文章目录

1. SR锁存器

1.1 电路结构

1.2 电路解析

2. 带en输入的SR锁存器

2.1 ​​​​​​​电路结构

2.2 工作原理

3. ​​​​​​​带En输入的D锁存器

3.1 电路结构

3.2 工作原理

4. ​​​​​​​边沿触发的D触发器

4.1 电路结构

4.2 工作原理

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1. SR锁存器

​​​​​​​1.1 电路结构

SR锁存器（set-reset-Latch）是静态存储单元中最基本且结构最简单的一种电路。锁存器是一种双稳态电路，它可以保持一个二进制状态，直到输入信号改变。锁存器在电平触发下工作，这意味着它在输入信号为特定电平（高电平或低电平）时，响应并改变其状态。SR锁存器有两种构成方式：一种是由两个或非门构成，另一种是由两个与非门构成。尽管构成方式不同，这两种SR锁存器的功能是相同的。下面，我们将以与非门构成的SR锁存器为例进行介绍。

1.2 电路解析

假设SR锁存器一开始的输入S、R 都为高电平（1），此时输出端Q和Q`的电平是无法确定的。这个状态为初始状态。

此时如果S的输入由1变为0，无论Q‘的电平是高或低，经过S(0)与非的计算，Q的电平都会变为1。

Q'的电平经过Q和R的与非计算会变为0. 并且无论S的电平变为什么，输出Q和Q'都会被锁定，不会发生变化。这个过程为置位(set)。

将S重新置为1，接下来将R置为0，此时经过与非计算，Q’会变为1.Q会变为0。这个过程为复位(reset)。

如果S和R同时为0，经过计算，Q和Q'会同时为1。但是这种情况是不允许的，因为SR寄存器要求输出的Q和Q‘永远相反。

总结：

• 当S`为1，R`为1， Q和Q`状态不变；
• 当S`为0，R`为1， Q=1、Q`=0；(置位)
• 当S`为1，R`为0， Q=0、Q`=1；(复位)
• 当S`为0，R`为0，电路无意义

S`输入	R`输入	Q输出	Q`输出
1	1	维持不变	维持不变
0	1	1	0
1	0	0	1
0	0	1(无意义)	1(无意义)

如果是用或非门来组成锁存器，输入输出反过来。

• 当S`为0，R`为0， Q和Q`状态不变；
• 当S`为1，R`为0， Q=1、Q`=0；(置位)
• 当S`为0，R`为1， Q=0、Q`=1；(复位)
• 当S`为1，R`为1，电路无意义

S`输入	R`输入	Q输出	Q`输出
0	0	维持不变	维持不变
1	0	1	0
0	1	0	1
1	1	1(无意义)	1(无意义)

2. ​​​​​​​带en输入的SR锁存器

2.1 ​​​​​​​电路结构

上面的SR锁存器尽管可以锁住输出状态，但是没法控制设置输出的时机。所以需要给这个电路加上一些其他组件，在锁存器的基础上，增加一个触发信号输入端。

在这部分电路中，SR锁存器增加了一个使能（enable）输入信号en，这样可以更灵活地控制锁存器的状态。电路分为两个部分：输入控制电路和基本SR锁存器。

• 输入控制电路:

  • 由两个与非门（G3和G4）构成。
  • 输入信号包括S、R和en。
  • 通过en信号控制，决定何时将S和R信号传递给基本SR锁存器部分。

• 基本SR锁存器:

  • 由两个与非门（G1和G2）构成。
  • S和R信号由输入控制电路提供。

2.2 工作原理

En = 0时，输出保持不变

与非门的输出为高电平（1），除非两个输入均为高电平（1）时输出才为低电平（0）。

当使能信号En为0时，输入控制电路的输出S'和R'都为高电平（1），这会导致基本SR锁存器的状态保持不变。因此，无论输入S和R如何变化，锁存器的输出Q和Q'都不会改变。

