NOR Gate S-R Latch

BAGIAN DAN BAHAN

• Gerbang NOR segi empat 4001 (Katalog Radio Shack # 276-2401)
• Sakelar DIP delapan posisi (Katalog Radio Shack # 275-1301)
• LED grafik batang sepuluh segmen (Katalog Radio Shack # 276-081)
• Satu baterai 6 volt
• Dua resistor 10 kΩ
• Dua resistor 470
• Dua resistor 100

Hati-hati! IC 4001 adalah CMOS, dan karenanya sensitif terhadap listrik statis!

REFERENSI SILANG

Pelajaran Dalam Rangkaian Listrik , Volume 4, bab 3:“Gerbang Logika”

Pelajaran Dalam Rangkaian Listrik , Volume 4, bab 10:“Multivibrator”

TUJUAN PEMBELAJARAN

• Untuk mempelajari efek umpan balik positif dalam sirkuit digital
• Apa yang dimaksud dengan status "tidak valid" dari sirkuit kait
• Sungguh kondisi balapan berada di sirkuit digital
• Untuk mengetahui pentingnya level tegangan sinyal CMOS "tinggi" yang valid

DIAGRAM SKEMATIK

ILUSTRASI

INSTRUKSI

Sirkuit terpadu 4001 adalah gerbang NOR quad CMOS, identik dalam penetapan pin input, output, dan catu daya ke gerbang NAND quad 4011. Diagram “pinout” atau “koneksi”nya seperti ini:

Ketika dua gerbang NOR dihubungkan silang seperti yang ditunjukkan pada diagram skematik, akan ada umpan balik positif dari output ke input. Artinya, sinyal keluaran cenderung mempertahankan gerbang dalam keadaan keluaran terakhirnya. Sama seperti di sirkuit op-amp, umpan balik positif menciptakan histerisis .

Kecenderungan sirkuit untuk tetap dalam keadaan keluaran terakhirnya memberinya semacam "memori." Faktanya, ada teknologi memori komputer solid-state berdasarkan sirkuit seperti ini!

Jika kita menetapkan sakelar kiri sebagai input "Set" dan sakelar kanan sebagai "Reset", LED kiri akan menjadi output "Q" dan LED kanan sebagai output "Q-not". Dengan masukan Setel "tinggi" (nyalakan) dan masukan Atur Ulang "rendah", Q akan menjadi "tinggi" dan Q-tidak akan menjadi "rendah".

Ini dikenal sebagai set keadaan sirkuit. Membuat input Reset "tinggi" dan input Set "rendah" membalikkan status output rangkaian kait:Q "rendah" dan Q-bukan "tinggi." Ini dikenal sebagai reset keadaan sirkuit. Jika kedua input ditempatkan ke status "rendah", output Q dan Q-not rangkaian akan tetap dalam status terakhirnya, "mengingat" pengaturan sebelumnya. Ini dikenal sebagai terkunci keadaan sirkuit.

Karena output telah ditunjuk "Q" dan "Q-not," tersirat bahwa keadaan mereka akan selalu saling melengkapi (berlawanan). Jadi, jika sesuatu terjadi yang memaksa kedua output ke sama negara, kami akan cenderung menyebut mode sirkuit itu "tidak valid."

Inilah yang akan terjadi jika kita membuat input Set dan Reset menjadi "tinggi:" baik output Q dan Q-not akan dipaksa ke keadaan logika "rendah" yang sama. Ini dikenal sebagai tidak valid atau ilegal keadaan sirkuit, bukan karena ada yang tidak beres, tetapi karena outputnya gagal memenuhi harapan yang ditetapkan oleh labelnya.

Karena status "latched" adalah kondisi histeris di mana status keluaran terakhir "diingat", orang mungkin bertanya-tanya apa yang akan terjadi jika rangkaian menyala dengan cara ini, dengan tidak ada status sebelumnya yang ditahan . Untuk bereksperimen, letakkan kedua sakelar di posisi mati, rendahkan input Setel dan Setel Ulang, lalu lepaskan salah satu kabel baterai dari papan tempat memotong roti.

Kemudian, segera buat dan putuskan kontak antara kabel baterai itu dan titik koneksi yang tepat di papan tempat memotong roti, perhatikan status kedua LED saat sirkuit dinyalakan berulang kali:

Ketika sirkuit kait seperti ini dihidupkan ke status "terkunci", gerbang berpacu satu sama lain untuk kontrol. Mengingat input "rendah", kedua gerbang mencoba mengeluarkan sinyal "tinggi". Jika salah satu gerbang mencapai status keluaran "tinggi" sebelum gerbang lainnya, status "tinggi" itu akan diumpankan kembali ke input gerbang lain untuk memaksa keluarannya "rendah", dan perlombaan dimenangkan oleh gerbang yang lebih cepat.

