故障時通過Reset信號將系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。這種機(jī)制有助于提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

時序電路中的時序元素：在時序電路中，RS鎖存器可以作為時序元素之一，與其他時序元素（如時鐘、計(jì)數(shù)器等）協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的時序控制功能。例如，在計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)中，RS鎖存器可以用來存儲計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值，并在需要時將其輸出到外部電路。