3.1 基本RS触发器的应用
3.1.1 水箱水位控制电路
在了解水箱水位控制电路前，先来看看如图3-6所示的基本RS触发器。在图3-6中，
和
为两个输入端，两个输出端分别标注为
和Q，以Q这个输出端的状态为触发器的状态。下面分析一下这个电路的逻辑功能，由于图中与非门的输出端信号分别被引入另一个与非门输入端，无法用常规的方法来分析，所以可采用假设的方法。对输出端Q来说，其状态只能为“1”或“0”。我们可以分别分析Q为其中一种状态时，在不同输入情况下的输出的变化，从而可得到如表3-1所示的真值表。
从表3-1可以看到，对低电平有效的两个输入端
和
来说，当任一输入端均无信号输入时，输出端将呈现不变的稳定状态；当仅
端有低电平信号输入时，无论输出端原状态如何，输出Q端都将保持为高电平，
端状态则与之相反；同样，当仅
端有低电平信号输入时，输出端Q仍将保持为低电平，
端状态则同样与之相反；若
端和
端同时输入低电平信号，则输出端Q和
将无法保持原有的反相状态，将同时输出高电平，这时触发器处于失效状态。
图3-6 基本RS触发器
表3-1 由与非门组成的基本RS触发器的真值表
若把
端视为“复位”端，
端视为“置位”端，从上述信息可归纳出电路的以下特点。
（1）当
，
时，触发器输出Q=0，
端称为“复位”端或“置0”端（Reset）。
（2）当
，
时，触发器输出Q=1，
端称为“置位”端或“置1”端（Set）。
（3）由于在无低电平输入信号时，输出端Q和
无论处于哪个状态都是稳定的，所以触发器具有两个稳态，故又称之为双稳态触发器。同时，这一特性也反映了基本RS触发器在输入
时，对输出端Q的状态具有保持记忆（锁存）功能。
由与非门组成的基本RS触发器的逻辑符号如图3-7所示，图中输入端的
、
的“非线”和输入端上的“小圆圈”都表示此种触发器的触发信号是低电平有效。
真值表3-1又可以表述为表3-2的形式。
、
的状态相当于同时向触发器发出了复位和置位请求，因此在使用中应该避免出现这种情况。
图3-7 由与非门组成的基本RS触发器的逻辑符号
表3-2 基本RS触发器的真值表
在实际操作中，可通过在对应输入端送入有效信号的方式获得稳定状态的翻转，如使
，
端加“由1→0，再由0→1”的负脉冲“
”，触发器即稳定输出0；使
，
端加“由1→0，再由0→1”的负脉冲“
”，触发器即稳定输出1。
基本RS触发器对触发信号的要求不是很严格，只要负脉冲的持续时间大于两个门的传输延迟时间，待两个输出端的信号Q和
都翻转完毕，电路就会稳定在新的状态。当触发信号消失（即
）后，电路仍可以靠两个门的输出端对输入端的互锁反馈稳定在新状态上，这就是触发器具有记忆功能的根本原因。
时序图和不定态
触发器的输出状态不仅取决于输入信号，同时还与信号输入之前的输出状态有关，因此，其工作情况又可以用时序图来表示。一般先设初始状态Q为0（也可以设为1），然后根据给定输入信号波形，相应画出输出端Q的波形，如图3-8所示为由与非门组成的基本RS触发器的时序波形图。在时序图中，可清楚看出为什么
和
端不能同时置“0”。图中，当
时，输出端的信号Q和
均为1，若此后
和
信号同时消失，则Q和
为何状态就完全取决于两与非门的传输延迟时间了，该时间短的与非门状态先翻转为“0”，同时使另一与非门锁为“1”，因此，可用斜实线或虚线注明它们，以表示触发器无法确定状态的处于失效状态，直至下一个
或
使输出有确定的状态为止。
图3-8 由与非门组成的基本RS触发器的时序波形图
如果用或非门替代与非门来交叉耦合组成如图3-9所示的逻辑电路，也能组成基本RS触发器，你能否仿照用与非门构成的基本RS触发器的方法分析：R端和S端是低电平有效还是高电平有效？逻辑真值表应如何填写？逻辑符号如何绘制？
图3-9 由或非门组成的基本RS触发器
如图3-10所示为水箱水位控制电路的原理图，水箱外壳可靠接地，a电极和b电极通过电阻R1、R2接入电路。
若水位低于b点，如图3-10（a）所示，两电极所在回路均无电流通过（电极不入水时应有足够大的绝缘电阻），门G1、G3的输入端由电源VCC经电阻R3、R4确定为高电平，门G3的输入端信号
，门G1的输出端及门G2的输入端信号S=0，基本RS触发器输出端的信号Q置1，三极管VT导通，电流流过继电器线圈，其常开触点闭合，通过继电器使电动机运转，水泵向水箱注水。
随着水位的上涨，当电极b浸入水中时，G1的输入端为低电平，
端变为1，而电极a仍然为高阻态
端仍为1，Q的状态不变，仍为1，水泵继续往水箱中注水。
