Электроника:Цифровая электроника/Мультивибраторы/SR-защёлка

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

SR-защёлка

Бистабильный мультивибратор имеет два устойчивых состояния, о чём свидетельствует приставка «би-» в его названии. Как правило, одно состояние называется «установочным» (или просто «Установка», англ. Set), а другое — «сбрасываемым» (или просто «Сброс», англ. Reset). Таким образом, простейшее бистабильное устройство известно как защёлка «Установка/Сброс» или SR-защёлка (от англ. Set/Reset Latch). Также используется термин RS-триггер. Чтобы создать SR-защёлку, можно соединить два вентиля ИЛИ-НЕ таким образом, чтобы их выходы закольцовывались на входы друг друга, вот так:

Рис. 1. Вентильная схема бистабильного мультивибратора – выходы двух вентилей ИЛИ-НЕ являются входами друг друга.

Предполагается, что выходы Q и НЕ-Q находятся в противоположных состояниях. Я говорю «предполагается», потому что если входы S и R равны 1, то и Q, и не-Q равны 0. По этой причине, для SR-защёлки является недопустимым, когда и S, и R равны 1.

В противном случае установка S = 1 и R = 0 «устанавливает» мультивибратор так, что Q = 1, а НЕ-Q = 0. И наоборот, установка R = 1 и S = 0 «сбрасывает» мультивибратор в противоположное состояние. Когда и S, и R оба равны 0, выходы мультивибратора «перещёлкиваются» в свои предыдущие состояния.

Обратите внимание, ту же функцию мультивибратора можно реализовать в лестничной логике с теми же результатами:

Рис. 2. Релейная схема бистабильного мультивибратора.

По определению условие Q = 1 и НЕ-Q = 0 является «установочным». Состояние Q = 0 и НЕ-Q = 1 является «сбросом». Эти термины универсальны для описания выходных состояний любой мультивибраторной схемы. Проницательный наблюдатель заметит, что начальные условия включения вентильной или лестничной разновидности SR-защёлки таковы, что оба вентиля (реле) начинают работать в обесточенном режиме.

Таким образом, можно было бы ожидать, что схема запустится в недопустимом режиме, когда выходы Q и НЕ-Q будут в одном и том же состоянии. И на самом деле, так и есть! Однако недопустимое состояние нестабильно, когда входы S и R неактивны, и схема быстро стабилизируется либо в состоянии «установки», либо в состоянии «сброса», потому что один вентиль (или реле) среагирует немного быстрее, чем другой.

Если бы оба вентиля (или реле) были абсолютно идентичными, они бы одновременно колебались между «высоким» и «низким» состояниями, как нестабильный мультивибратор при включении питания, никогда не достигая точки стабильности! К счастью, в подобных случаях настолько точное совпадение компонентов встречается исключительно редко.

Следует отметить, что хотя нестабильное (постоянно колебательное) состояние будет крайне редким, в приведённой выше схеме, скорее всего, будет иметь место кратковременный цикл или хотя бы пара колебаний, которое сменится допустимым состоянием схемы (или «Установка» или «Сброс», тут точно не предскажешь) после включения питания.

Корень проблемы заключается в состоянии гонки сигналов между двумя реле CR₁ и CR₂.

Состояние гонки сигналов возникает, когда два взаимоисключающих события одновременно инициируются через разные элементы схемы как следствия одной причины. В данном случае элементами схемы являются реле CR₁ и CR₂, обесточенные состояния которых являются взаимоисключающими ввиду нормально замкнутых блокирующих контактов.

Если одна катушка реле обесточена, её нормально замкнутый контакт будет держать другую катушку под напряжением, тем самым поддерживая цепь в одном из двух состояний («Установка» или «Сброс»). Взаимная блокировка предотвращает «защёлкивание» обоих реле.

Однако, если обе катушки реле запускаются в обесточенном состоянии (например, после того, как вся цепь была обесточена, а затем на неё подаётся питание), оба реле будут «наперегонки» защёлкиваться при получении питания (каждое пытается стать «первопричиной» всего последующего процесса) через нормально замкнутый контакт другого реле. Одно из этих реле неизбежно достигнет этого состояния раньше другого, тем самым разомкнув свой нормально замкнутый блокировочный контакт и обесточив катушку другого реле.