En = 1 时，正常 SR 锁存器的功能

当使能信号En为1时，输入控制电路的输出S'和R'分别为输入S和R的反相，这将使基本SR锁存器按照正常的SR锁存器功能工作。

3. ​​​​​​​带En输入的D锁存器

3.1 电路结构

从刚才的电路可以看出，当en为1时，如果想将Q设为1，此时S应为1，R应为0；反之，如果想将Q设置为0，S应为0，R应为1。由此可得到，SR恰好为反相输入时，可以顺利的设置Q，所以对电路稍加改造，将S改名为D，并将其反相输入到R，如图，就得到了一个带en输入的D锁存器，其特性为：当en为高电平，Q和D的输入保持一致；当en为低电平，Q保持之前状态不变，从而起到存储作用。

3.2 工作原理

En = 0时，输出保持不变，不受D输入的影响。

En = 1 时，正常 SR 锁存器的功能， 输出Q的值与D输入的值相同。

4. ​​​​​​​边沿触发的D触发器

4.1 电路结构

对于刚才的带En输入的D锁存器，当En为1时，D的输入直接影响Q的输出。为了提高锁存器的可靠性、增强抗干扰能力，希望锁存器的状态仅仅取决于En的下降沿（或上升沿）到来的时候的输入信号状态。

解决方案：D触发器可以解决以上问题。

D触发器在时钟信号的控制下，仅在时钟信号的边沿（上升沿或下降沿）到来时更新输出，这样可以避免输入信号的毛刺和噪声对输出的影响，提高系统的稳定性和可靠性。触发器是一种时序逻辑电路，它在时钟信号的边沿（上升沿或下降沿）触发下工作。触发器每次在时钟信号的有效边沿时，采样输入信号并改变其状态。

电路图中包含两个D锁存器，分别有D、C和Q三个主要信号。

• D：数据输入信号。
• C：时钟信号。
• Q：输出信号。

4.2 工作原理

边沿触发的D触发器在时钟信号的边沿（上升沿或下降沿）到来时才会更新输出Q。这与使能信号控制的D锁存器不同，后者在使能信号为高电平时持续传递输入数据到输出。

• 时钟信号C：当时钟信号C为高电平或低电平变化时（取决于电路设计是上升沿触发还是下降沿触发），触发器才会根据输入D的状态更新输出Q。

当时钟信号C=0时，电路如图所示：

• C=0：时钟信号为低电平。
• 输入信号：D信号通过反相器和两个D锁存器的传输。

状态分析：

• 第一个D锁存器（左侧）：

  • En = 1（因为C被反相）。
  • 输入D信号通过第一个D锁存器直接传递给其输出。
  • 如果D=0，则第一个D锁存器的输出Q = 0；如果D=1，则第一个D锁存器的输出Q = 1。

• 第二个D锁存器（右侧）：

  • En = 0（直接受C控制）。
  • 第二个D锁存器处于阻止状态，其输出保持不变，Q和Q'保持之前的值。

因此，当C=0时，D信号通过第一个D锁存器传递，但不影响最终的Q输出。Q保持不变。

当时钟信号C=1时，电路如图所示：

• C=1：时钟信号为高电平。
• 输入信号：D信号通过反相器和两个D锁存器的传输。

状态分析：

• 第一个D锁存器（左侧）：

  • En = 0（因为C被反相）。
  • 第一个D锁存器处于阻止状态，其输出保持不变，Q保持之前的值。

• 第二个D锁存器（右侧）：

  • En = 1（直接受C控制）。
  • 第二个D锁存器根据第一个D锁存器的输出更新其输出。
  • 如果第一个D锁存器的输出Q = 0，则第二个D锁存器的输出Q = 0；如果第一个D锁存器的输出Q = 1，则第二个D锁存器的输出Q = 1。

因此，当C=1时，D信号通过第一个D锁存器保持，但第二个D锁存器根据第一个D锁存器的输出更新其状态，Q输出更新为D的值。

C信号不论是高电平还是低电平，Q都不会随D变化；只有当C信号由0变1的一瞬间，D的值能够传递到Q。这个电路称为上升沿触发的D触发器。