Электроника:Эксперименты/Цифровые интегральные схемы/SR-защёлка на основе вентилей «ИЛИ-НЕ»

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

SR-защёлка на основе вентилей «ИЛИ-НЕ»

Оборудование и материалы

• Четвертной вентиль ИЛИ-НЕ модель 4001 (каталог Radio Shack №276-2401)
• Восьмипозиционный DIP-переключатель (каталог Radio Shack №275-1301)
• 10-сегментная светодиодная гистограмма (каталог Radio Shack №276-081)
• Одна батарея 6 вольт
• Два резистора по 10 кОм
• Два резистора по 470 Ом
• Два резистора по 100 Ом

Осторожно!

Микросхема 4001 представляет собой КМОП-матрицу и поэтому чувствительна к статическому электричеству!

Ссылки по теме

• «Уроки по электрическим цепям», том IV «Цифровая электроника», глава 3: «Логические вентили»
• «Уроки по электрическим цепям», том IV «Цифровая электроника», глава 10: «Мультивибраторы»

Цели эксперимента

• Изучить эффекты положительной обратной связи в цифровой схеме
• Выяснить, что подразумевается под «недействительным» состоянием схемы-защёлки
• Узнать, что такое состояние гонки в цифровой цепи
• Осознать важность допустимых «высоких» уровней напряжения сигнала КМОП

Схематическая диаграмма

Рис. 1. Схематическая диаграмма: SR-защёлка на основе вентилей ИЛИ-НЕ.

Иллюстрации

Рис. 2. Иллюстрация: SR-защёлка на основе вентилей ИЛИ-НЕ.

Ход эксперимента

Интегральная схема 4001 представляет собой четвертной КМОП-вентиль ИЛИ-НЕ, идентичный по назначению входов, выходов и контактов источника питания четвертному вентилю И-НЕ модели 4011. Схема его «распиновки» или «соединений» выглядит так:

Рис. 3. Схема «распиновки» четвертного вентиля «ИЛИ-НЕ» модели 4001.

Когда два вентиля ИЛИ-НЕ соединены перекрёстно, как показано на принципиальной схеме, будет положительная обратная связь от выхода к входу. То есть выходной сигнал поддерживает вентиль в его последнем выходном состоянии. Как и в схемах на операционных усилителях, положительная обратная связь создаёт гистерезис.

Эта склонность схемы оставаться в своём последнем выходном состоянии даёт ей своего рода «память». И на самом деле, существуют технологии твердотельной компьютерной памяти, основанные на таких схемах! Если мы обозначим левый переключатель как вход «Установка» (англ. «Set»), а правый – как «Сброс» (англ. «Reset»), левый светодиод будет выходом «Q», а правый светодиод — выходом «НЕ-Q». При «высоком» входе для «Установка» (означающий включение) и «низком» входе для «Сброс», Q станет «высоким», а НЕ-Q станет «низким».

Это известно как предустановленное состояние схемы. Если сделать вход «Сброс» «высоким», а вход «Установка» «низким», то состояние выхода схемы защёлки изменится на противоположное: Q станет «низким», а НЕ-Q «высоким». Это известно как состояние сброса схемы. Если оба входа переведены в «низкое» состояние, то выходы схемы Q и НЕ-Q останутся в своих последних состояниях, «запоминая» свои предыдущие настройки. Это известно как фиксация состояния цепи.

Поскольку выходы были обозначены как «Q» и «НЕ-Q», подразумевается, что их состояния всегда будут комплементарными (противоположными). Таким образом, если бы произошло что-то, что заставило бы оба выхода перейти в одно и то же состояние, мы бы назвали такой режим схемы «недопустимым».

Это именно то, что произойдёт, если мы сделаем входы «Установка» и «Сброс» «высокими»: выходы Q и НЕ-Q будут переведены в одно и то же «низкое» логическое состояние. Это называется недопустимым состоянием схемы не потому, что что-то пошло не так, а потому, что выходы не соответствуют ожиданиям, установленным их метками.

Поскольку «фиксированное» состояние является гистерезисным, при котором последние выходные состояния «запоминаются», можно задаться вопросом, что произойдёт, если схема будет включена таким образом, без сохранения предыдущего состояния. Чтобы поэкспериментировать, установите оба переключателя в положение «выключено», установив «низкий» уровень на обоих входах «Установка» и «Сброс», затем отсоедините один из проводов аккумулятора от макетной платы.

Затем быстро замкните и разомкните контакт между этим проводом батареи и соответствующей точкой подключения на макетной плате, отмечая состояние двух светодиодов, когда цепь снова и снова включается:

Рис. 4. Замкните и разомкните контакт между проводом батареи и соответствующей точкой подключения.