Какое именно реле «победит» в этой гонке, зависит от их физических характеристик, а не от конструкции схемы, поэтому разработчик не может гарантировать, в какое изначальное состояние («Установка» или «Сброс») перейдёт схема после подачи питания. При проектировании следует избегать гонки сигналов, в первую очередь из-за этой непредсказуемости, которая может возникнуть. Одним из способов избежать такого состояния является включение в цепь реле с временно́й задержкой, чтобы отключить одно из конкурирующих реле на короткое время, давая другому явное преимущество.

Другими словами, намеренно замедляя обесточивание одного реле, мы гарантируем, что другое реле обязательно будет «выигрывать», а результаты гонки сигналов всегда будут предсказуемы.

Вот пример применения реле с задержкой времени, избегая состояния гонки сигналов:

Рис. 3. Лестничная схема, в которой чтобы избежать состояния гонки сигналов применяются реле с задержкой времени.

Когда цепь включается, контакт реле с задержкой времени TD₁ в пятой (если отсчитывать сверху-вниз) ступени задерживает замыкание на 1 секунду. Открытие этого контакта через 1 секунду предотвращает срабатывание реле CR₂ через контакт CR₁ в его нормально замкнутом состоянии после подачи питания.

Таким образом, реле CR₁ будет включено первым (с опережением в 1 секунду), размыкая, таким образом, нормально замкнутый контакт CR₁ в пятой ступени, предотвращая подачу питания на CR₂ без активации входа S.

Конечным результатом является чистое и предсказуемое включение схемы в состоянии сброса с S = 0 и R = 0. Следует отметить, что условия гонки сигналов – это особенность не только лестничных схем. Полупроводниковые схемы с логическими вентилями также могут пострадать от неблагоприятных последствий условий гонки сигналов, если они неправильно спроектированы.

Сложные компьютерные программы с неверной архитектурой, если на то пошло, также могут вызвать подобные «гоночные» проблемы. Проблемы гонки сигналов возможны для любой последовательной системы и могут быть обнаружены только через некоторое время после первоначального тестирования. Ошибки подобного рода зачастую трудно обнаружить и устранить.

Практическое применение схемы SR-защёлки может заключаться в пуске и остановке двигателя с использованием нормально разомкнутых контактов кнопочного выключателя мгновенного действия для обоих выключателей пуска (S) и останова (R), а затем подача питания на контактор двигателя с помощью CR₁ или CR₂ (или с помощью контактора вместо CR₁ или CR₂). Обычно используется гораздо более простая схема лестничной логики, например:

Рис. 4. Простая схема лестничной логики для SR-защёлки (например, для применения в схеме пуска/останова двигателя).

В приведённой выше схеме пуска/останова двигателя контакт CR₁, параллельный контакту пускового переключателя («Старт»), называется «пломбирующим» («замыкающим») контактом, поскольку он «герметизирует» управляющее реле CR₁ (фиксирует его во включённом состоянии после пуска, когда переключатель больше не нажат).

Чтобы сломать «пломбу» («разблокировать») т.е. перевести цепь в состояние «сброса», нужно нажать кнопку «Стоп», которая обесточивает CR₁ и восстанавливает замыкающий контакт в его нормально разомкнутом состоянии. Обратите внимание, однако, что эта схема выполняет почти ту же функцию, что и SR-защёлка.

Кроме того, обратите внимание, что эта схема не имеет внутренней проблемы нестабильности (даже маловероятной), как и конструкция SR-защёлки с двойным реле. В случае полупроводников SR-защёлки поставляются в виде предварительно упакованных блоков, поэтому вам не нужно собирать их из отдельных вентилей. На схемах они обозначаются так:

Рис. 5. Обозначение SR-защёлок на вентильных схемах.

Итог

• Бистабильный мультивибратор — это мультивибратор с двумя стабильными выходными состояниями.
• В бистабильном мультивибраторе условие Q = 1 и НЕ-Q = 0 определяется как состояние «Установка». Состояние Q = 0 и НЕ-Q = 1, наоборот, определяется как «Сброс». Если Q и НЕ-Q принудительно переведены в одно и то же состояние (оба либо 0 либо 1), то это называется недопустимым состоянием.
• В SR-защёлке активация входа S переводит цепь в состояние «Установка», а активация входа R – в состояние «Сброс». Если оба входа S и R активированы одномоментно, схема будет пребывать в недопустимом состоянии.
• Состояние гонки сигналов — это состояние в системе последовательной логики, в котором одна и та же причина одновременно инициирует два взаимоисключающих события.