Selalu, satu gerbang memenangkan perlombaan, karena variasi internal antara gerbang dalam chip, dan/atau resistansi eksternal dan kapasitansi yang bertindak untuk menunda satu gerbang lebih dari yang lain. Ini biasanya berarti bahwa sirkuit cenderung menyala dalam mode yang sama, berulang-ulang. Namun, jika Anda gigih dalam siklus menyalakan/mematikan, Anda akan melihat setidaknya beberapa kali di mana rangkaian kait menyala terkunci di berlawanan keadaan dari normal.

Kondisi balapan umumnya tidak diinginkan dalam sistem apa pun, karena mengarah pada operasi yang tidak dapat diprediksi. Mereka bisa sangat sulit untuk ditemukan, seperti yang ditunjukkan oleh eksperimen ini, karena ketidakpastian yang mereka ciptakan. Bayangkan sebuah skenario, misalnya, di mana salah satu dari dua gerbang NOR bekerja sangat lambat, karena cacat pada chip.

Cacat ini akan menyebabkan gerbang lain memenangkan perlombaan power-up setiap saat. Dengan kata lain, rangkaian akan sangat dapat diprediksi saat dinyalakan dengan kedua input "rendah". Namun, misalkan chip yang tidak biasa diganti dengan chip yang memiliki gerbang yang lebih cocok, atau dengan chip di mana lainnya Gerbang NOR secara konsisten lebih lambat.

Perilaku sirkuit normal tidak seharusnya berubah saat komponen diganti, tetapi jika ada kondisi balapan, perubahan komponen mungkin akan terjadi.

Karena kecenderungan balapan yang melekat pada kait SR, seseorang tidak boleh merancang sirkuit dengan harapan keadaan power-up yang konsisten, melainkan menggunakan cara eksternal untuk "memaksa" balapan sehingga gerbang yang diinginkan selalu "menang."

Modifikasi yang menarik untuk dicoba pada rangkaian ini adalah dengan mengganti salah satu resistor “dropping” LED 470 dengan satuan yang bernilai lebih rendah, misalnya 100 . Efek nyata dari perubahan ini adalah peningkatan kecerahan LED, karena lebih banyak arus yang diizinkan masuk.

Efek yang tidak terlalu jelas juga akan dihasilkan, dan efek inilah yang memiliki nilai pembelajaran yang besar. Coba ganti salah satu resistor 470 dengan resistor 100 , dan operasikan sakelar sinyal input melalui keempat kemungkinan kombinasi pengaturan, dengan memperhatikan perilaku rangkaian.

Anda harus mencatat bahwa sirkuit menolak untuk mengunci di salah satu statusnya (baik Set atau Reset), tetapi hanya di negara lain, ketika sakelar input keduanya disetel "rendah" (mode "latch"). Kenapa ini? Ambil voltmeter dan ukur tegangan keluaran gerbang yang keluarannya "tinggi" ketika kedua masukannya "rendah".

Catat indikasi tegangan ini, lalu atur sakelar input sedemikian rupa sehingga tombol lainnya keadaan (baik Reset atau Set) dipaksa, dan ukur tegangan output dari gerbang lain ketika outputnya "tinggi." Perhatikan perbedaan antara dua level tegangan keluaran gerbang, satu gerbang dibebani oleh LED dengan resistor 470 , dan gerbang lainnya dibebani oleh LED dengan resistor 100 .

Yang dimuat oleh beban "lebih berat" (resistor 100 ) akan jauh lebih sedikit:jauh lebih kecil dari tegangan ini tidak akan ditafsirkan oleh input gerbang NOR lainnya sebagai sinyal "tinggi" sama sekali karena diumpankan kembali! Semua gerbang logika memiliki rentang tegangan sinyal input "tinggi" dan "rendah" yang diizinkan, dan jika tegangan sinyal digital berada di luar rentang yang diizinkan ini, hal itu mungkin tidak diinterpretasikan dengan benar oleh gerbang penerima.

Dalam rangkaian kait seperti ini, yang bergantung pada sinyal "tinggi" yang solid yang diumpankan kembali dari output satu gerbang ke input gerbang lainnya, sinyal "lemah" tidak akan mampu mempertahankan umpan balik positif yang diperlukan untuk menjaga sirkuit terkunci di salah satu statusnya.

Ini adalah salah satu alasan saya menyukai penggunaan voltmeter sebagai "penyelidik" logika untuk menentukan level sinyal digital, daripada probe logika aktual dengan lampu "tinggi" dan "rendah". Sebuah probe logika mungkin tidak menunjukkan adanya sinyal "lemah", sedangkan voltmeter pasti akan menunjukkan indikasi kuantitatifnya.

Jenis masalah ini, umum di sirkuit di mana "keluarga" yang berbeda dari sirkuit terintegrasi dicampur (TTL dan CMOS, misalnya), hanya dapat ditemukan dengan peralatan uji yang menyediakan pengukuran kuantitatif tingkat sinyal.