NOR门SR锁存器：构建与理解数字存储器
元件与材料
- 4001四输入NOR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10kΩ电阻
- 两个470Ω电阻
- 两个100Ω电阻
警告！ 4001 CMOS IC高度敏感于静电放电。小心操作。
交叉参考
电路课程，第4卷，第3章："逻辑门"
电路课程，第4卷，第10章："多谐振荡器"
学习目标
- 理解正反馈在数字电路中的影响
- 定义SR锁存器的"无效"状态
- 解释竞态条件及其含义
- 认识有效高CMOS信号电平的重要性
原理图
实物接线图
实验步骤
4001是CMOS四输入NOR门，引脚分配与4011四输入NAND门相同。其引脚图如下：
当两个NOR门如图交叉连接时，输出反馈至输入，产生正反馈和滞回。这种反馈赋予电路简单形式的存储器：一旦置位，将保持其状态直到新输入强制改变。
将左开关标为置位，右开关标为复位。左LED代表Q输出；右LED代表Q非。高置位和低复位强制Q高、Q非低（置位态）。反之，高复位和低置位强制Q低、Q非高（复位态）。当两输入均低时，锁存器保持前一状态——锁存态。若两输入均高，输出被强制为同一逻辑电平，违反互补要求，称为无效态。
观察上电时锁存器行为：将两开关设为关位（低输入），断开一节电池引线，然后快速重新连接同时观察LED。电路将竞态：每个门试图驱动另一个高；较快门获胜，其状态被锁存。因固有不对称，上电状态常一致，但反复循环可能显示偶尔相反状态，说明竞态条件的不可预测性。
竞态条件在真实系统中可能成问题，特别是当缺陷或较慢门持续赢得竞赛，导致稳定但错误状态。更换元件可改变竞赛结果，导致难以追踪的微妙Bug。
为消除对不可预测上电状态的依赖，设计师通常使用外部复位或置位机制在启动时强制锁存器进入已知状态。
一个有启发性的修改是将一个470Ω LED限流电阻替换为较低值如100Ω。这增加LED亮度并引入负载不对称，影响锁存器保持状态能力。操作开关遍历所有四种输入组合时，您会注意到当两输入均低时，锁存器在其中一个状态下无法保持。用电压表测量高电平门的输出电压显示，带100Ω负载的门产生较弱高电平，低于驱动另一NOR门输入所需阈值。相反，470Ω门维持更强高电平成功锁存电路。
这些观察强调为何最好用电压表作逻辑探针：电压表给出定量电压读数，揭示简单逻辑探针可能遗漏的弱信号。混合不同逻辑系列（如TTL与CMOS）时尤其重要，因为电压阈值可能显著不同。
工业技术