Pestillo S-R de la puerta NOR

PIEZAS Y MATERIALES

• 4001 puerta NOR cuádruple (catálogo de Radio Shack n. ° 276-2401)
• Interruptor DIP de ocho posiciones (catálogo de Radio Shack n. ° 275-1301)
• LED de gráfico de barras de diez segmentos (catálogo de Radio Shack n. ° 276-081)
• Una batería de 6 voltios
• Dos resistencias de 10 kΩ
• Dos resistencias de 470 Ω
• Dos resistencias de 100 Ω

¡Precaución! El 4001 IC es CMOS y, por lo tanto, es sensible a la electricidad estática.

REFERENCIAS CRUZADAS

Lecciones de circuitos eléctricos , Volumen 4, capítulo 3:"Puertas lógicas"

Lecciones de circuitos eléctricos , Volumen 4, capítulo 10:“Multivibradores”

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

• Para conocer los efectos de la retroalimentación positiva en un circuito digital
• ¿Qué se entiende por estado "no válido" de un circuito de pestillo?
• Qué condición de carrera está en un circuito digital
• Conocer la importancia de los niveles de voltaje de señal CMOS "altos" válidos

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO

ILUSTRACIÓN

INSTRUCCIONES

El circuito integrado 4001 es una puerta NOR cuádruple CMOS, idéntica en las asignaciones de pines de entrada, salida y fuente de alimentación a la puerta NAND cuádruple 4011. Su diagrama de "pinout" o "conexión" es como tal:

Cuando dos puertas NOR están interconectadas como se muestra en el diagrama esquemático, habrá retroalimentación positiva de salida a entrada. Es decir, la señal de salida tiende a mantener la puerta en su último estado de salida. Al igual que en los circuitos de amplificador operacional, la retroalimentación positiva crea histéresis .

Esta tendencia del circuito a permanecer en su último estado de salida le da una especie de "memoria". De hecho, ¡existen tecnologías de memoria de computadora de estado sólido basadas en circuitos como este!

Si designamos el interruptor izquierdo como la entrada "Set" y el interruptor derecho como el "Reset", el LED izquierdo será la salida "Q" y el LED derecho la salida "Q-not". Con la entrada Set "alta" (encendido) y la entrada Reset "baja", Q pasará a "alta" y Q-not a "baja".

Esto se conoce como conjunto estado del circuito. Hacer que la entrada de reinicio sea "alta" y la entrada de ajuste "baja" invierte el estado de salida del circuito de enclavamiento:Q "bajo" y Q-no "alto". Esto se conoce como reinicio estado del circuito. Si ambas entradas se colocan en el estado "bajo", las salidas Q y Q-not del circuito permanecerán en sus últimos estados, "recordando" sus configuraciones anteriores. Esto se conoce como bloqueado estado del circuito.

Debido a que las salidas se han designado como "Q" y "Q-no", se implica que sus estados siempre serán complementarios (opuestos). Por lo tanto, si sucediera algo que obligara a ambas salidas a lo mismo estado, estaríamos inclinados a llamar a ese modo del circuito "inválido".

Esto es exactamente lo que sucederá si hacemos que las entradas Set y Reset sean “altas”:las salidas Q y Q-not serán forzadas al mismo estado lógico “bajo”. Esto se conoce como inválido o ilegal estado del circuito, no porque algo haya salido mal, sino porque las salidas no han cumplido con las expectativas establecidas por sus etiquetas.

Dado que el estado "enclavado" es una condición histerética mediante la cual se "recuerdan" los últimos estados de salida, uno podría preguntarse qué sucederá si el circuito se enciende de esta manera, sin ningún estado previo para mantener . Para experimentar, coloque ambos interruptores en sus posiciones de apagado, haciendo que las entradas Set y Reset sean bajas, luego desconecte uno de los cables de la batería de la placa de pruebas.

Luego, haga y desconecte rápidamente el contacto entre el cable de la batería y su punto de conexión adecuado en la placa de pruebas, y observe el estado de los dos LED cuando el circuito se enciende una y otra vez:

Cuando un circuito de pestillo como este se enciende en su estado de "pestillo", las puertas compiten entre sí por el control. Dadas las entradas "bajas", ambas puertas intentan emitir señales "altas". Si una de las puertas alcanza su estado de salida "alta" antes que la otra, ese estado "alto" se retroalimentará a la entrada de la otra puerta para forzar su salida "baja", y la puerta más rápida gana la carrera.

