Der S-R-Verschluss

Ein bistabiler Multivibrator hat zwei stabile Zustände, angezeigt durch das Präfix bi in seinem Namen. Normalerweise wird ein Zustand als set bezeichnet und das andere als Reset . Das einfachste bistabile Gerät ist daher als set-reset bekannt , oder S-R, Riegel. Um einen S-R-Latch zu erstellen, können wir zwei NOR-Gatter so verdrahten, dass der Ausgang des einen zum Eingang eines anderen zurückgeführt wird und umgekehrt, wie folgt:

Die Q- und Nicht-Q-Ausgänge sollen sich in entgegengesetzten Zuständen befinden. Ich sage „sollte“, weil sowohl der S- als auch der R-Eingang gleich 1 sind, was dazu führt, dass sowohl Q als auch Nicht-Q 0 sind. Aus diesem Grund wird S und R gleich 1 als ungültig oder illegal Zustand für den S-R Multivibrator.

Andernfalls „setzt“ S=1 und R=0 den Multivibrator so, dass Q=1 und nicht-Q=0. Umgekehrt wird der Multivibrator in den entgegengesetzten Zustand „zurückgesetzt“, wenn R=1 und S=0 gesetzt werden. Wenn S und R beide gleich 0 sind, „rasten“ die Ausgänge des Multivibrators in ihren vorherigen Zuständen ein.

Beachten Sie, wie dieselbe Multivibratorfunktion in der Kontaktplanlogik mit denselben Ergebnissen implementiert werden kann:

Per Definition ist eine Bedingung von Q=1 und nicht-Q=0 gesetzt . Eine Bedingung von Q=0 und nicht-Q=1 ist Zurücksetzen . Diese Begriffe sind universell bei der Beschreibung der Ausgangszustände jeder Multivibratorschaltung. Der aufmerksame Beobachter wird bemerken, dass der anfängliche Einschaltzustand entweder der Gate- oder der Ladder-Variante des S-R-Latches so ist, dass beide Gates (Spulen) im stromlosen Modus starten.

Als solches würde man erwarten, dass die Schaltung in einem ungültigen Zustand startet, wobei sich sowohl Q- als auch Nicht-Q-Ausgänge im gleichen Zustand befinden. Tatsächlich ist dies wahr! Der ungültige Zustand ist jedoch instabil, wenn sowohl die S- als auch die R-Eingänge inaktiv sind, und die Schaltung stabilisiert sich schnell entweder im Set- oder Reset-Zustand, da ein Gate (oder Relais) zwangsläufig etwas schneller reagiert als das andere.

Wenn beide Tore (oder Spulen) genau identisch wären , sie würden beim Einschalten zwischen hoch und niedrig wie ein astabiler Multivibrator oszillieren, ohne jemals einen Punkt der Stabilität zu erreichen! Glücklicherweise ist in solchen Fällen eine so genaue Übereinstimmung der Komponenten eine seltene Möglichkeit.

Es muss beachtet werden, dass, obwohl ein astabiler (kontinuierlich oszillierender) Zustand äußerst selten wäre, es höchstwahrscheinlich ein oder zwei Oszillationszyklen in der obigen Schaltung und den Endzustand der Schaltung (Setzen oder Zurücksetzen) nach dem Einschalten gibt wäre unvorhersehbar.

Die Wurzel des Problems ist eine Rassenbedingung zwischen den beiden Relais CR₁ und CR₂ .

Eine Wettlaufbedingung tritt auf, wenn zwei sich gegenseitig ausschließende Ereignisse gleichzeitig durch verschiedene Schaltungselemente durch eine einzige Ursache eingeleitet werden. In diesem Fall sind die Schaltungselemente Relais CR₁ und CR₂ , und ihre stromlosen Zustände schließen sich aufgrund der normalerweise geschlossenen Verriegelungskontakte gegenseitig aus.

Wenn eine Relaisspule entregt ist, hält ihr normalerweise geschlossener Kontakt die andere Spule erregt, wodurch der Stromkreis in einem von zwei Zuständen (gesetzt oder zurückgesetzt) ​​gehalten wird. Ineinandergreifen verhindert beides Relais aus Selbsthaltung.

Wenn jedoch beide Relaisspulen starten in ihrem stromlosen Zustand (z. B. nachdem der gesamte Stromkreis stromlos geschaltet und dann eingeschaltet wurde). Öffner des anderen Relais. Eines dieser Relais erreicht unweigerlich diesen Zustand vor dem anderen, wodurch der normalerweise geschlossene Verriegelungskontakt geöffnet und die andere Relaisspule entregt wird.

Welches Relais dieses Rennen „gewinnt“, hängt von den physikalischen Eigenschaften der Relais und nicht vom Schaltungsdesign ab, sodass der Konstrukteur nicht sicherstellen kann, in welchen Zustand die Schaltung nach dem Einschalten fällt. Race-Bedingungen sollten beim Schaltungsdesign in erster Linie wegen der Unvorhersehbarkeit vermieden werden, die erzeugt wird. Eine Möglichkeit, einen solchen Zustand zu vermeiden, besteht darin, ein Zeitverzögerungsrelais in den Stromkreis einzufügen, um eines der konkurrierenden Relais für kurze Zeit zu deaktivieren, was dem anderen einen klaren Vorteil verschafft.

