Электроника:Цифровая электроника/Мультивибраторы/Цифровая логика с обратной связью
Поддержать проект | Содержание | Теория | Практика | Проверка знаний | Рецепты | Резерв | Резерв | Резерв | Резерв | Резерв |
Цифровая логика с обратной связью[1]
В простых схемах вентильной и комбинационной логики для каждого заданного состояния входа существует определённое состояние выхода. Возьмём, к примеру, таблицу истинности вентиля ИЛИ:
Для каждой из четырёх возможных комбинаций входных состояний (0-0, 0-1, 1-0 и 1-1) существует одно определённое и однозначное выходное состояние. Независимо от того, имеем ли мы дело с множеством каскадных вентилей или с одним вентилем, это выходное состояние определяется таблицей(-ами) истинности для вентиля(-ей) в схеме и ничем другим. Однако если мы изменим эту вентильную схему так, чтобы обеспечить обратную связь по сигналу с выхода на один из входов, случится странное:
Мы знаем, что если A равно 1, выход также должен быть 1. Такова природа вентиля ИЛИ: любой «высокий» (1) вход влечёт «высокий» (1) выход. Однако, если вход A «низкий» (0), нельзя гарантировать логический уровень или состояние выхода в нашей таблице истинности.
Поскольку выход возвращается на один из входов логического элемента ИЛИ, а мы знаем, что любой «высокий» (1) вход логического элемента ИЛИ даёт «высокий» (1) выход, эта схема «зафиксируется» в состоянии 1 для выхода если в любой период времени A будет равно 1. Когда A равен 0, на выходе может как 0 так и 1 – в зависимости от предшествующего состояния схемы!
Правильный способ заполнить приведённую выше таблицу истинности — указать термин «защёлка» вместо вопросительного знака, указывающий на то, что выход сохраняет свое предшествующее состояние, если A равно 0.
Любая цифровая схема, использующая обратную связь, называется мультивибратором. Простой пример, который мы только что рассмотрели с вентилем ИЛИ называется бистабильным мультивибратором. Он называется «бистабильным», потому что может стабилизироваться в одном из двух возможных выходных состояний: или 0 или 1.
Существуют также моностабильные мультивибраторы, которые имеют только одно стабильное выходное состояние (называемое устойчивым состоянием), которое мы рассмотрим позже; и нестабильные мультивибраторы, которые не имеют стабильного состояния (колеблются между выходным сигналом 0 и 1).
Простейший нестабильный мультивибратор представляет собой инвертор, выход которого напрямую подаётся обратно на вход:
Если на вход подать 0, выход переключается на 1. Этот выход, равный 1, возвращается на вход как 1. Когда на входе 1, выход переключается на 0. Этот 0 на выходе возвращается на вход как 0, и весь цикл повторяется.
В результате получается высокочастотный (несколько мегагерц) генератор, если его реализовать с твердотельным (полупроводниковым) инверторным вентилем.
Если реализовать в релейной логике, результирующий генератор будет значительно медленнее, циклически повторяясь с частотой, находящейся в пределах звукового диапазона. Сформированная таким образом схема зуммера или вибратора широко использовалась в ранних радиосхемах как способ преобразования стабильной низковольтной мощности постоянного тока в пульсирующую мощность постоянного тока, напряжение которой затем можно было повышать с помощью трансформатора для получения высокого напряжения, необходимого для работы. Это использовалось, например, в ламповых усилителях.
Инженеры Генри Форда также использовали схему «зуммера + трансформатор» для создания постоянного высокого напряжения для работы свечей зажигания в автомобильных двигателях легендарной модели «T»:
Заимствуя терминологию из старых схем механического зуммера (вибратора), инженеры твердотельных схем называли любую схему с двумя или более вибраторами, соединёнными вместе, мультивибратором. Упомянутый ранее нестабильный мультивибратор с одним «вибратором» чаще реализуется с несколькими вентилями, как мы увидим позже. Наиболее интересными и широко используемыми мультивибраторами являются бистабильные мультивибраторы, поэтому сейчас мы рассмотрим их подробно.