NOR Gate S-R Latch

TEILE UND MATERIALIEN

• 4001 Quad-NOR-Gatter (Radio Shack Katalog # 276-2401)
• DIP-Schalter mit acht Positionen (Radio Shack Katalog # 275-1301)
• Zehn-Segment-Balkendiagramm-LED (Radio Shack Katalog # 276-081)
• Eine 6-Volt-Batterie
• Zwei 10 kΩ Widerstände
• Zwei 470--Widerstände
• Zwei 100-Ω-Widerstände

Achtung! Der 4001 IC ist CMOS und daher empfindlich gegenüber statischer Elektrizität!

QUERVERWEISE

Lektionen in Stromkreisen , Band 4, Kapitel 3:„Logische Gatter“

Lektionen in Stromkreisen , Band 4, Kapitel 10:„Multivibratoren“

LERNZIELE

• Um die Auswirkungen von positivem Feedback in einer digitalen Schaltung zu lernen
• Was ist mit dem "ungültigen" Zustand einer Latch-Schaltung gemeint
• Was für eine Rennbedingung ist in einer digitalen Schaltung
• Um die Bedeutung gültiger „hoher“ CMOS-Signalspannungspegel zu kennen

SCHEMATISCHES DIAGRAMM

ILLUSTRATION

ANLEITUNG

Die integrierte Schaltung 4001 ist ein CMOS-Quad-NOR-Gatter, das in der Eingangs-, Ausgangs- und Stromversorgungs-Pin-Zuordnung identisch mit dem 4011-Quad-NAND-Gatter ist. Sein „Pinbelegung“- oder „Anschluss“-Diagramm sieht so aus:

Wenn zwei NOR-Gatter wie im Schaltplan gezeigt über Kreuz verbunden sind, gibt es eine positive Rückkopplung vom Ausgang zum Eingang. Das heißt, das Ausgangssignal neigt dazu, das Gate in seinem letzten Ausgangszustand zu halten. Genau wie in Operationsverstärkerschaltungen erzeugt positives Feedback Hysterese .

Diese Tendenz der Schaltung, in ihrem letzten Ausgangszustand zu bleiben, verleiht ihr eine Art „Gedächtnis“. Tatsächlich gibt es Halbleiterspeichertechnologien für Computer, die auf solchen Schaltungen basieren!

Wenn wir den linken Schalter als „Set“-Eingang und den rechten Schalter als „Reset“ bezeichnen, ist die linke LED der „Q“-Ausgang und die rechte LED der „Q-not“-Ausgang. Mit dem Set-Eingang „high“ (einschalten) und dem Reset-Eingang „low“ geht Q auf „high“ und Q-not geht auf „low“.

Dies ist als Set bekannt Zustand der Schaltung. Wenn der Reset-Eingang „high“ und der Set-Eingang „low“ gesetzt wird, wird der Ausgangszustand der Latch-Schaltung umgekehrt:Q „low“ und Q-nicht „high“. Dies wird als Zurücksetzen bezeichnet Zustand der Schaltung. Wenn beide Eingänge in den „Low“-Zustand versetzt werden, bleiben die Q- und Q-not-Ausgänge der Schaltung in ihrem letzten Zustand und „erinnern“ sich an ihre vorherigen Einstellungen. Dies ist als verriegelt bekannt Zustand der Schaltung.

Da die Ausgänge mit „Q“ und „Q-not“ bezeichnet wurden, wird impliziert, dass ihre Zustände immer komplementär (entgegengesetzt) ​​sind. Wenn also etwas passieren sollte, das beide Ausgänge auf gleich zwingt Zustand, würden wir geneigt sein, diesen Modus der Schaltung als "ungültig" zu bezeichnen.

Genau das passiert, wenn wir sowohl die Set- als auch die Reset-Eingänge auf „high“ setzen:Sowohl die Q- als auch die Q-not-Ausgänge werden auf denselben „low“-Logikzustand gezwungen. Dies wird als ungültig bezeichnet oder illegal Zustand der Schaltung, nicht weil etwas schief gelaufen ist, sondern weil die Ausgänge die von ihren Labels festgelegten Erwartungen nicht erfüllt haben.

Da der „verriegelte“ Zustand ein Hysteresezustand ist, bei dem die letzten Ausgangszustände „erinnert“ werden, könnte man sich fragen, was passiert, wenn die Schaltung auf diese Weise hochfährt, ohne dass vorheriger Zustand gehalten werden muss . Um zu experimentieren, bringen Sie beide Schalter in ihre Aus-Positionen, so dass sowohl die Set- als auch die Reset-Eingänge niedrig sind, und trennen Sie dann eines der Batteriekabel vom Steckbrett.

Stellen Sie dann schnell den Kontakt zwischen diesem Batteriekabel und seinem richtigen Anschlusspunkt auf dem Steckbrett her und unterbrechen Sie ihn, und notieren Sie den Status der beiden LEDs, während der Stromkreis immer wieder eingeschaltet wird:

Wenn eine Latch-Schaltung wie diese in ihren „verriegelten“ Zustand hochgefahren wird, rennen die Gates um die Kontrolle gegeneinander. Bei den „low“-Eingängen versuchen beide Gates, „high“-Signale auszugeben. Wenn eines der Gates seinen „high“-Ausgangszustand vor dem anderen erreicht, wird dieser „high“-Zustand an den Eingang des anderen Gates zurückgekoppelt, um seinen Ausgang auf „low“ zu erzwingen, und das Rennen wird vom schnelleren Gate gewonnen.

