NOR Gate S-R vergrendeling

ONDERDELEN EN MATERIALEN

• 4001 quad NOR-poort (Radio Shack-catalogus # 276-2401)
• DIP-schakelaar met acht standen (Radio Shack-catalogus # 275-1301)
• Bargraph-LED met tien segmenten (Radio Shack-catalogus # 276-081)
• Eén 6 volt batterij
• Twee weerstanden van 10 kΩ
• Twee weerstanden van 470
• Twee weerstanden van 100

Let op! De 4001 IC is CMOS en dus gevoelig voor statische elektriciteit!

KRUISVERWIJZINGEN

Lessen in elektrische circuits , Volume 4, hoofdstuk 3:“Logic Gates”

Lessen in elektrische circuits , Volume 4, hoofdstuk 10:“Multivibrators”

LEERDOELSTELLINGEN

• De effecten van positieve feedback in een digitaal circuit leren kennen
• Wat wordt bedoeld met de "ongeldige" status van een vergrendelingscircuit
• Wat een raceconditie zit in een digitaal circuit
• Het belang van geldige "hoge" CMOS-signaalspanningsniveaus kennen

SCHEMATISCH DIAGRAM

ILLUSTRATIE

INSTRUCTIES

De 4001 geïntegreerde schakeling is een CMOS quad NOR-poort, identiek in invoer-, uitvoer- en voedingspintoewijzingen aan de 4011 quad NAND-poort. Het "pinout"- of "verbindings"-diagram is als volgt:

Wanneer twee NOR-poorten kruiselings zijn verbonden, zoals weergegeven in het schematische diagram, zal er positieve feedback zijn van output naar input. Dat wil zeggen, het uitgangssignaal heeft de neiging de poort in zijn laatste uitgangstoestand te houden. Net als in op-amp-circuits creëert positieve feedback hysterese .

Deze neiging van het circuit om in de laatste uitgangstoestand te blijven, geeft het een soort "geheugen". In feite zijn er solid-state computergeheugentechnologieën gebaseerd op circuits zoals deze!

Als we de linkerschakelaar aanwijzen als de "Set" -ingang en de rechterschakelaar als de "Reset", is de linker LED de "Q" -uitgang en de rechter LED de "Q-not" -uitgang. Met de Set-ingang "high" (schakelaar aan) en de Reset-ingang "low", wordt Q "high" en Q-not "low".

Dit staat bekend als de set staat van de schakeling. Door de Reset-ingang "hoog" en de Set-ingang "laag" te maken, wordt de uitgangsstatus van het vergrendelingscircuit omgekeerd:Q "laag" en Q-niet "hoog". Dit staat bekend als de reset staat van de schakeling. Als beide ingangen in de "lage" staat worden geplaatst, blijven de Q- en Q-not-uitgangen van het circuit in hun laatste toestand, waarbij ze hun eerdere instellingen "onthouden". Dit staat bekend als de vergrendeld staat van het circuit.

Omdat de uitgangen zijn aangeduid als "Q" en "Q-niet", wordt gesuggereerd dat hun toestanden altijd complementair (tegenovergesteld) zullen zijn. Dus als er iets zou gebeuren waardoor beide uitgangen dezelfde staat, zouden we geneigd zijn die modus van het circuit "ongeldig" te noemen.

Dit is precies wat er zal gebeuren als we zowel de Set- als de Reset-ingangen "hoog" maken:zowel Q- als Q-not-uitgangen worden gedwongen naar dezelfde "lage" logische status. Dit staat bekend als de ongeldige of illegaal staat van het circuit, niet omdat er iets mis is gegaan, maar omdat de uitgangen niet aan de verwachtingen van hun labels hebben voldaan.

Aangezien de "vergrendelde" toestand een hysteretische toestand is waarbij de laatste uitgangstoestanden worden "onthouden", zou men zich kunnen afvragen wat er zal gebeuren als het circuit op deze manier opstart, met geen eerdere toestand om vast te houden . Om te experimenteren, plaatst u beide schakelaars in de uit-stand, zodat zowel de Set- als de Reset-ingangen laag zijn, en koppelt u vervolgens een van de batterijdraden los van het breadboard.

Maak en verbreek dan snel contact tussen die batterijdraad en het juiste verbindingspunt op het breadboard, waarbij u de status van de twee LED's noteert terwijl het circuit steeds opnieuw wordt ingeschakeld:

Wanneer een vergrendelingscircuit zoals dit wordt ingeschakeld in de "vergrendelde" toestand, racen de poorten tegen elkaar om controle. Gezien de "lage" ingangen, proberen beide poorten "hoge" signalen uit te voeren. Als een van de poorten zijn "hoge" uitgangsstatus bereikt voor de andere, wordt die "hoge" staat teruggekoppeld naar de ingang van de andere poort om zijn uitvoer "laag" te forceren, en de race wordt gewonnen door de snellere poort.

