Porta NOR Trava S-R

PEÇAS E MATERIAIS

• 4001 quad NOR gate (catálogo Radio Shack # 276-2401)
• Chave DIP de oito posições (catálogo Radio Shack nº 275-1301)
• LED de gráfico de barras de dez segmentos (catálogo Radio Shack nº 276-081)
• Uma bateria de 6 volts
• Dois resistores de 10 kΩ
• Dois resistores de 470 Ω
• Dois resistores de 100 Ω

Cuidado! O 4001 IC é CMOS e, portanto, sensível à eletricidade estática!



REFERÊNCIAS CRUZADAS

Aulas de circuitos elétricos , Volume 4, capítulo 3:"Portões lógicos"

Aulas de circuitos elétricos , Volume 4, capítulo 10:"Multivibradores"



OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM

• Para aprender os efeitos do feedback positivo em um circuito digital
• O que significa o estado “inválido” de um circuito de trava
• Que condição de corrida está em um circuito digital
• Para saber a importância de níveis "altos" de tensão de sinal CMOS válidos

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO







ILUSTRAÇÃO







INSTRUÇÕES

O circuito integrado 4001 é uma porta NOR CMOS quádrupla, idêntica em atribuições de pinos de entrada, saída e fonte de alimentação à porta NAND quádrupla 4011. Seu diagrama de “pinagem” ou “conexão” é o seguinte:







Quando duas portas NOR são interconectadas conforme mostrado no diagrama esquemático, haverá feedback positivo da saída para a entrada. Ou seja, o sinal de saída tende a manter a porta em seu último estado de saída. Assim como nos circuitos amp op, o feedback positivo cria histerese .

Essa tendência de o circuito permanecer em seu último estado de saída dá a ele uma espécie de "memória". Na verdade, existem tecnologias de memória de computador de estado sólido baseadas em circuitos como este!

Se designarmos a chave esquerda como a entrada “Set” e a chave direita como “Reset”, o LED esquerdo será a saída “Q” e o LED direito a saída “Q-not”. Com a entrada Set “high” (ligar) e a entrada Reset “low”, Q irá “high” e Q-not irá “low”.

Isso é conhecido como conjunto estado do circuito. Tornar a entrada Reset "alta" e a entrada Definir "baixa" inverte o estado de saída do circuito de trava:Q "baixo" e Q não "alto". Isso é conhecido como redefinir estado do circuito. Se ambas as entradas forem colocadas no estado "baixo", as saídas Q e Q-not do circuito permanecerão em seus últimos estados, "lembrando" de suas configurações anteriores. Isso é conhecido como travado estado do circuito.

Como as saídas foram designadas “Q” e “Q-not”, está implícito que seus estados serão sempre complementares (oposto). Assim, se algo acontecesse que obrigasse ambas as saídas ao mesmo estado, estaríamos inclinados a chamar esse modo do circuito de "inválido".

Isso é exatamente o que acontecerá se tornarmos as entradas Set e Reset “altas”:ambas as saídas Q e Q-not serão forçadas para o mesmo estado lógico “baixo”. Isso é conhecido como inválido ou ilegal estado do circuito, não porque algo deu errado, mas porque as saídas não atenderam às expectativas estabelecidas por seus rótulos.

Uma vez que o estado "travado" é uma condição histérica em que os últimos estados de saída são "lembrados", pode-se imaginar o que acontecerá se o circuito ligar desta forma, com nenhum estado anterior para manter . Para experimentar, coloque os dois interruptores em suas posições desligadas, deixando as entradas Set e Reset baixas e, em seguida, desconecte um dos fios da bateria da placa de ensaio.

Em seguida, estabeleça e interrompa rapidamente o contato entre o fio da bateria e seu ponto de conexão adequado na placa de ensaio, observando o status dos dois LEDs conforme o circuito é ligado repetidamente:







Quando um circuito de trava como esse é energizado em seu estado “travado”, os portões competem entre si pelo controle. Dadas as entradas “baixas”, ambas as portas tentam emitir sinais “altos”. Se uma das portas atingir seu estado de saída "alta" antes da outra, esse estado "alto" será realimentado para a entrada da outra porta para forçar sua saída "baixa", e a corrida é vencida pela porta mais rápida.

