Verrou S-R de porte NOR

PIÈCES ET MATÉRIAUX

• 4001 porte NOR quadruple (catalogue Radio Shack # 276-2401)
• Interrupteur DIP à huit positions (catalogue Radio Shack n° 275-1301)
• LED graphique à barres à dix segments (catalogue Radio Shack n° 276-081)
• Une batterie 6 volts
• Deux résistances de 10 kΩ
• Deux résistances de 470 
• Deux résistances de 100 

Attention ! Le 4001 IC est CMOS, et donc sensible à l'électricité statique !

REFERENCES CROISEES

Leçons En Circuits Électriques , Volume 4, chapitre 3 :« Portes logiques »

Leçons En Circuits Électriques , Volume 4, chapitre 10 :« Multivibrateurs »

OBJECTIFS D'APPRENTISSAGE

• Pour apprendre les effets de la rétroaction positive dans un circuit numérique
• Qu'entend-on par l'état « invalide » d'un circuit de verrouillage ?
• Quelle condition raciale est dans un circuit numérique
• Connaître l'importance de niveaux de tension de signal CMOS « élevés » valides

SCHÉMA SCHÉMA

ILLUSTRATION

INSTRUCTIONS

Le circuit intégré 4001 est une porte NOR quadruple CMOS, identique dans les affectations de broches d'entrée, de sortie et d'alimentation à la porte NAND quadruple 4011. Son schéma de « brochage » ou de « connexion » est le suivant :

Lorsque deux portes NOR sont interconnectées comme indiqué dans le schéma, il y aura un retour positif de la sortie à l'entrée. C'est-à-dire que le signal de sortie a tendance à maintenir la porte dans son dernier état de sortie. Tout comme dans les circuits d'amplificateurs opérationnels, la rétroaction positive crée une hystérésis .

Cette tendance du circuit à rester dans son dernier état de sortie lui confère une sorte de « mémoire ». En fait, il existe des technologies de mémoire informatique à semi-conducteurs basées sur des circuits comme celui-ci !

Si nous désignons le commutateur gauche comme l'entrée "Set" et le commutateur droit comme "Reset", la LED gauche sera la sortie "Q" et la LED droite la sortie "Q-not". Avec l'entrée Set "high" (interrupteur allumé) et l'entrée Reset "low", Q deviendra "high" et Q-not deviendra "low".

C'est ce qu'on appelle l'ensemble état du circuit. Rendre l'entrée Reset « high » et l'entrée Set « low » inverse l'état de sortie du circuit de verrouillage :Q « low » et Q-not « high ». C'est ce qu'on appelle la réinitialisation état du circuit. Si les deux entrées sont placées dans l'état "bas", les sorties Q et Q-not du circuit resteront dans leurs derniers états, "se souvenant" de leurs réglages antérieurs. Ceci est connu sous le nom de verrouillé état du circuit.

Parce que les sorties ont été désignées « Q » et « Q-non », il est implicite que leurs états seront toujours complémentaires (opposés). Ainsi, si quelque chose se produisait qui forcerait les deux sorties à la même état, nous serions enclins à appeler ce mode du circuit « invalide ».

C'est exactement ce qui se passera si nous rendons les deux entrées Set et Reset « hautes » :les sorties Q et Q-not seront forcées au même état logique « bas ». Ceci est connu comme le invalide ou illégal l'état du circuit, non pas parce que quelque chose s'est mal passé, mais parce que les sorties n'ont pas répondu aux attentes établies par leurs étiquettes.

Étant donné que l'état « verrouillé » est une condition hystérétique dans laquelle les derniers états de sortie sont « mémorisés », on peut se demander ce qui se passera si le circuit s'allume de cette façon, sans aucun état précédent à conserver . Pour expérimenter, placez les deux commutateurs dans leurs positions d'arrêt, en réduisant les entrées Set et Reset, puis déconnectez l'un des fils de la batterie de la maquette.

Ensuite, établissez et coupez rapidement le contact entre ce fil de batterie et son point de connexion approprié sur la planche à pain, en notant l'état des deux LED lorsque le circuit est alimenté encore et encore :

Lorsqu'un circuit de verrouillage tel que celui-ci est mis sous tension dans son état «verrouillé», les portes se battent les unes contre les autres pour le contrôle. Compte tenu des entrées « faibles », les deux portes essaient de produire des signaux « élevés ». Si l'une des portes atteint son état de sortie « haut » avant l'autre, cet état « haut » sera renvoyé à l'entrée de l'autre porte pour forcer sa sortie « bas » et la course est remportée par la porte la plus rapide.