Aufgrund interner Schwankungen zwischen den Gates im Chip und/oder externer Widerstände und Kapazitäten, die ein Gate stärker verzögern als das andere, gewinnt ausnahmslos ein Gate das Rennen. Dies bedeutet normalerweise, dass die Schaltung dazu neigt, immer wieder im gleichen Modus hochzufahren. Wenn Sie jedoch in Ihren Ein- und Ausschaltzyklen hartnäckig sind, sollten Sie mindestens ein paar Mal sehen, wo die Latch-Schaltung im Gegenteil verriegelt hochfährt Zustand vom Normalzustand.

Race-Bedingungen sind im Allgemeinen in jeder Art von System unerwünscht, da sie zu einem unvorhersehbaren Betrieb führen. Wie dieses Experiment zeigt, können sie aufgrund der Unvorhersehbarkeit, die sie erzeugen, besonders schwierig zu finden sein. Stellen Sie sich zum Beispiel ein Szenario vor, in dem eines der beiden NOR-Gatter aufgrund eines Defekts im Chip außergewöhnlich träge war.

Dieses Handicap würde jedes Mal dazu führen, dass das andere Tor das Power-Up-Rennen gewinnt. Mit anderen Worten, die Schaltung wird beim Einschalten sehr vorhersehbar sein, wenn beide Eingänge „low“ sind. Nehmen wir jedoch an, dass der ungewöhnliche Chip durch einen mit gleichmäßigeren Gates ersetzt werden sollte oder durch einen Chip, bei dem der andere NOR-Gatter waren durchweg langsamer.

Das normale Schaltungsverhalten sollte sich beim Austausch einer Komponente nicht ändern, aber wenn Race-Bedingungen vorliegen, kann eine Änderung der Komponenten genau das bewirken.

Aufgrund der inhärenten Race-Tendenz eines SR-Latches sollte man eine Strecke nicht mit der Erwartung eines konstanten Power-Up-Zustands konzipieren, sondern das Rennen mit externen Mitteln „erzwingen“, sodass immer das gewünschte Gate „gewinnt“.

Eine interessante Modifikation in dieser Schaltung besteht darin, einen der 470--LED-Vorwiderstände mit einem niedrigeren Wert, z. B. 100 , zu ersetzen. Der offensichtliche Effekt dieser Änderung ist eine erhöhte LED-Helligkeit, da mehr Strom durchgelassen wird.

Es wird auch ein nicht so offensichtlicher Effekt resultieren, und dieser Effekt hat einen großen Lernwert. Versuchen Sie, einen der 470--Widerstände durch einen 100--Widerstand zu ersetzen, und betätigen Sie die Eingangssignalschalter durch alle vier möglichen Einstellungskombinationen. Beachten Sie dabei das Verhalten der Schaltung.

Beachten Sie, dass sich die Schaltung in einem ihrer Zustände (entweder Set oder Reset) weigert, sich zu verriegeln, sondern nur im anderen Zustand, wenn beide Eingangsschalter auf „low“ gesetzt sind (der „Latch“-Modus). Warum ist das? Nehmen Sie ein Voltmeter und messen Sie die Ausgangsspannung des Gates, dessen Ausgang „high“ ist, wenn beide Eingänge „low“ sind.

Beachten Sie diese Spannungsanzeige und stellen Sie dann die Eingangsschalter so ein, dass die anderen Zustand (entweder Reset oder Set) wird erzwungen und misst die Ausgangsspannung des anderen Gates, wenn sein Ausgang „high“ ist. Beachten Sie den Unterschied zwischen den beiden Gate-Ausgangsspannungspegeln, wobei ein Gate von einer LED mit einem 470--Widerstand und das andere von einer LED mit einem 100--Widerstand geladen wird.

Diejenige, die von der „schwereren“ Last (100 Ω Widerstand) belastet wird, ist viel geringer:so viel weniger als diese Spannung wird vom Eingang des anderen NOR-Gatters überhaupt nicht als „High“-Signal interpretiert, da es rückgekoppelt wird! Alle Logikgatter haben zulässige „High“- und „Low“-Eingangssignalspannungsbereiche, und wenn die Spannung eines digitalen Signals außerhalb dieses zulässigen Bereichs liegt, wird sie möglicherweise vom empfangenden Gatter nicht richtig interpretiert.

In einer Latch-Schaltung wie dieser, die von einem soliden „hohen“ Signal abhängt, das vom Ausgang des einen Gates zum Eingang des anderen zurückgeführt wird, kann ein „schwaches“ Signal nicht die positive Rückkopplung aufrechterhalten, die erforderlich ist, um die Schaltkreis in einem seiner Zustände verriegelt.

Dies ist einer der Gründe, warum ich die Verwendung eines Voltmeters als logische „Sonde“ zur Bestimmung digitaler Signalpegel anstelle einer tatsächlichen Logiksonde mit „High“- und „Low“-Leuchten bevorzuge. Ein Logiktastkopf zeigt möglicherweise kein „schwaches“ Signal an, während ein Voltmeter dies aufgrund seiner quantitativen Anzeige definitiv tut.

Diese Art von Problem, das bei Schaltungen üblich ist, in denen verschiedene „Familien“ integrierter Schaltungen gemischt sind (z. B. TTL und CMOS), kann nur bei Testgeräten gefunden werden, die quantitative Messungen des Signalpegels ermöglichen.