第九章 D 简单逻辑电路
信息技术的迅猛发展是现代社会的一个重要特征，我们经常会听到“数字化”“信息化”这样的名词。1946年2月，世界上第一台电子计算机“ENIAC”在美国研制成功（图9-23），揭开了电子计算机发展的序幕，第一代电子计算机主要使用电子管作为逻辑元件；1954年，第一台使用晶体管线路的计算机“TRADIC”在美国贝尔实验室研制成功；1958年，世界上诞生了第一个集成电路……如今，人们已能制造出功能强大，但体积微小的超大规模集成电路，并广泛应用在各个领域。图9-24所示是植入蜜蜂体内的集成电路芯片。
现在信息技术已经成为我们生活和工作中不可或缺的一个重要部分，而现代信息技术一系列令人目不暇接的发展变化都离不开逻辑电路。
大家谈
什么是数字化？家庭中有哪些数字化家用电器？
电信号分为两类：一类是电压随时间连续变化的模拟信号，例如音频信号[图9-25（a）]；另一类是不连续变化的信号，它只有高电压和低电压两种状态，通常我们规定高电压为“1”，低电压为“0”，这样就形成了由“1”或“0”组成的数字信号[图9-25（b）]。
处理数字信号的电路称为数字电路。数字电路主要实现输入和输出信号之间的逻辑关系，所以又称为数字逻辑电路。
我们不妨规定某个电路的“通”为“1”状态，“断”为“0”状态，那么该电路的“通”和“断”这两种状态就数字化了，这“1”和“0”就构成了二进制数的基数，数字电路也因此得名。
数字电路的基本单元是逻辑电路，逻辑电路中最基本的电路叫做“门”电路，它们在工作时输入端和输出端的电压只有两种情况：一种为高电压（比如5 V），另一种为低电压（比如0 V）。电路工作好像处在一种“是”和“非”的判断之中，因此叫做逻辑电路。
任何复杂的逻辑电路都由门电路组合而成，最基本的门电路是与门、或门和非门。“门”可看作是一种开关，当条件满足时，允许信号通过；如果条件不满足，则不允许信号通过。
图9-26所示是逻辑电路实验器，由与门、或门、非门，以及开关、小灯等模块组成，通过各模块不同的组合，可以构造成各种形式的逻辑电路。
什么是与门？
某仓库在门上安装了一把自动锁和一把挂锁，只有把自动锁和挂锁都打开时，人才能进出。这里的“两把锁”和“人可以进出”之间体现了“与”逻辑关系。
在图9-27所示电路中，我们利用开关作为控制条件，灯作为控制结果，也可以模拟“与”逻辑关系。在图中，两个开关S1和S2可以控制灯L的亮和灭。只有当开关S1和开关S2都闭合时，灯L才会亮；而在S1和S2都断开、S1断开S2闭合、S1闭合S2断开三种情况下，灯L都处于灭的状态（表4）。
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开关S1 |
开关S2 |
灯泡L |
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断 |
断 |
灭 |
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断 |
合 |
灭 |
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合 |
断 |
灭 |
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合 |
合 |
亮 |
如果规定开关闭合为“1”，断开为“0”，灯L亮为“1”，灯L灭为“0”（以后都采用这种定义），那么表4中开关和灯所处的状态就数字化了（表5）。
表5中S1和S2是控制条件，而L是控制的结果。我们把这种罗列各种控制条件和控制结果的表格，叫做真值表。
与门就是用来实现表5所示逻辑关系的电路。它有两个输入端分别为A和B，有一个输出端Z，它的电路符号如图9-28所示。表6是反映与门的输入与输出之间的逻辑关系的真值表。
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开关S1 |
开关S2 |
灯泡L |
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0 |
0 |
0 |
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0 |
1 |
0 |
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1 |
0 |
0 |
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1 |
1 |
1 |
1．与门（AND gate）
输入A与输入B均是高电压时，输出Z才是高电压的逻辑电路叫做与门。
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输入 |
输出 |
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A |
B |
Z |
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0 |
0 |
0 |
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0 |
1 |
0 |
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1 |
0 |
0 |
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1 |
1 |
1 |
拓展联想
与门电路的内部结构和相关集成电路
图9-29（a）是一种实用的与门电路，其内部由很多二极管、三极管和电阻构成。在实际应用中，是将若干个如图9-29（a）所示的电路集成在一块硅片上，制成如图9-29（b）所示的集成电路。
图9-30（a）是利用“逻辑电路实验器”，通过组合后形成的与门电路，我们可以通过实验来验证与门输入和输出信号之间的逻辑关系。
将两个开关模块分别插入“与门”模块的输入端，将小灯模块插入“与门”模块的输出端，如图9-30（b）所示。
接通电源，当两个开关模块的逻辑状态都为“1”时，“与门”模块上对应的绿色指示灯点亮，输出逻辑状态为“1”；任一开关模块逻辑状态为“0”或两者均为“0”时，对应的指示灯熄灭，输出逻辑状态为“0”。