Когда схема-защёлка, подобная этой, переходит в «защёлкнутое» состояние, вентили конкурируют друг с другом за управление. Учитывая «низкий» вход, оба вентиля пытаются вывести «высокий» сигнал. Если один из вентилей достигает своего «высокого» выходного состояния раньше других, это «высокое» состояние будет передано обратно на вход другого вентиля, чтобы сделать его выход «низким», и гонку выиграет более быстрый вентиль.

В гонке неизменно выигрывает один вентиль из-за внутренних различий между вентилями в микросхеме и/или внешних сопротивлений и ёмкостей, которые задерживают один вентиль больше, чем другой. Обычно это означает, что схема включается в одном и том же режиме снова и снова. Однако, если вы настойчивы в своих циклах включения/выключения питания, вы должны увидеть, по крайней мере, несколько раз, когда схема защёлки включается в заблокированном состоянии, противоположном нормальному.

Условия гонки, как правило, нежелательны в любой системе, поскольку они приводят к непредсказуемой работе. Как показывает данный эксперимент, их обнаружение может быть особенно проблематичным из-за неопределённости, которую они создают. Представьте себе сценарий, например, когда один из двух вентилей ИЛИ-НЕ действовал исключительно медленно из-за дефекта микросхемы.

Этот гандикап приводит к тому, что другие вентили каждый раз выигрывают гонку усилений. Другими словами, схема будет очень предсказуема при включении питания с обоими «низкими» входами. Однако предположим, что необычная микросхема должна была быть заменена микросхемой с более равномерно подобранными вентилями или микросхемой, в которой другие вентили НЕ-ИЛИ всегда медленнее.

Нормальное поведение схемы не должно меняться при замене компонента, но, если присутствуют условия гонки, замена компонентов как раз может на это повлиять.

Из-за присущей SR-защёлке склонности к гонкам не следует проектировать схему с ожиданием постоянного состояния включения, а вместо этого следует использовать внешние средства, чтобы «форсировать» гонку, дабы желаемый вентиль всегда «выигрывал».

Интересной модификацией, которую можно попробовать в этой схеме, является замена одного из 470-омных резисторов, «сбрасывающих» светодиод, на более низкое сопротивление, например, 100 Ом. Очевидным эффектом этого изменения будет увеличение яркости светодиода, так как через него проходит больший ток.

Это также приведёт к неочевидному эффекту, и именно этот эффект имеет большое значение для обучения. Попробуйте заменить один из резисторов на 470 Ом на резистор на 100 Ом и задействуйте переключатели входных сигналов во всех четырёх возможных комбинациях настроек, отмечая поведение схемы.

Следует отметить, что схема отказывается защёлкиваться в одном из своих состояний («Установка» или «Сброс»), а только в другом состоянии, когда оба входных переключателя установлены в «низкий» режим (режим «защёлки»). Почему так происходит? Возьмите вольтметр и измерьте выходное напряжение вентиля, выход которого «высокий», когда оба входа «низкие».

Обратите внимание на эту индикацию напряжения, затем установите входные переключатели таким образом, чтобы другое состояние («Сброс» или «Установка») было принудительным, и измерьте выходное напряжение другого вентиля, когда его выход «высокий». Обратите внимание на разницу между двумя уровнями выходного напряжения вентиля, один вентиль нагружен светодиодом с резистором 470 Ом, а другой нагружен светодиодом с резистором 100 Ом.

Тот уровень, который нагружен более «тяжёлой» нагрузкой (там, где резистор 100 Ом), будет намного меньше: настолько меньшее, чем это напряжение, что вообще не будет интерпретироваться входом другого вентиля ИЛИ-НЕ как «высокий» сигнал при подаче обратно! Все логические элементы имеют допустимые «высокие» и «низкие» диапазоны напряжения входного сигнала, и, если напряжение цифрового сигнала выходит за пределы этого допустимого диапазона, принимающий элемент может неправильно интерпретировать его.

В схеме защёлки, такой как эта, которая зависит от устойчивого «высокого» сигнала, возвращаемого с выхода одного вентиля на вход другого, «слабый» сигнал не сможет поддерживать положительную обратную связь, необходимую для поддержания схемы в фиксации в одном из своих состояний.

Это одна из причин, по которой я предпочитаю использовать вольтметр в качестве логического «пробника» для определения уровней цифровых сигналов, вместо реального логического пробника с «высоким» и «низким» индикаторами. Логический пробник может и не указывать на наличие «слабого» сигнала, а вольтметр однозначно покажет посредством его количественной индикации.

Этот тип проблем, типичный для схем, в которых смешаны различные «семейства» интегральных схем (например, ТТЛ и КМОП), может быть обнаружен только при наличии контрольно-измерительного оборудования, обеспечивающего количественные измерения уровня сигнала.