解决逻辑电路自启动问题的方法

解决逻辑电路自启动问题的方法

在时序逻辑电路中，当逻辑电路可能出现的总状态数不等于有效状态时，就会有无效状态。如果无效状态能回到有效状态时，称电路能够自启动。反之，则不能自启动。

能自启动的电路不会对电路工作状态造成影响，但不能自启动的电路会对电路的可靠性及稳定性形成较大的隐患。当电路加电时就可能偶然落入无效状态 ，这时电路将不能正常工作. 在电路正常工作时,如果受外部意外的干扰,也可能落入无效状态,此时电路的正常工作将被终止、 并出错.所以自启动问题是数字电路系统设计中必须解决的问题.

（1） 自启动问题的典型解决方法

自启动问题是设计过程中必须考虑的问题.自启动问题在相关书籍和文章中,都有较经典的解决方法. 为叙述方便, 以时序电路设计中的典型设计，计数器电路的设计为例来说明.在计数器中, 如果无效状态形成循环 (无效循环) ,则电路不能自启动(无效状态不能回到有效状态) .解决方法通常是修改无效循环中的状态转换关系,断开无效循环并把无效状态引导至有效状态,使电路的状态图形成能自启动的状态图,从而解决不能自启动的问题.现用 3位扭环形计数器 (图 1)为例来说明:无效状态 010和 101形成一个无效循环,所以电路不能自启动.解决的方法是断开无效循环,把无效状态 101引导至有效状态 110上, 完成自启动, 最后设计结果如图 2所示.

此方法直接、 彻底的解决了自启动问题.但这个方法有一个很大的局限性:当无效循环较多时,把无效状态一个一个的引导至有效状态的步骤可能很繁杂, 要有一定的经验和技巧, 虽然最后都能解决自启动问题,但最终的设计结果可能会很复杂.对于设计过程困难、 设计结果复杂的设计,是否还有另外的设计方法呢? 这就是本文讨论的要点.

（2）加电预置电路和检测复位电路解决自启动问题

首先想到的是加电预置,在打开电源的瞬间,使电路处在一个有效状态下,从而避免进入无效状态,来解决自启动问题.图 3电路在打开电源的瞬间,电路处在 111状态 (可任选一个有效状态来预置. 由于加电瞬间电容电压为零, 异步置位端使触发器瞬间置“1”.加电后、

电容电压很快升高为“1”触发器异步置位端的置位作用消失, 电路开始正常工作) .电阻 R 的阻值应能保证触发器的异步置位端为“1”.电容 C 的容量由置位时间的长短决定 ( T =RC) ,只要置位时间大于触发器的翻转时间就可以使电路正常工作.

加电预置的方法虽然简单, 但它无法避免电路受外部意外干扰,落入无效状态的可能.也就是电路的可靠性还有一定的问题. 如何解决这个问题? 在工业逻辑控制电路中, 为使逻辑电路的可靠性得到充分的保证,采用了一个称之为”看门狗电路”的技术,基本原理是”看门狗电路”定时采集逻辑电路的工作信息,当电路工作不正常时,立即发出一个中断申请, 使逻辑电路初始化重起, 恢复电路的正常工作.

按照上面的思路, 只要在不能自启动电路上加装检测复位电路, 就能解决电路的自启动问题. 例如: 在图 1上加装检测复位电路后,图 4所示电路就能很好的解决逻辑电路的自启动问题.图 4电路在打开电源的瞬间, 电容 C使电路处在一个有效状态111(与加电预置电路相似,可任选一个有效状态来预置.由于加电瞬间电容电压为零,异步置位端使触发器瞬间置”1”, 而采集电路采集到的 111状态, 又使电容电压瞬间升高为”1”, 异步置位端的置位作用消失,电路开始正常工作) ,解决了自启动的预置问题.检测逻辑电路工作是否正常的信息,由采集电路: 三输入端与门和二极管 D完成; 电路正常工作时, 采集电路能循环

采集到有效状态 111 , 并能定时对电容 C充电, 使触发器的异步置位端始终为”1”,不影响电路的正常工作;当电路工作不正常时,电容C通过电阻 R放电, 使触发器的异步置位端电压下降为”1”, 电路重新预置, 恢复电路正常工作.

电阻 R的阻值应能保证触发器的异步置位端为“0”;电容 C决定电路的放电时间,它必须保证在一个有效循环的整个周期内, 电容两端的电压始终保持为“1”,所以RC必须大于一个有效周期 T.一般只要等于 2T , 电路就能可靠工作. 如果太大,当电路工作不正常时, 会使电路的恢复响应时间增大.

3 总结

加电预置电路、 检测复位电路与常规典型解决方法相比较,各有所长、 各有所短.加电预置电路解决自启动问题:电路结构简单,设计容易,但电路工作的稳定性稍差,但只要解决电路布线干扰问题,也能满足一般电路的要求.检测复位电路解决自启动问题: 电路结构可能会复杂一点,但设计容易,并可以保证电路工作的高可靠性.常规典型解决方法:电路结构有时会很复杂,设计过程繁杂、 并有一定的难度.电路工作同样也具有高可靠性.检测复位电路的方法是一种非常规的解决方案,由于它借鉴了提高工业逻辑控制稳定性的方法,设计出来的

电路稳定可靠,并能方便的完成设计工作.这在典型解决方法较困难时,就更能发挥出它的优势. 检测复位电路的方法要应用到其它方面的知识, 知识相对比较综合. 在借鉴时, 也不是完全照搬原来的方法,而只是借鉴了它的思路,把原来的逻辑处理方法进行了电路化处理. 它使解决自启动问题的设计方法更加多样化.

参考文献:

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