锁存器
一、概述
锁存器(Latch)是一种对电平敏感的存储单元电路,在数字电路中临时存储 1 位二进制数据。锁存器可以使用各种数字逻辑门(如与门、或门、非门、与非门和或非门)来实现,其核心特性是电平触发,在使能信号有效时,输出状态随输入信号的变化而变化;而在使能信号无效时,其输出状态被锁定,直到使能信号再次有效。
二、双稳态电路
双稳态电路是锁存器的基础,了解锁存器之前首先要掌握双稳态电路的特性。
双稳态电路是一种数字电路,有两个输入端,分别称为置位(Set,简写为 S)和复位(Reset,简写为 R),输出端称为 Q 和 \(\overline {\rm{Q}} \)(Q 的相反值)。
在最常见的双稳态电路中,S 和 R 输入通常默认为 0,必须上升到 1 才能改变输出状态。
当 S 变为 1 时,输出 Q 变为 1,而 \(\overline {\rm{Q}} \) 变为 0
当 R 变为 1 时,输出 Q 变为 0,而 \(\overline {\rm{Q}} \) 变为1
注:
(1)在正常操作中,S 和 R 通常都是保持 0
(2)Q 总是 \(\overline {\rm{Q}} \) 的相反值
(3)不能同时使 S 和 R 为 1,这会使得输出的状态将不确定
(4)由 NOR 构建的双稳态电路时高电平有效,由 NAND 构建的双稳态电路时低电平有效。
时序图
(1)当 S 输入 1 时,输出 Q 变为 1。再次操作 S 为 0 或 1 不会对输出 Q 产生影响;
(2)当 R 输入 1 时,输出 Q 变为 0。再次操作 R 为 0 或 1 不会对输出 Q 产生影响;
(3)R 和 S 输入可以是瞬间的脉冲。
双稳态电路在报警电路中特别有用,其中一个输入(传感器或探测器)会使报警铃响起,而另一个输入(安保人员的钥匙)会使报警恢复到静音状态。
简易逻辑门双稳态电路
双稳态电路的核心是由两个非逻辑门组成,每个逻辑门的输出都连接到另一个逻辑门的输入上,这样的电路有两个稳定状态。如下图所示:
(1)当 A = 0 时,则 B = 1。因为 B = 1,则 C = 0。C 连接到 A,所以 A = 0。
(2)当 A = 1 时,则 B = 0。因为 B = 0,则 C = 1。C 连接到 A,所以 A = 1。
但这个电路并不好。为了设置或重置双稳态电路,需要将输入 A 或输入 B 强制为 1 或 0。但输入端同时也是其他逻辑门的输出端,强制逻辑门的输出为 1 或 0 可能会导致问题。
如果我们假设当 A = 0 时强制 A 为 1,那么输出 C 将试图保持 0,这样 A 到底是 1 还是 0 呢?可能会导致不确定的状态,双稳态电路可能无法正常工作,或者不可靠,最坏的情况下,由于输出被强制为 1 或 0,逻辑门可能会损坏。
三、SR 锁存器
SR 锁存器(SR Latch)是数字电路中最基础的存储元件之一,由两个交叉耦合的逻辑门(或非门或与非门)构成,通过置位(S)和复位(R)信号控制输出状态。SR 锁存器可分为基本 SR 锁存器和门控 SR 锁存器(增加使能输入信号,可使能或禁用输入端S和R对锁存器状态的影响),符号如下:
3.1 基本 SR 锁存器
基于或非门构成的 SR 锁存器
或非门电路符号及真值表如下:
当 A = 0 时,可以得到一个 B 为输入、Q 为输出的非门;当 A = 1 时,无论 B 的状态如何,Q = 0。(在这里,A 的作用就像一个复位 R)
使用或非门搭建双稳态电路,当 S 和 R 都为 0 时,或非门就像非门一样工作,双稳态电路有两个稳定状态。S 和 R 可以安全地设置为 1,因为它们没有直接连接到或非门的输出,而是输入端。
(1)当 S = 0,R = 0,Q = 0 时,Q 和 S 经过与非门得到 \(\overline {\rm{Q}} \) = 1,R 和 \(\overline {\rm{Q}} \) 经过与非门得到 Q = 0。
此时将 S 置为 1 会强制 \(\overline {\rm{Q}} \) = 0,R 和 \(\overline {\rm{Q}} \) 经过与非门得到 Q = 1,Q 和 S 经过与非门得到 \(\overline {\rm{Q}} \) = 0。