Invariablement, une porte gagne la course, en raison des variations internes entre les portes de la puce et/ou des résistances et capacités externes qui retardent une porte plus que l'autre. Cela signifie généralement que le circuit a tendance à s'allumer dans le même mode, encore et encore. Cependant, si vous persistez dans vos cycles de mise sous/hors tension, vous devriez voir au moins quelques fois où le circuit de verrouillage s'allume verrouillé dans l'opposé état normal.

Les conditions de course sont généralement indésirables dans tout type de système, car elles conduisent à un fonctionnement imprévisible. Ils peuvent être particulièrement difficiles à localiser, comme le montre cette expérience, en raison de l'imprévisibilité qu'ils créent. Imaginez un scénario, par exemple, où l'une des deux portes NOR agissait exceptionnellement lentement, en raison d'un défaut de la puce.

Ce handicap ferait que l'autre porte gagnerait à chaque fois la course à la mise sous tension. En d'autres termes, le circuit sera très prévisible à la mise sous tension avec les deux entrées « faibles ». Cependant, supposons que la puce inhabituelle soit remplacée par une autre avec des portes mieux appariées, ou par une puce où l'autre La porte NOR était systématiquement plus lente.

Le comportement normal du circuit n'est pas censé changer lorsqu'un composant est remplacé, mais si des conditions de concurrence sont présentes, un changement de composants peut très bien faire exactement cela.

En raison de la tendance inhérente à la course d'un verrou SR, il ne faut pas concevoir un circuit dans l'attente d'un état de mise sous tension cohérent, mais plutôt utiliser des moyens externes pour « forcer » la course afin que la porte souhaitée « gagne toujours ».

Une modification intéressante à essayer dans ce circuit consiste à remplacer l'une des résistances LED de 470 Ω « chute » par une unité de valeur inférieure, telle que 100 Ω. L'effet évident de cette altération sera une augmentation de la luminosité des LED, car plus de courant est autorisé.

Un effet pas si évident en résultera également, et c'est cet effet qui a une grande valeur d'apprentissage. Essayez de remplacer l'une des résistances de 470 Ω par une résistance de 100 Ω et activez les commutateurs de signal d'entrée via les quatre combinaisons de réglages possibles, en notant le comportement du circuit.

Vous devez noter que le circuit refuse de verrouiller dans l'un de ses états (soit Set, soit Reset), mais uniquement dans l'autre état, lorsque les commutateurs d'entrée sont tous deux réglés sur "bas" (le mode "latch"). Pourquoi est-ce? Prenez un voltmètre et mesurez la tension de sortie de la porte dont la sortie est « haute » lorsque les deux entrées sont « bas. »

Notez cette indication de tension, puis réglez les commutateurs d'entrée de manière à ce que l'autre (soit Reset ou Set) est forcé, et mesurez la tension de sortie de l'autre porte lorsque sa sortie est "haute". Notez la différence entre les deux niveaux de tension de sortie de grille, une grille chargée par une LED avec une résistance de 470 Ω et l'autre chargée par une LED avec une résistance de 100 .

Celle chargée par la charge "la plus lourde" (résistance 100 Ω) sera beaucoup moins :donc bien moins que cette tension ne sera pas du tout interprétée par l'entrée de l'autre porte NOR comme un signal "haut" car elle est renvoyée ! Toutes les portes logiques ont des plages de tension de signal d'entrée « élevées » et « basses » autorisées, et si la tension d'un signal numérique tombe en dehors de cette plage autorisée, il se peut qu'elle ne soit pas correctement interprétée par la porte de réception.

Dans un circuit de verrouillage comme celui-ci, qui dépend d'un signal solide « haut » renvoyé de la sortie d'une porte à l'entrée de l'autre, un signal « faible » ne pourra pas maintenir la rétroaction positive nécessaire pour maintenir le circuit verrouillé dans l'un de ses états.

C'est l'une des raisons pour lesquelles je privilégie l'utilisation d'un voltmètre comme « sonde » logique pour déterminer les niveaux de signal numérique, plutôt qu'une véritable sonde logique avec des lumières « haute » et « bas ». Une sonde logique peut ne pas indiquer la présence d'un signal "faible", alors qu'un voltmètre le fera certainement grâce à son indication quantitative.

Ce type de problème, courant dans les circuits où se mélangent différentes « familles » de circuits intégrés (TTL et CMOS par exemple), ne se rencontre qu'avec des équipements de test fournissant des mesures quantitatives de niveau de signal.