Bascule RS à portes NOR : construction et compréhension de la mémoire numérique

Composants et matériel

• 4001 quadruple porte NOR (Radio Shack catalogue # 276-2401)
• Interrupteur DIP 8 positions (Radio Shack catalogue # 275-1301)
• Barregraphe LED 10 segments (Radio Shack catalogue # 276-081)
• Une pile 6 volts
• Deux résistances de 10 kΩ
• Deux résistances de 470 Ω
• Deux résistances de 100 Ω

Attention ! Le CI 4001 CMOS est hautement sensible à la décharge statique. Manipulez avec soin.

RÉFÉRENCES CROISÉES

Lessons In Electric Circuits, Volume 4, chapitre 3 : « Portes logiques »

Lessons In Electric Circuits, Volume 4, chapitre 10 : « Multivibrateurs »

OBJECTIFS D'APPRENTISSAGE

• Comprendre l'impact de la rétroaction positive dans un circuit numérique.
• Définir l'état « invalide » d'une bascule RS.
• Expliquer une condition de course (race condition) et ses implications.
• Reconnaître l'importance de niveaux de signal CMOS hauts valides.

SCHÉMA ÉLECTRIQUE

ILLUSTRATION

INSTRUCTIONS

Le 4001 est un quadruple porte NOR CMOS avec des affectations de broches identiques au 4011 quadruple porte NAND. Son brochage est montré ci-dessous :

Lorsque deux portes NOR sont croisées comme illustré, la sortie revient vers l'entrée, créant une rétroaction positive et de l'hystérésis. Cette rétroaction dote le circuit d'une forme simple de mémoire : une fois positionné, il conserve son état jusqu'à ce qu'une nouvelle entrée force un changement.

Étiquetez l'interrupteur de gauche comme Set et celui de droite comme Reset. La LED de gauche représente la sortie Q ; la LED de droite représente Q-non. Un Set haut et un Reset bas force Q haut et Q-non bas (l'état set). Inversement, un Reset haut et un Set bas force Q bas et Q-non haut (l'état reset). Lorsque les deux entrées sont basses, la bascule conserve son état précédent — l'état verrouillé (latched). Si les deux entrées sont hautes, les sorties sont forcées au même niveau logique, ce qui viole l'exigence de complémentarité et est appelé l'état invalide.

Pour observer le comportement de la bascule à la mise sous tension, mettez les deux interrupteurs en position off (entrées basses), déconnectez une borne de pile, puis reconnectez-la rapidement tout en observant les LED. Le circuit entrera en condition de course : chaque porte tente de piloter l'autre à l'état haut ; la porte la plus rapide gagne, et son état est verrouillé. En raison d'asymétries inhérentes, l'état de mise sous tension est souvent constant, mais des cycles répétés peuvent révéler des états opposés occasionnels, illustrant l'imprévisibilité des conditions de course.

Les conditions de course peuvent être problématiques dans les systèmes réels, surtout lorsqu'une porte défectueuse ou plus lente gagne systématiquement la course, causant un état stable mais incorrect. Le changement de composants peut altérer l'issue de la course, menant à des bogues subtils difficiles à tracer.

Pour éliminer la dépendance à un état de mise sous tension imprévisible, les concepteurs utilisent généralement un mécanisme externe de reset ou de set pour forcer la bascule dans un état connu au démarrage.

Une modification instructive consiste à remplacer une résistance de 470 Ω de la LED par une valeur plus faible, comme 100 Ω. Cela augmente la luminosité de la LED et introduit une asymétrie de charge qui affecte la capacité de la bascule à maintenir son état. En actionnant les interrupteurs à travers les quatre combinaisons d'entrée, vous remarquerez que la bascule ne tient pas dans l'un des états lorsque les deux entrées sont basses. Mesurer la tension de sortie de la porte haute avec un voltmètre montre que la porte avec la charge de 100 Ω produit un niveau haut plus faible qui tombe en dessous du seuil requis pour piloter l'entrée de l'autre porte NOR. En revanche, la porte avec 470 Ω maintient un niveau haut plus fort qui verrouille correctement le circuit.

Ces observations soulignent pourquoi il est préférable d'utiliser un voltmètre comme sonde logique : un voltmètre donne une lecture de tension quantitative, révélant des signaux faibles qu'une simple sonde logique pourrait manquer. Ceci est particulièrement important lors du mélange de différentes familles logiques (ex: TTL vs CMOS), où les seuils de tension peuvent différer significativement.