Steevast wint de ene poort de race, vanwege interne variaties tussen poorten in de chip en/of externe weerstanden en capaciteiten die de ene poort meer vertragen dan de andere. Wat dit meestal betekent, is dat het circuit de neiging heeft om steeds opnieuw in dezelfde modus op te starten. Als u echter volhardt in uw aan/uit-cycli, zou u ten minste een paar keer moeten zien waar het vergrendelingscircuit vergrendeld in het tegenovergestelde opstart. staat van normaal.

Race-omstandigheden zijn over het algemeen ongewenst in elk soort systeem, omdat ze leiden tot onvoorspelbare werking. Ze kunnen bijzonder lastig te lokaliseren zijn, zoals dit experiment laat zien, vanwege de onvoorspelbaarheid die ze creëren. Stel je bijvoorbeeld een scenario voor waarin een van de twee NOR-poorten uitzonderlijk traag werkte vanwege een defect in de chip.

Deze handicap zou ervoor zorgen dat de andere poort elke keer de power-up race zou winnen. Met andere woorden, het circuit zal zeer voorspelbaar zijn bij het opstarten met beide ingangen "laag". Veronderstel echter dat de ongebruikelijke chip zou worden vervangen door een met meer gelijkwaardige poorten, of door een chip waarbij de andere NOR-poort was constant langzamer.

Het is niet de bedoeling dat normaal circuitgedrag verandert wanneer een onderdeel wordt vervangen, maar als er race-omstandigheden zijn, kan een verandering van onderdelen precies dat doen.

Vanwege de inherente race-tendens van een SR-latch, moet men geen circuit ontwerpen met de verwachting van een consistente opstartstatus, maar eerder externe middelen gebruiken om de race te "forceren" zodat de gewenste poort altijd "wint". /P>

Een interessante wijziging om in dit circuit te proberen, is het vervangen van een van de 470 Ω LED "dropping" -weerstanden door een eenheid met een lagere waarde, zoals 100 . Het voor de hand liggende effect van deze wijziging is een verhoogde LED-helderheid, omdat er meer stroom wordt doorgelaten.

Er zal ook een niet zo voor de hand liggend effect optreden, en het is dit effect dat een grote leerwaarde heeft. Probeer een van de weerstanden van 470 te vervangen door een weerstand van 100 en bedien de ingangssignaalschakelaars door alle vier mogelijke instellingscombinaties, waarbij u let op het gedrag van het circuit.

Houd er rekening mee dat het circuit weigert te vergrendelen in een van zijn statussen (Set of Reset), maar alleen in de andere status, wanneer de ingangsschakelaars beide op "laag" zijn ingesteld (de "latch" -modus). Waarom is dit? Neem een ​​voltmeter en meet de uitgangsspanning van de poort waarvan de uitgang "hoog" is wanneer beide ingangen "laag" zijn.

Let op deze spanningsindicatie en stel vervolgens de ingangsschakelaars zo in dat de andere staat (ofwel Reset of Set) wordt geforceerd en meet de uitgangsspanning van de andere poort wanneer de uitgang "hoog" is. Let op het verschil tussen de twee uitgangsspanningsniveaus van de poort, één poort geladen door een LED met een weerstand van 470 en de andere geladen door een LED met een weerstand van 100 .

Degene die wordt belast door de "zwaardere" belasting (100 weerstand) zal veel minder zijn:zoveel minder dan deze spanning zal door de ingang van de andere NOR-poort helemaal niet worden geïnterpreteerd als een "hoog" signaal omdat het wordt teruggekoppeld! Alle logische poorten hebben toegestane "hoge" en "lage" ingangssignaalspanningsbereiken en als de spanning van een digitaal signaal buiten dit toegestane bereik valt, wordt het mogelijk niet correct geïnterpreteerd door de ontvangende poort.

In een vergrendelingscircuit zoals dit, dat afhankelijk is van een solide "hoog" signaal dat wordt teruggevoerd van de uitgang van de ene poort naar de ingang van de andere, zal een "zwak" signaal niet in staat zijn om de positieve feedback te behouden die nodig is om de circuit vergrendeld in een van zijn toestanden.

Dit is een van de redenen waarom ik de voorkeur geef aan het gebruik van een voltmeter als een logische "sonde" voor het bepalen van digitale signaalniveaus, in plaats van een echte logische sonde met "hoge" en "lage" lichten. Een logische sonde geeft misschien niet de aanwezigheid van een "zwak" signaal aan, terwijl een voltmeter dat zeker doet door middel van zijn kwantitatieve indicatie.

Dit type probleem, dat veel voorkomt in circuits waar verschillende "families" van geïntegreerde circuits worden gemengd (TTL en CMOS, bijvoorbeeld), kan alleen worden gevonden met testapparatuur die kwantitatieve metingen van het signaalniveau levert.