Invariavelmente, uma porta ganha a corrida, devido a variações internas entre as portas no chip e / ou resistências e capacitâncias externas que atuam para atrasar uma porta mais do que a outra. O que isso geralmente significa é que o circuito tende a ligar no mesmo modo, repetidamente. No entanto, se você for persistente em seus ciclos de ligar / desligar, você deve ver pelo menos algumas vezes onde o circuito de trava liga travado no oposto estado do normal.

As condições da corrida são geralmente indesejáveis ​​em qualquer tipo de sistema, pois levam a uma operação imprevisível. Eles podem ser particularmente difíceis de localizar, como mostra esta experiência, por causa da imprevisibilidade que eles criam. Imagine um cenário, por exemplo, em que uma das duas portas NOR tenha ação excepcionalmente lenta, devido a um defeito no chip.

Essa desvantagem faria com que o outro portão ganhasse a corrida de power-up todas as vezes. Em outras palavras, o circuito será muito previsível na inicialização com ambas as entradas "baixas". No entanto, suponha que o chip incomum fosse substituído por um com portas de correspondência mais uniforme, ou por um chip onde o outro O portão NOR foi consistentemente mais lento.

O comportamento normal do circuito não deve mudar quando um componente é substituído, mas se houver condições de corrida, uma mudança de componentes pode muito bem fazer exatamente isso.

Devido à tendência de corrida inerente de uma trava S-R, não se deve projetar um circuito com a expectativa de um estado de inicialização consistente, mas sim usar meios externos para "forçar" a corrida para que o portão desejado sempre "ganhe".

Uma modificação interessante para tentar neste circuito é substituir um dos resistores de “queda” de 470 Ω LED por uma unidade de valor inferior, como 100 Ω. O efeito óbvio dessa alteração será o aumento do brilho do LED, à medida que mais corrente for permitida.

Um efeito não tão óbvio também resultará, e é esse efeito que tem grande valor de aprendizado. Tente substituir um dos resistores de 470 Ω por um resistor de 100 Ω e opere os interruptores do sinal de entrada em todas as quatro combinações de configuração possíveis, observando o comportamento do circuito.

Você deve observar que o circuito se recusa a travar em um de seus estados (Set ou Reset), mas apenas no outro estado, quando os interruptores de entrada estão configurados para "baixo" (o modo "latch"). Por que é isso? Pegue um voltímetro e meça a tensão de saída da porta cuja saída é "alta" quando ambas as entradas estão "baixas".

Observe esta indicação de tensão e, em seguida, defina as chaves de entrada de forma que o outro estado (Reset ou Set) é forçado e meça a tensão de saída da outra porta quando sua saída estiver "alta". Observe a diferença entre os dois níveis de tensão de saída da porta, uma porta carregada por um LED com um resistor de 470 Ω e a outra carregada por um LED com um resistor de 100 Ω.

Aquela carregada pela carga "mais pesada" (resistor de 100 Ω) será muito menor:muito menos do que esta tensão não será interpretada pela entrada da outra porta NOR como um sinal "alto" à medida que é realimentado! Todas as portas lógicas têm faixas de tensão de sinal de entrada permissíveis “alta” e “baixa” e, se a tensão de um sinal digital cair fora dessa faixa permitida, ela pode não ser interpretada corretamente pela porta de recepção.

Em um circuito de trava como este, que depende de um sinal "alto" sólido realimentado da saída de uma porta para a entrada da outra, um sinal "fraco" não será capaz de manter o feedback positivo necessário para manter o circuito travado em um de seus estados.

Este é um dos motivos pelos quais sou a favor do uso de um voltímetro como uma “ponta de prova” lógica para determinar os níveis de sinal digital, em vez de uma ponta de prova lógica real com luzes de “alto” e “baixo”. Uma ponta de prova lógica pode não indicar a presença de um sinal “fraco”, enquanto um voltímetro certamente o fará por meio de sua indicação quantitativa.

Esse tipo de problema, comum em circuitos onde diferentes “famílias” de circuitos integrados são misturadas (TTL e CMOS, por exemplo), só pode ser encontrado com equipamentos de teste que fornecem medidas quantitativas de nível de sinal.