什么是或门？
宿舍里住着三位同学，每人配了一把钥匙，他们都可以用自己的钥匙进入宿舍。这里的“三把钥匙”和“进入宿舍”之间体现了“或”逻辑关系，生活中这种逻辑关系时常可见。
图9-31是用开关和灯组成的电路。很显然，开关S1和S2中，只要其中一只开关闭合，灯L就会点亮，这就是“或”逻辑关系。
具有“或”逻辑关系的电路称为或门。表7是或门的真值表，图9-32是或门电路的符号。
2．或门（OR gate）
输入A和输入B任一个或者两个都是高电压时，输出Z就是高电压的逻辑电路称为或门。
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输入 |
输出 |
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A |
B |
Z |
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0 |
0 |
0 |
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0 |
1 |
1 |
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1 |
0 |
1 |
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1 |
1 |
1 |
我们可以利用如图9-31所示的电路，观察在开关S1和S2控制下灯L的不同状态，并将实验结果填写在表8中，以此来验证或门的输入和输出之间的逻辑关系。
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开关S1 |
开关S2 |
灯泡L |
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断 |
断 |
|
|
断 |
合 |
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|
合 |
断 |
|
|
合 |
合 |
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或门同样可以用“逻辑电路实验器”加以验证。
什么是非门？
自主活动
我们分析图9-33所示的电路，并在表9中标出开关S断开和闭合时，灯L的“亮”“灭”情况。
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开关S |
灯泡L |
|
断 |
|
|
合 |
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3．非门（NOT gate）
输入A为高电压时输出Z为低电压而输入A为低高电压时输出Z为高电压的逻辑电路叫做非门。
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输入 |
输出 |
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A |
Z |
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0 |
0 |
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1 |
0 |
很明显，当开关S断开时，灯L“亮”，当开关S闭合时，灯L“灭”。这种输出状态和输入状态截然相反的关系，我们称为“非”逻辑关系，具有“非”逻辑关系的电路称为非门。
非门只有一个输入端A，有一个输出端Z，它的电路符号如图9-34所示，表10是非门的真值表。
经过非门后，信号变化如图9-35所示。所以非门又称为反相器。
点击
与门、或门、非门在逻辑电路中是最小的结构单位，因此把它们叫做基本门电路。用这三个基本门可以组合成复合门和更加复杂的逻辑电路。
【示例】图9-36是应用非门构成的简易火警报警器示意电路。只是可变电阻（用于电路调试，经调试后，保持阻值不变），Rʹ是热敏电阻（当热敏电阻温度较低时，它的电阻值非常大，即Rʹ远大于R；而当热敏电阻温度较高时，它的阻值就会变得很小，从而远小于电阻R的阻值），L是蜂鸣器，G是非门。请说明工作原理。
解答：由图9-36可知，C点接地，B、C间电压为5V。当未发生火警时温度较低，由于Rʹ的电阻非常大，A、C间电压非常接近5V，则非门的输出端为低电压，蜂鸣器两端电压接近零，蜂鸣器不报警。
当火警发生时，温度升高导致Rʹ的阻值变得很小，使得输入端A点的电压接近0V，非门输出端为高电压，这样蜂鸣器两端获得工作电压，从而发出声音报警。
讨论：由于电阻R和Rʹ之间存在电压分配的问题，因此，调节可变电阻R，可以改变报警器的灵敏度。想一想，为了提高报警器灵敏度，R应取得大一些，还是小一些？
拓展联想
用基本门电路通过各种组合方式，可以构成各种组合逻辑电路，从而达到不同的设计要求。例如，把与门的输出端接入非门的输入端（图9-37），利用逻辑电路实验器，通过实验来研究它的输入、输出情况。
表11列出了这个组合逻辑电路的真值表。Z0是与门的输出端，同时又是非门的输入端，因此这个由基本门组合而成的电路叫做与非门电路，它的电路符号如图9-38所示。
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输入 |
一级输出 |
最终输出 |
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A |
B |
Z0 |
Z |
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0 |
0 |
0 |
1 |
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0 |
1 |
0 |
1 |
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1 |
0 |
0 |
1 |
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1 |
1 |
1 |
0 |
发布时间：2016/10/12 下午8:59:53 阅读次数：823