Mit anderen Worten, indem wir die Abschaltung einer Staffel absichtlich verlangsamen, stellen wir sicher, dass die andere Staffel immer „gewinnt“ und die Rennergebnisse immer vorhersehbar sind.

Hier ist ein Beispiel dafür, wie ein Zeitverzögerungsrelais auf die obige Schaltung angewendet werden könnte, um die Race-Bedingung zu vermeiden:

Beim Einschalten des Stromkreises Kontakt des Verzögerungsrelais TD₁ in der fünften Sprosse nach unten verzögert das Schließen um 1 Sekunde. Wenn dieser Kontakt für 1 Sekunde geöffnet ist, wird das Relais CR₂ . verhindert von Erregung durch Kontakt CR₁ im Ruhezustand nach dem Einschalten.

Daher Relais CR₁ wird zuerst erregt (mit einem 1-Sekunden-Vorsprung), wodurch der normalerweise geschlossene CR₁ geöffnet wird Kontakt in der fünften Sprosse, verhindert CR₂ nicht erregt werden, ohne dass der S-Eingang aktiv wird.

Das Endergebnis ist, dass die Schaltung im Reset-Zustand mit S=0 und R=0 sauber und vorhersehbar hochfährt. Es sollte erwähnt werden, dass die Rennbedingungen nicht auf Relaiskreise beschränkt sind. Halbleiter-Logikgatter-Schaltungen können bei unsachgemäßem Design auch unter den negativen Auswirkungen von Race-Bedingungen leiden.

Komplexe Computerprogramme können auch bei unsachgemäßer Gestaltung zu Rennproblemen führen. Race-Probleme sind eine Möglichkeit für jedes sequentielle System und werden möglicherweise erst einige Zeit nach dem anfänglichen Testen des Systems entdeckt. Sie können sehr schwer zu erkennen und zu beseitigen sein.

Eine praktische Anwendung einer S-R-Latch-Schaltung könnte das Starten und Stoppen eines Motors sein, wobei normalerweise offene, kurzzeitige Druckschalterkontakte für beide Starten . verwendet werden (S) und Stopp (R) schaltet und dann ein Motorschütz mit einem CR₁ . erregt oder CR₂ Kontakt (oder Verwendung eines Schützes anstelle von CR₁ oder CR₂ ).

Normalerweise wird eine viel einfachere Ladder-Logic-Schaltung verwendet, wie etwa diese:

In der obigen Motor-Start/Stopp-Schaltung ist der CR₁ Kontakt parallel zum Start Schaltkontakt wird als „Seal-In“-Kontakt bezeichnet, weil er das Steuerrelais CR₁ „abdichtet“ oder verriegelt im erregten Zustand nach dem Start Schalter wurde freigegeben.

Um das „Siegel“ zu brechen oder den Stromkreis zu „entriegeln“ oder „zurückzusetzen“, muss der Stopp Taster wird gedrückt, wodurch CR₁ stromlos wird und stellt den Siegelkontakt in seinen normalerweise offenen Zustand zurück. Beachten Sie jedoch, dass diese Schaltung im Wesentlichen dieselbe Funktion wie der S-R-Latch ausführt.

Beachten Sie auch, dass diese Schaltung kein inhärentes Instabilitätsproblem (wenn auch nur eine entfernte Möglichkeit) aufweist, wie dies bei der S-R-Latch-Konstruktion mit Doppelrelais der Fall ist. In Halbleiterform werden S-R-Latches in vorgefertigten Einheiten geliefert, sodass Sie sie nicht aus einzelnen Gates bauen müssen. Sie werden als solche symbolisiert:

RÜCKBLICK:

• Eine bistabile Multivibrator ist einer mit zwei stabile Ausgangszustände.
• In einem bistabilen Multivibrator ist die Bedingung von Q=1 und nicht-Q=0 als set . definiert . Eine Bedingung von Q=0 und nicht-Q=1 ist umgekehrt definiert als Zurücksetzen . Wenn Q und nicht-Q in denselben Zustand gezwungen werden (beide 0 oder beide 1), wird dieser Zustand als ungültig bezeichnet .
• In einem S-R-Latch setzt die Aktivierung des S-Eingangs die Schaltung, während die Aktivierung des R-Eingangs die Schaltung zurücksetzt. Wenn beide Eingänge S und R gleichzeitig aktiviert werden, befindet sich die Schaltung in einem ungültigen Zustand.
• Eine Rennbedingung ist ein Zustand in einem sequentiellen System, in dem zwei sich gegenseitig ausschließende Ereignisse gleichzeitig durch eine einzige Ursache ausgelöst werden.