Digitale Logik mit Feedback

Bei einfachen Gatter- und kombinatorischen Logikschaltungen gibt es einen bestimmten Ausgangszustand für jeden gegebenen Eingangszustand. Nehmen Sie zum Beispiel die Wahrheitstabelle eines ODER-Gatters:

Für jede der vier möglichen Kombinationen von Eingangszuständen (0-0, 0-1, 1-0 und 1-1) gibt es einen bestimmten, eindeutigen Ausgangszustand. Unabhängig davon, ob wir es mit einer Vielzahl von kaskadierten Gattern oder einem einzelnen Gatter zu tun haben, wird dieser Ausgangszustand durch die Wahrheitstabelle(n) für das/die Gatter(s) in der Schaltung bestimmt, und nichts anderes.

Wenn wir jedoch diese Gate-Schaltung ändern, um eine Signalrückkopplung vom Ausgang zu einem der Eingänge zu geben, beginnen seltsame Dinge zu passieren:

Wir wissen, dass, wenn A 1 ist, die Ausgabe muss auch 1 sein. Dies ist die Natur eines ODER-Gatters:Jeder „high“ (1) Eingang erzwingt den Ausgang „high“ (1). Wenn A jedoch „low“ (0) ist, können wir den Logikpegel oder den Zustand des Ausgangs in unserer Wahrheitstabelle nicht garantieren.

Da der Ausgang auf einen der Eingänge des ODER-Gatters zurückgeführt wird und wir wissen, dass jeder 1-Eingang eines ODER-Gatters den Ausgang 1 ergibt, wird diese Schaltung nach jedem Zeitpunkt, wenn A 1 ist, im 1-Ausgangszustand „verriegeln“. 0 ist, kann der Ausgang entweder 0 oder 1 sein, je nach vorherigem Zustand der Schaltung!

Der richtige Weg, die obige Wahrheitstabelle zu vervollständigen, besteht darin, das Wort Latch . einzufügen anstelle des Fragezeichens, was anzeigt, dass der Ausgang seinen letzten Zustand beibehält, wenn A 0 ist.

Jeder digitale Schaltkreis, der Feedback verwendet, wird als Multivibrator bezeichnet . Das Beispiel, das wir gerade mit dem ODER-Gatter untersucht haben, war ein sehr einfaches Beispiel für eine sogenannte bistabile Multivibrator. Es wird "bistabil" genannt, weil es in einem von zwei stabil bleiben kann mögliche Ausgangszustände, entweder 0 oder 1.

Es gibt auch monostabile Multivibratoren, die nur einen haben stabiler Ausgabezustand (der andere Zustand ist momentan), den wir später untersuchen werden; und astabil Multivibratoren, die keinen stabilen Zustand haben (zwischen einem Ausgang von 0 und 1 hin- und herschwingen).

Ein sehr einfacher astabiler Multivibrator ist ein Wechselrichter, dessen Ausgang direkt auf den Eingang zurückgeführt wird:

Wenn der Eingang 0 ist, schaltet der Ausgang auf 1. Dieser 1-Ausgang wird als 1 auf den Eingang zurückgeführt. Wenn der Eingang 1 ist, schaltet der Ausgang auf 0. Dieser 0-Ausgang wird als 0 auf den Eingang zurückgeführt, und der Zyklus wiederholt sich.

Das Ergebnis ist ein Hochfrequenzoszillator (mehrere Megahertz), wenn er mit einem Halbleiter-Inverter-Gate implementiert wird:

Bei Implementierung mit Relaislogik ist der resultierende Oszillator erheblich langsamer und taktet mit einer Frequenz innerhalb des Audiobereichs.

Der Summer oder Vibrator Die so gebildete Schaltung wurde in frühen Radioschaltungen häufig verwendet, um eine stabile Niederspannungs-Gleichspannung in eine pulsierende Gleichspannung umzuwandeln, die dann durch einen Transformator in die Spannung gebracht werden konnte, um die für den Betrieb der Vakuumröhrenverstärker erforderliche Hochspannung zu erzeugen .

Die Ingenieure von Henry Ford verwendeten auch die Summer/Transformator-Schaltung, um eine kontinuierliche Hochspannung für den Betrieb der Zündkerzen an Modell-T-Automotoren zu erzeugen:

In Anlehnung an die alten mechanischen Summer-(Vibrator-)Schaltungen bezeichneten Halbleiter-Schaltungsingenieure jede Schaltung mit zwei oder mehr Vibratoren, die als Multivibrator miteinander verbunden sind . Der zuvor erwähnte astabile Multivibrator mit nur einem "Vibrator" wird häufiger mit mehreren Gates implementiert, wie wir später sehen werden.

Die interessantesten und am weitesten verbreiteten Multivibratoren sind bistabile Varianten, daher werden wir sie jetzt im Detail untersuchen.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt für Verriegelungsschaltungen