第3节 NOR Gate S-R Latch (修订中)
[TOC]
零件和材料
- 4001 四或非门（Radio Shack 目录＃276-2401）
- 八位 DIP 开关（Radio Shack 目录 # 275-1301）
- 十段条形图 LED（Radio Shack 目录 #276-081）
- 一节 6 伏电池
- 两个 10 kΩ 电阻器
- 两个 470 Ω 电阻器
- 两个 100 Ω 电阻器
__警告！__4001 IC 是 CMOS，因此对静电很敏感！
交叉引用
电路课，第 4 卷，第 3 章：“逻辑门 (opens new window)”
电路课程，第 4 卷，第 10 章：“多谐振荡器 (opens new window)”
学习目标
- 了解数字电路中正反馈的影响
- 锁存电路的“无效”状态是什么意思
- _数字电路中的竞争条件_是什么
- 了解有效“高”CMOS 信号电压电平的重要性
原理图，示意图
插图
指示
4001 集成电路是一个CMOS (opens new window)四或非门，其输入、输出和电源引脚分配与 4011 四与非门相同。它的“引出线”或“连接”图如下：
当两个或非门 (opens new window)如图所示交叉连接时，从输出到输入会有正反馈。也就是说，输出信号倾向于将门保持在其最后的输出状态。就像在运算放大器电路中一样，正反馈会产生_滞后_。
电路保持在最后一个输出状态的这种趋势给了它一种“记忆”。事实上，有基于这种电路的固态计算机内存技术！
如果我们将左侧开关指定为“Set”输入，右侧开关指定为“Reset”，则左侧 LED 将为“Q”输出，右侧 LED 为“Q-not”输出。当设置输入“高”（打开）和复位输入“低”时，Q 将变为“高”，而 Q-not 将变为“低”。
这被称为电路的_设置_状态。使复位输入“高”和设置输入“低”反转锁存电路的输出状态：Q“低”和 Q-非“高”。这被称为电路的_复位_状态。如果两个输入都置于“低”状态，则电路的 Q 和 Q-not 输出将保持在它们的最后状态，“记住”它们之前的设置。这被称为电路的_锁存_状态。
因为输出被指定为“Q”和“Q-not”，这意味着它们的状态将始终是互补的（相反的）。因此，如果发生某些事情迫使两个输出处于_相同_状态，我们倾向于将这种电路模式称为“无效”。
如果我们将设置和复位输入都设置为“高”，这正是会发生的情况：Q 和 Q-not 输出都将被强制为相同的“低”逻辑状态。这被称为电路的_无效_或_非法_状态，不是因为出现问题，而是因为输出未能满足其标签所建立的期望。
由于“锁定”状态是一种滞后状态，因此最后的输出状态被“记住”，人们可能想知道如果电路以这种方式上电会发生什么，没有以前的状态可以保持。要进行实验，请将两个开关都置于关闭位置，使设置和复位输入都为低电平，然后从面包板上断开其中一根电池线。
然后，快速建立和断开电池线与其在面包板上的正确连接点之间的接触，注意电路一次又一次通电时两个 LED 的状态：
当像这样的锁存电路通电进入其“锁存”状态时，门会相互竞争以进行控制。给定“低”输入，两个门都试图输出“高”信号。如果其中一个门在另一个之前达到其“高”输出状态，则该“高”状态将反馈到另一个门的输入以强制其输出“低”，并且较快的门将赢得比赛。
由于芯片中栅极之间的内部变化和/或外部电阻和电容使一个栅极比另一个延迟更多，一个栅极总是会赢得比赛。这通常意味着电路往往会一遍又一遍地以相同的模式通电。但是，如果您在通电/断电周期中坚持不懈，您应该至少会看到几次锁存电路上电时锁存在与正常状态_相反_的状态。
在任何类型的系统中，竞争条件通常都是不可取的，因为它们会导致不可预测的操作。正如本实验所示，由于它们造成的不可预测性，定位它们可能特别麻烦。例如，想象一个场景，其中两个 NOR 门中的一个由于芯片缺陷而动作异常缓慢。
这个障碍会导致另一个门每次都赢得加电比赛。换句话说，电路在上电时非常可预测，两个输入都“低”。然而，假设不寻常的芯片将被一个具有更均匀匹配门的芯片取代，或者被_另一个_NOR 门始终较慢的芯片取代。
更换组件时不应该改变正常的电路行为，但是如果存在竞争条件，则更换组件可能会很好地做到这一点。
由于 SR 锁存器固有的竞争倾向，设计电路时不应期望保持一致的上电状态，而应使用外部手段“强制”竞争，以使所需的门始终“获胜”。
在此电路中尝试的一个有趣的修改是用较低值的单位（例如 100 Ω ）替换一个 470 Ω LED“下降”电阻器。 (opens new window)这种改变的明显效果将是增加 LED 亮度，因为允许更多电流通过。
也会产生一个不那么明显的效果，正是这种效果具有很大的学习价值。尝试用 100 Ω 电阻器替换其中一个 470 Ω 电阻器，并通过所有四种可能的设置组合操作输入信号开关，注意电路的行为。
您应该注意，当输入开关都设置为“低”（“锁存”模式）时，电路拒绝锁定其一种状态（设置或复位），但仅在另一种状态下。为什么是这样？拿一个电压表测量两个输入都为“低”时输出为“高”的门的输出电压。
注意这个电压指示，然后设置输入开关以强制进入_另一个_状态（复位或设置），并在另一个门的输出为“高”时测量另一个门的输出电压。注意两个栅极输出电压电平之间的差异，一个栅极由具有 470 Ω 电阻的 LED 负载，另一个由具有 100 Ω 电阻的 LED 负载。
由“较重”负载（100 Ω 电阻器）加载的电压会小得多：比这个电压低得多的电压不会被另一个 NOR 门的输入解释为“高”信号，因为它被反馈了！所有逻辑门都有允许的“高”和“低”输入信号电压范围，如果数字信号的电压超出此允许范围，接收门可能无法正确解释。
在像这样的锁存电路中，它依赖于从一个门的输出反馈到另一个门的输入的稳定“高”信号，“弱”信号将无法保持保持所需的正反馈电路锁定在其状态之一。
这是我喜欢使用电压表作为逻辑“探头”来确定数字信号电平的原因之一，而不是使用“高”和“低”灯的实际逻辑探头。逻辑探头可能不会指示“弱”信号的存在，而电压表肯定会通过其定量指示来指示。
这种类型的问题在混合不同“系列”集成电路（例如 TTL 和 CMOS）的电路中很常见，只能在提供信号电平定量测量的测试设备中发现。
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