Защелка NOR Gate S-R

ДЕТАЛИ И МАТЕРИАЛЫ

• Четырехъядерный шлюз NOR 4001 (каталог Radio Shack № 276-2401)
• Восьмипозиционный DIP-переключатель (каталог Radio Shack № 275-1301)
• Светодиодный индикатор десятисегментной гистограммы (каталог Radio Shack № 276-081).
• Одна батарея на 6 В
• Два резистора 10 кОм.
• Два резистора 470 Ом.
• Два резистора 100 Ом.

Осторожно! Микросхема 4001 - это КМОП-матрица, поэтому она чувствительна к статическому электричеству!

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ

Уроки электрических цепей , Том 4, глава 3:«Логические ворота»

Уроки электрических цепей , Том 4, глава 10:«Мультивибраторы»

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

• Изучить влияние положительной обратной связи в цифровой схеме.
• Что подразумевается под «недопустимым» состоянием схемы защелки
• Что за состояние гонки находится в цифровой цепи
• Знать важность допустимых «высоких» уровней напряжения сигнала CMOS.

СХЕМА

ИЛЛЮСТРАЦИЯ

ИНСТРУКЦИИ

Интегральная схема 4001 представляет собой КМОП-элемент с четырьмя элементами ИЛИ-НЕ, идентичный по входу, выходу и назначению выводов источника питания четырехканальному элементу И-НЕ 4011. Его «распиновка» или «схема подключения» выглядит так:

Когда два логических элемента ИЛИ-НЕ перекрестно соединены, как показано на схематической диаграмме, будет положительная обратная связь от выхода к входу. То есть выходной сигнал стремится поддерживать затвор в его последнем выходном состоянии. Как и в схемах операционных усилителей, положительная обратная связь создает гистерезис . .

Эта тенденция схемы оставаться в своем последнем выходном состоянии дает ей своего рода «память». Фактически, существуют технологии твердотельной компьютерной памяти, основанные на подобных схемах!

Если мы обозначим левый переключатель как вход «Set», а правый переключатель как «Reset», левый светодиод будет выходом «Q», а правый светодиод - выходом «Q-not». Если вход Set «высокий» (переключатель включен), а вход сброса «низкий», Q перейдет в «высокий», а Q-not - на «низкий».

Это известно как набор состояние цепи. Если для входа Reset устанавливается высокий уровень, а для входа Set - «низкий», то выходное состояние схемы защелки меняется на противоположное:Q - «низкий», а Q - не «высокий». Это называется сбросом . состояние цепи. Если оба входа переведены в состояние «низкий», выходы схемы Q и Q-not останутся в своих последних состояниях, «запоминая» свои предыдущие настройки. Это называется фиксированным состояние цепи.

Поскольку выходы обозначены «Q» и «Q-not», подразумевается, что их состояния всегда будут дополнительными (противоположными). Таким образом, если что-то произойдет, что заставит оба выхода стать одинаковыми состояние, мы были бы склонны назвать этот режим схемы «недействительным».

Это именно то, что произойдет, если мы сделаем оба входа Set и Reset «высокими»:выходы Q и Q-not будут принудительно переведены в одно и то же «низкое» логическое состояние. Это известно как недопустимый или незаконно состояние схемы не потому, что что-то пошло не так, а потому, что выходы не соответствовали ожиданиям, установленным их этикетками.

Поскольку «зафиксированное» состояние - это гистерезисное состояние, при котором последние выходные состояния «запоминаются», можно задаться вопросом, что произойдет, если схема включится таким образом, при отсутствии предыдущего состояния для удержания . Чтобы поэкспериментировать, переведите оба переключателя в положение «выключено», сделав низкий уровень входов Set и Reset, затем отсоедините один из проводов аккумулятора от макета.

