RS-триггер на элементах ИЛИ-НЕ (NOR): сборка и понимание цифровой памяти

Детали и материалы

• 4001 — четырехвходовый элемент ИЛИ-НЕ (NOR) (каталог Radio Shack # 276-2401)
• Восьмипозиционный DIP-переключатель (каталог Radio Shack # 275-1301)
• Десятисегментная шкальная индикация (LED) (каталог Radio Shack # 276-081)
• Одна батарея 6 В
• Два резистора 10 кОм
• Два резистора 470 Ом
• Два резистора 100 Ом

Осторожно! CMOS микросхема 4001 высокочувствительна к статическому разряду. Обращайтесь с осторожностью.

ПЕРЕКРЁСТНЫЕ ССЫЛКИ

Lessons In Electric Circuits, Том 4, глава 3: «Логические элементы»

Lessons In Electric Circuits, Том 4, глава 10: «Мультивибраторы»

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

• Понять влияние положительной обратной связи в цифровой схеме.
• Определить «недопустимое» состояние RS-триггера.
• Объяснить состояние гонки (race condition) и его последствия.
• Осознать важность корректных высоких уровней сигналов CMOS.

СХЕМА

ИЛЛЮСТРАЦИЯ

ИНСТРУКЦИИ

Микросхема 4001 — CMOS четырехвходовый элемент NOR с назначением выводов, идентичным 4011. Её распиновка показана ниже:

Когда два элемента NOR перекрёстно соединены, как проиллюстрировано, выход возвращается на вход, создавая положительную обратную связь и гистерезис. Эта обратная связь наделяет схему простой формой памяти: однажды установленная, она удерживает своё состояние до тех пор, пока новый вход не заставит её измениться.

Пометьте левый переключатель как Set (установка), а правый — как Reset (сброс). Левый светодиод представляет выход Q; правый — Q-не. Высокий Set и низкий Reset заставляют Q быть высоким, а Q-не — низким (состояние установка). Наоборот, высокий Reset и низкий Set заставляют Q быть низким, а Q-не — высоким (состояние сброс). Когда оба входа низкие, триггер сохраняет предыдущее состояние — защёлкнутое состояние. Если оба входа высокие, выходы принудительно приводятся к одному логическому уровню, что нарушает требование дополнения и называется недопустимым состоянием.

Для наблюдения поведения триггера при включении питания установите оба переключателя в положение выключено (низкие входы), отключите один провод батареи, затем быстро подключите его снова, наблюдая за светодиодами. Схема войдёт в гонку: каждый элемент пытается затянуть другой в высокое состояние; более быстрый выигрывает, и его состояние запоминается. Из-за несоответствий состояние при включении часто последовательно, но повторные циклы могут раскрыть случайные противоположные состояния, иллюстрируя непредсказуемость состояний гонки.

Состояния гонки могут быть проблематичны в реальных системах, особенно когда дефектный или более медленный элемент последовательно выигрывает гонку, вызывая стабильное, но неверное состояние. Замена компонентов может изменить исход гонки, приводя к тонким ошибкам, трудно обнаруживаемым.

Для устранения зависимости от непредсказуемого состояния при включении, проектировщики обычно используют внешний механизм сброса или установки, чтобы принудительно перевести триггер в известное состояние при запуске.

Научительная модификация — заменить один резистор 470 Ом светодиода на более низкое значение, например 100 Ом. Это увеличивает яркость светодиода и вводит асимметрию нагрузки, влияющую на способность триггера удерживать состояние. При переборе всех четырёх комбинаций входов вы заметите, что триггер не удерживается в одном из состояний, когда оба входа низкие. Измерение выходного напряжения высокого элемента вольтметром показывает, что элемент с нагрузкой 100 Ом даёт более слабый высокий уровень, падающий ниже порога, необходимого для управления входом другого элемента NOR. В отличие от этого, элемент с 470 Ом поддерживает более сильный высокий уровень, успешно защёлкивая схему.

Эти наблюдения подчёркивают, почему предпочтительнее использовать вольтметр как логический зонд: вольтметр даёт количественное напряжение, раскрывая слабые сигналы, которые простой логический зонд может пропустить. Это особенно важно при смешивании разных логических семейств (например, TTL и CMOS), где пороги напряжений могут существенно отличаться.