详解SR锁存器不定态

  学过数字电路的同学应该都知道SR锁存器，结构简单，一般由两个与非门或者两个或非门组成，原理比较简单，就是具有保持和锁存电平的作用，但是也有缺陷不定态存在，很多书上指出只要输入满足SR=1，输出就是不确定状态，但事实真的如此？

01 SR锁存器原理

  先根据电路粗略讲解一下SR锁存器功能，熟悉的同学可以跳过这部分。

图1 与非门构成的SR锁存器

图2 或非门构成发SR锁存器

  上面两图分别是使用两个与非门和两个或非门组成的SR锁存器，本文以图2两个或非门组成的SR锁存器进行功能分析。
  当SD=1，RD=0时，或非门G2一端以SD作为输入，故G2输出低电平，G2和RD作为G1的输入，所以G1输出为高电平，此时SR锁存器输出Q端为高电平，Q’为低电平。Q的次态与Q的现态无关，输出端Q均为高电平，故SD被称为置数端。
  当SD=0，RD=1时，因为或非门G1的RD端输入高电平，所以G1输出端输出低电平，或非门G2输入均为低电平，则Q非为高电平，故SR锁存器Q输出为低电平，Q’输出高电平。Q的次态与Q现态无关，输出端均为低电平，RD被称为SR锁存器清零端。
  当SD=0，RD=0，Q的现态为0时，则Q’的次态为高电平，进而推出或非门G1的输出为低电平，所以Q的次态为0；当Q的现态为1时，则或非门G2的输出为0，或非门G1将RD和或非门G2输出作为输入，所以或非门G1输出高电平，即Q的次态为高电平，由此可知，Q端的次态和现态保持相同，所以当SD与RD端输入数据均无效时，SR锁存器具有保持功能。
  由上总结出如下真值表：

表1 或非门组成的SR锁存器真值表

SD	RD	Q(现态)	Q*(次态)	功能
0	0	0	0	保持
0	0	1	1	保持
0	1	0	0	清零
0	1	1	0	清零
1	0	0	1	置数
1	0	1	1	置数
1	1	0	0(不定态)	清零
1	1	1	0(不定态)	清零

  由真值表知，当置数端（SD）有效时，Q的次态为1，清零端（RD）有效时，Q的次态为0，当SD和RD均无效时，Q的次态为Q现态的值，具有保持功能，当清零端与置数端均有效时呢？即不定态。 1
  注意：为什么或非门构成的SR锁存器输入高电平时被认为是有效的，而由与非门构成的SR锁存器输入低电平时被认为是有效的？
   这是因为或非门任一输入为高电平，输出是确定的低电平，与非门任一输入为低电平，输出就是确定状态。

02 SR锁存器不定态

图3 或非门构成发SR锁存器

  分析1：SD端与RD端均有效，即SD=1且RD=1时，由于两个与非门G1，G2均有一个输入端为高电平，则Q和Q’均为低电平，此时SR锁存器的输出是确定的，并不是所谓的不定态。对应的时序图如下图所示红色部分：

图4 SD端与RD端均有效时序图

  分析2：继分析1，当SD端和RD端输入均为高电平时，Q与Q’均输出低电平，此时SD由高电平变为低电平，RD保持高电平。由于与非门G2输入均为低电平，所以G2输出高电平，即Q’为高电平。而或非门G1输入均为高电平，所以G1输出为低电平，即Q为低电平，此时SR锁存器的输出也是确定的。时序图如下图5所示：

图5 SD端先由高电平变为低电平的时序图

  分析3：继分析1，当SD端和RD端输入均为高电平时，Q与Q’均输出低电平，此时RD由高电平变为低电平，SD保持高电平，则与非门G1输入均为低电平，G1输出则为高电平，即Q输出高电平。而或非门G2输入均为高电平，G2输出则为低电平，即Q’为低电平，此时SR锁存器的输出Q与Q’也是确定的。时序图如下图6所示：

图6 RD端先由高电平变为低电平的时序图

  分析4：继分析1，当SD端和RD端输入均为高电平时，Q与Q’均输出低电平，SD与RD同时由高电平变为低电平（有效变为无效）时就比较有趣了，在SD与RD变化之前，Q与Q’稳定输出低电平，所以或非门G1和G2的一个端口均输入稳定低电平。如果RD变为低电平，会如分析3所示，锁存器输出Q为高电平。如果SD变为低电平，会如分析2所示，锁存器输出Q为低电平。如果SD与RD同时为0，若芯片管脚SD到或非门G2输入端距离较短时，则SD由高变低会传输更快起作用，使得Q’输出高电平，Q输出低电平。若芯片管脚RD到或非门G1输入端距离较短时，则RD由高变低会传输更快起作用，使得Q输出高电平，Q’输出低电平。这种由距离决定输出结果的状态，一般被称为不定态，因为在使用芯片之前，并不能分析出准确的输出结果。对应时许图如下图7所示：

图7 SD与RD端同时由高变为低电平

  SD与RD同时有效的含义：SD有效是SR具有置数作用，RD有效时SR锁存器具有清零作用，设计者想要此器件同时拥有清零和置数的功能，此时不能说器件有问题，而是使用者的思路有问题，即使该状态可以得到确定的值，使用时还是会避免这个状态。

03 总结

  即使SR锁存器的输入端同时有效，输出端的次态也是确定的，只有当输入端同时有效，并且同时由有效变为无效时，SR锁存器的输出才是不定态，即不能确定输出的状态。