由此可见,将 S 置为1会强制 Q = 1。
(2)当 S = 0,R = 0,Q = 1 时,Q 和 S 经过与非门得到 \(\overline {\rm{Q}} \) = 0,R 和 \(\overline {\rm{Q}} \) 经过与非门得到 Q = 1。
此时将 R 置为 1 会强制 Q = 0,Q 和 S 经过与非门得到 \(\overline {\rm{Q}} \) = 1,R 和 \(\overline {\rm{Q}} \) 经过与非门得到 Q = 0。
由此可见,将 R 置为 1 会强制 Q = 0。
真值表如下:
基于与非门构成的SR锁存器
与非门电路符号及真值表如下:
当 A = 1 时,可以得到一个 B 为输入,Q 为输出的非门;当 A = 0 时,无论 B 的状态如何,Q = 1。(在这里,A 的作用就像一个置位 S)
使用与非门搭建双稳态电路,当 S 和 R 都为 1 时,与非门就像非门一样工作,双稳态电路有两个稳定状态。S 和 R 可以安全地设置为 0,因为它们没有直接连接到与非门的输出,而是输入端。
(1)当 S = 1,R = 1,Q = 0 时,Q 和 R 经过与非门得到 \(\overline {\rm{Q}} \) = 1,S 和 \(\overline {\rm{Q}} \) 经过与非门得到 Q = 0。
此时将S置为 0 会强制 Q = 1,Q 和 R 经过与非门得到 \(\overline {\rm{Q}} \) = 0,S 和 \(\overline {\rm{Q}} \) 经过与非门得到 Q = 1。
由此可见,将 S 置为 0 会强制 Q = 1。
(2)当 S = 1,R = 1,Q = 1 时,Q 和 R 经过与非门得到 \(\overline {\rm{Q}} \) = 0,S 和 \(\overline {\rm{Q}} \) 经过与非门得到 Q = 1。
此时将 R 置为 0 会强制 \(\overline {\rm{Q}} \) = 1,Q 和 R 经过与非门得到 Q = 0,S 和 \(\overline {\rm{Q}} \) 经过与非门得到 \(\overline {\rm{Q}} \) = 1。
由此可见,将 R 置为 0 会强制 Q = 0。
真值表如下:
3.2 门控 SR 锁存器
门控 SR 锁存器是在基本 SR 锁存器的基础上,增加使能信号(通常标记为 E 或 EN)控制的改进型锁存器,通过使能端控制输入信号的有效性,从而限制输入对输出的影响时段。
基于或非门构成的门控 SR 锁存器
或非门构成的门控 SR 锁存器逻辑图如下:
(1)使能信号 CLK 为高电平有效:
当 CLK = 0 时,内部基本SR锁存器的两个输入均为 0,此时锁存器处于保持状态;
当 CLK = 1 时,输入 S 和 R 才被允许改变输出 Q 的状态。
(2)当 CLK = 1 时:
S = 0,R = 0,锁存器处于保持状态;
S = 1,R = 0,锁存器处于置位状态;
S = 0,R = 1,锁存器处于复位状态;
S = 1,R = 1 为禁止状态。
真值表如下:
基于与非门构成的门控 SR 锁存器
与非门构成的门控 SR 锁存器逻辑图如下:
在基于与非门构成的门控 SR 锁存器中,当 CLK = 0 时,内部基本 SR 锁存器的两个输入均为 0,此时锁存器处于保持状态,真值表相同。
四、D 锁存器
D 锁存器是一种基于 SR 锁存器改进而来的存储器件。在D锁存器电路中,输入端的反相器确保S和R输入总是相反的,以避免两者同时为1的无效状态。
D 锁存器有一个使能引脚,当使能信号为高电平时,输出 Q 会跟随输入 D 的状态变化,即输入D的数据直接传递到输出 Q 上;而当使能信号为低电平时,无论输入 D 如何变化,输出 Q 都保持其最后的状态不变,从而实现数据的锁存功能。
(1)当 EN = 0 时,电路进入保持状态,输出 Q 保持不变
(2)当 EN = 1 时,输入 D 通过前级门电路传递到输出 Q
真值表如下:
发布时间:2025/8/8 下午10:02:04 阅读次数:187