Затем быстро замкните и прервите контакт между этим проводом аккумулятора и его правильной точкой подключения на макете, отмечая состояние двух светодиодов, когда на схему снова и снова подается питание:

Когда схема защелки, такая как эта, переходит в «зафиксированное» состояние, ворота соревнуются друг с другом за управление. Учитывая «низкий» вход, оба гейта пытаются выдать «высокий» сигнал. Если один из гейтов достигает своего «высокого» выходного состояния раньше другого, это «высокое» состояние будет передано обратно на вход другого гейта, чтобы заставить его выход «низкий», и гонка будет выиграна более быстрым гейтом. P>

Неизменно один вентиль побеждает в гонке из-за внутренних различий между вентилями в микросхеме и / или внешних сопротивлений и емкостей, которые задерживают один вентиль больше, чем другой. Обычно это означает, что схема имеет тенденцию включаться в одном и том же режиме снова и снова. Однако, если вы постоянно выполняете циклы включения / выключения питания, вы должны хотя бы несколько раз увидеть, когда схема защелки включается в противоположном состояние нормальное.

Условия состязания обычно нежелательны в системах любого типа, так как они приводят к непредсказуемой работе. Как показывает этот эксперимент, их может быть особенно сложно обнаружить из-за непредсказуемости, которую они создают. Представьте, например, сценарий, в котором один из двух вентилей ИЛИ-НЕ работал исключительно медленно из-за дефекта в микросхеме.

Этот гандикап заставлял другие ворота выигрывать гонку усиления каждый раз. Другими словами, схема будет очень предсказуемой при включении питания с низким уровнем обоих входов. Однако предположим, что необычный чип должен быть заменен на один с более равномерно согласованными логическими элементами или на чип, в котором другой Ворота NOR были постоянно медленнее.

Нормальное поведение схемы не должно изменяться при замене компонента, но при наличии состояния гонки смена компонентов вполне может сделать именно это.

Из-за присущей защелке SR склонности к гонке, не следует проектировать схему с ожиданием стабильного состояния при включении питания, а следует использовать внешние средства для «форсирования» гонки, чтобы желаемые ворота всегда «побеждали».

Интересная модификация, которую можно попробовать в этой схеме, - заменить один из «падающих» резисторов светодиода 470 Ом на более низкое значение, например 100 Ом. Очевидным эффектом этого изменения будет увеличение яркости светодиода, поскольку пропускается больший ток.

Также будет получен не столь очевидный эффект, и именно этот эффект имеет большую ценность для обучения. Попробуйте заменить один из резисторов 470 Ом на резистор 100 Ом и переключите входной сигнал с помощью всех четырех возможных комбинаций настроек, обращая внимание на поведение схемы.

Следует отметить, что схема отказывается фиксироваться в одном из своих состояний (Set или Reset), но только в другом состоянии, когда оба входных переключателя установлены на «низкий» (режим «защелки»). Почему это? Возьмите вольтметр и измерьте выходное напряжение затвора, выход которого «высокий», когда оба входа «низкие».

Обратите внимание на эту индикацию напряжения, затем установите входные переключатели таким образом, чтобы другие состояние (Reset или Set) принудительно и измеряет выходное напряжение другого затвора, когда его выход «высокий». Обратите внимание на разницу между двумя уровнями выходного напряжения затвора:один затвор нагружен светодиодом с резистором 470 Ом, а другой - светодиодом с резистором 100 Ом.

Напряжение, нагруженное «более тяжелой» нагрузкой (резистор 100 Ом), будет намного меньше:напряжение, намного меньшее, чем это значение, вообще не будет интерпретировано входом другого логического элемента ИЛИ-НЕ как «высокий» сигнал, поскольку оно подается обратно! Все логические элементы имеют допустимые «высокие» и «низкие» диапазоны входного напряжения сигнала, и если напряжение цифрового сигнала выходит за пределы этого допустимого диапазона, оно может быть неправильно интерпретировано принимающим вентилем.

В такой схеме защелки, которая зависит от твердого «высокого» сигнала, возвращаемого с выхода одного затвора на вход другого, «слабый» сигнал не сможет поддерживать положительную обратную связь, необходимую для сохранения цепь зафиксирована в одном из своих состояний.

Это одна из причин, по которой я предпочитаю использовать вольтметр в качестве логического «щупа» для определения уровней цифрового сигнала, а не фактический логический пробник с индикаторами «высокий» и «низкий». Логический пробник может не указывать на наличие «слабого» сигнала, в то время как вольтметр определенно указывает на его количественную индикацию.

Проблемы этого типа, часто встречающиеся в схемах, в которых смешаны разные «семейства» интегральных схем (например, TTL и CMOS), можно найти только с помощью испытательного оборудования, обеспечивающего количественные измерения уровня сигнала.