当水位超过电极a时，如图3-10（b）所示
=1，
端变为0，Q端置0，三极管VT截止，KA断电，其触点断开使电动机停止运转，水泵停止注水。
若因用户用水使水位低于电极a，
和
端的状态均为1，水泵保持当前状态直到水位低于电极b时，RS触发器才会产生状态翻转，水泵重新注水。
图3-10 水箱水位控制电路的原理图
电路中的R1～R4为门电路G1、G3输入端的限流电阻，可保证电极a、b的电流及门G1、G3的输入端电流在50～100μA范围内（G1、G2、G3为CMOS门）；电容C1、C2、C3在电路中起去耦抗干扰作用，保证RS触发器和三极管VT输入电压的稳定；R5为VT的基极限流电阻；三极管VT选用3DG130以满足驱动继电器KA线圈的需要；二极管VD构成KA断电瞬间的续流回路，防止出现过高的感应电压。
3.1.2 无抖动开关
在如图3-11（a）所示的开关电路中，按键开关在按下和释放时，通常伴随着一定时间的触点抖动，抖动后才能稳定下来，抖动的效果如图3-11（b）所示，这样的抖动将直接造成逻辑电路的误动作。
在很多电子电路中，常把双稳态触发器加入到开关电路中以抑制其逻辑信号的抖动，无抖动开关及其波形图如图3-12所示，图中所用的是一个单刀双掷开关，这种开关有一个常开触点和一个常闭触点，它总是处于两种状态之一。当开关从常闭打向常开方向时，常闭一端产生后沿抖动，而常开一端则产生前沿抖动，RS触发器Q端原为“1”。由于开关从常闭打到常开，使得Q端从“1”变为“0”，所以无论常开端怎样抖动，总会使Q端为低，从而可达到去抖动的目的。
图3-11 按键开关电路及产生的机械抖动
图3-12 无抖动开关及其波形图
3.1.3 八位抢答器电路
我们曾在项目实施1中用门电路直接搭建了一个三位的简易抢答器，但它无论在选手的数量上，还是在状态的显示上，都有很大的局限性。当我们能够显示出数字，能够进行状态的锁定后，可否尝试着设计一个功能更全面的八位抢答器？八位抢答器的工作示意图如图3-13所示。
图3-13 八位抢答器的工作示意图
我们在第2.3.1节中曾经了解了八位优先编码器芯片CD4532的逻辑功能，可以使用该芯片对选手的按键输入信号进行编码，同时利用芯片的输出使能端信号使某选手抢答成功后及时控制芯片锁存编码，而后来选手的抢答信号无效。在编码过程中，应该意识到芯片输出编码为“000”～“111”，但由于生活中不会有“0”号选手存在，所以需要利用芯片对编码进行调整，这里可以采用加法器，对每个编码采取“加1”操作即可。到这一步，主体功能已经实现了，接下来只需要设计电路的译码显示和音响指示电路即可。
八位抢答器的参考电路如图3-14所示。该电路利用八位优先编码器CD4532、或非门基本RS触发器构成了抢答选手锁定的主体电路，用74LS283超前进位全加器对编码进行了修正，用4513七段码译码/锁存/驱动器和共阴极LED数码管组成了译码显示电路，用与非门组成多谐振荡器送三极管放大后经喇叭发出了声响。
图3-14 八位抢答器的参考电路
在抢答器电路中需要关注以下几个小问题。
（1）灭零：当还没有开始抢答时，数码管应不显示。如表3-3所示为译码芯片4513的真值表，4513中的
端为灯测试端，
端为消隐输入端，RBI端为灭零输入端，EN端为数据锁存输入端，正常数据显示时EN端应为低电平。从电路需求来看，裁判按下按钮而未开始抢答前，无论什么数据都不应该显示出来，因此，在电路中裁判按下按钮S9后会使CD4532的EI端置1。优先编码器在无输入的情况下，有GS=0，EO=1，则Q=1，
=0，使4513的消隐端
=0，数码管不显示。
（2）抢答信号的锁定：正确显示最先抢答者的信息是本电路设计的重点。优先编码器具有输入使能端EI，该端为高电平有效，当出现抢答信号后可以使该端置0，禁止优先编码器工作。同时4513具有锁存功能，在实现显示后可及时锁存信号。当按下按钮S9（为1）时，EI端置1，由于优先编码器无输入，使EO=1，GS=0，由RS触发器Q端送出高电平锁住EI端，裁判松开按钮对电路状态也不影响。当选手按下任一按键时，GS=1，EO=0，使RS触发器的Q=0，
=1，经两级或非门延迟后，CD4532的EI端置低电平，编码功能被禁止，任何略迟按下按键的选手都无法再把自己的信号送入CD4532，而
端的“1”送至4513的
端，撤销了消隐功能，同时经两级门延迟，在优先编码器的选手编号经全加器“加1”送至4513后，锁存了选手编号，使数码管在裁判重新复位前始终显示当前选手编号。
表3-3 译码芯片4513的真值表
