Деформирование длительности выходных сигналов

Если сигналы в схеме распространяются по цепочкам, задержки в которых различны, то это приводит к смещению сигналов относительно друг друга во времени. В свою очередь, это может вызвать уменьшение длительности сигнала “1” на выходе элемента И и увеличение - на выходе ИЛИ. На рис. 5 приведены схема и временные диаграммы, поясняющие деформирование длительности выходных сигналов при переключении инерционных логических элементов.

Рис. 5. Деформирование длительности выходных сигналов

Увыходных сигналову₁и у₂ в начале и в конце будут зоны неопределенности длительностью по 3τ каждая. В частном случае при τ= 0 выходные сигналы у₁и у₂ почти повторяют входные. Однако если задержки τ максимальны, то на входах элементов D5 и D6 они могут появиться с разбросом по времени на 2τ. Понятие одновременности расплывается и становится относительным. В худшем случае сигнал у₁будет иметь длительность Т – 2τ, а у₂ - Т + 2τ , причем фронты (спады) этих сигналов могут быть сдвинуты по отношению к входным сигналам на 3τ. Возможны и любые промежуточные формы рассмотренных частных случаев, причем предугадать характер деформирования заранее невозможно. Если цепочка до входов элементов D5 и D6 содержит k элементов, то во всех рассмотренных случаях вместо двойки в качестве множителя при τ войдет k. У разработчика нет никаких официальных документов, позволяющих проигнорировать любой из возможных эффектов, и он вынужден проектировать схему так, чтобы ни один из них не привел к сбою в работе. Если на выходе схемы требуется получить импульс с длительностью Т, то длительность импульса на входе цепочки должна быть на kτ больше. Аналогично нужно обеспечивать на выходе схемы и минимальную длительность паузы и максимальную длительность импульса, если это требуется. Двухстороннего допуска на длительность импульса, менее жесткого, чем ±kτ, требовать нельзя.

Сказанное позволяет сделать вывод, что деформирование выходного сигнала может настолько уменьшить длительность уровней “1” и “0”, что элементы D5 и D6 могут стать для них фильтрами, то есть полностью нарушить логику работы схемы. Итак, деформирование выходного сигнала может привести к исчезновению алгоритмически верного сигнала.

Статические риски сбоя

На рис. 6 показана работа элементовИ и ИЛИ при подаче на их входы двух последовательных во времени наборов Х₁ = x₁x₀= 01 и Х₂ = x₁x₀= 10. Значение сигнала у₁для элемента И на этих наборах должно оставаться постоянным и равным 0, а у₂ – равным 1. Это выполняется для случаев разброса во времени моментов переключения переменных x₁ и x₀, показанных на рис. 6, а и г.

Рис. 6. Разброс во времени моментов переключения

Если же этот разброс соответствует рис. 6, б и в, то видно, что на выходе схемы И появится логический сигнал 1 длительностью Δτ₁, а на выходе схемы ИЛИ - сигнал 0 длительностью Δτ₂. Эти ложные сигналы и являются рисками сбоя, причем видно, что они могут быть, а могут и отсутствовать. Все дальнейшие примеры будут иллюстрироваться временными диаграммами для наихудшего случая, когда риск сбоя обязательно имеет место.

Риск сбоя называется статическим, если у(X₁) = y(Х₂), где y - булева функция. Риск сбоя называется статическим в нуле S₀, если у(X₁) = y(Х₂) = 0. Риск сбоя называется статическим в единице S₁, если у(X₁) = y(Х₂) = 1. Итак, на рис. 6, б имеет место статический риск сбоя в нуле S₀, а на рис. 6, в - статический риск сбоя в единице S₁.

Существенно, что полученные помехи S₀ и S₁ (иногда их называют “иголками”, “мерцаниями”, “глитчами” (англ. glitch)) - это не пренебрежимо короткий всплеск напряжения малой амплитуды. При достаточно большой разности Δτ помеха будет иметь длительность, во много раз превышающую время переключения элемента, и амплитуду, равную номинальному сигналу. Это уже полноценный сигнал, на который могут реагировать последующие элементы (входы синхронизации, установки в 0 или 1, загрузки данных и т. п.). Такие помехи - страшная вещь для цифровых схем, тем более, что их практически невозможно увидеть на осциллографе, и разработчик просто не будет знать об их существовании. Они могут сужаться до полного исчезновения, но могут и расширяться, проходя через логические цепи.