Invariablemente, una puerta gana la carrera, debido a variaciones internas entre puertas en el chip y / o resistencias y capacitancias externas que actúan para retrasar una puerta más que la otra. Lo que esto suele significar es que el circuito tiende a encenderse en el mismo modo, una y otra vez. Sin embargo, si persiste en sus ciclos de encendido / apagado, debería ver al menos algunas veces donde el circuito del pestillo se enciende bloqueado en el opuesto estado de lo normal.

Las condiciones de carrera son generalmente indeseables en cualquier tipo de sistema, ya que conducen a un funcionamiento impredecible. Pueden ser particularmente difíciles de localizar, como muestra este experimento, debido a la imprevisibilidad que crean. Imagine un escenario, por ejemplo, en el que una de las dos puertas NOR fuera de acción excepcionalmente lenta, debido a un defecto en el chip.

Esta desventaja haría que la otra puerta ganara la carrera de potenciadores cada vez. En otras palabras, el circuito será muy predecible en el encendido con ambas entradas "bajas". Sin embargo, suponga que el chip inusual fuera reemplazado por uno con puertas más parecidas, o por un chip donde el otro La puerta NOR fue consistentemente más lenta.

No se supone que el comportamiento normal del circuito cambie cuando se reemplaza un componente, pero si existen condiciones de carrera, un cambio de componentes puede hacer exactamente eso.

Debido a la tendencia de carrera inherente de un pestillo SR, no se debe diseñar un circuito con la expectativa de un estado de encendido constante, sino utilizar medios externos para "forzar" la carrera de modo que la puerta deseada siempre "gane".

Una modificación interesante para probar en este circuito es reemplazar una de las resistencias de “caída” de LED de 470 Ω con una unidad de menor valor, como 100 Ω. El efecto obvio de esta alteración será un aumento del brillo del LED, a medida que se permita el paso de más corriente.

También resultará un efecto no tan obvio, y es este efecto el que tiene un gran valor de aprendizaje. Intente reemplazar una de las resistencias de 470 Ω con una resistencia de 100 Ω y opere los interruptores de señal de entrada a través de las cuatro combinaciones posibles de configuración, observando el comportamiento del circuito.

Debe tener en cuenta que el circuito se niega a engancharse en uno de sus estados (Establecer o Restablecer), pero solo en el otro estado, cuando los interruptores de entrada están configurados en "bajo" (el modo "enclavamiento"). ¿Por qué es esto? Tome un voltímetro y mida el voltaje de salida de la puerta cuya salida es "alta" cuando ambas entradas son "bajas".

Tenga en cuenta esta indicación de voltaje, luego configure los interruptores de entrada de tal manera que el otro el estado (Reset o Set) es forzado y mide el voltaje de salida de la otra puerta cuando su salida es "alta". Note la diferencia entre los dos niveles de voltaje de salida de la puerta, una puerta cargada por un LED con una resistencia de 470 Ω y la otra cargada por un LED con una resistencia de 100 Ω.

El cargado por la carga "más pesada" (resistencia de 100 Ω) será mucho menor:mucho menor que este voltaje no será interpretado por la entrada de la otra puerta NOR como una señal "alta" en absoluto, ya que se retroalimenta. Todas las puertas lógicas tienen rangos de voltaje de señal de entrada "alto" y "bajo" permisibles, y si el voltaje de una señal digital cae fuera de este rango permitido, es posible que la puerta receptora no lo interprete correctamente.

En un circuito de pestillo como este, que depende de una señal sólida "alta" realimentada desde la salida de una puerta a la entrada de la otra, una señal "débil" no podrá mantener la retroalimentación positiva necesaria para mantener la circuito bloqueado en uno de sus estados.

Esta es una de las razones por las que prefiero el uso de un voltímetro como "sonda" lógica para determinar los niveles de señales digitales, en lugar de una sonda lógica real con luces "altas" y "bajas". Una sonda lógica puede no indicar la presencia de una señal "débil", mientras que un voltímetro definitivamente lo hará mediante su indicación cuantitativa.

Este tipo de problema, común en circuitos donde se mezclan diferentes "familias" de circuitos integrados (TTL y CMOS, por ejemplo), solo se puede encontrar con equipos de prueba que proporcionen mediciones cuantitativas del nivel de señal.