数字电路是近代电子技术的重要基础, 其发展日新月异。随着数字集成工艺的日臻完善, 数字技术正渗透到国民经济和人民生活的各个领域, 例如计算机、手机、计算器、数字电视等。了解和掌握数字电子技术的基本理论及分析方法, 对于学习和掌握当代电子技术是非常重要的。门电路是数字电路的基本单元。在教学中, 通过基本门电路的教学, 使学生正确了解门电路的概念;掌握基本逻辑门电路逻辑关系;掌握基本逻辑门电路的表达式、逻辑符号、逻辑功能为后面学好组合逻辑电路时序逻辑电路具有重要意义。因此, 基本门电路教学应引起我们足够的重视。现将有关门电路的几个基本问题简述如下。
1 门电路概念
在日常生活中我们所遇到的任一事物的发生、发展都遵循一定的规律性, 或者说存在着一定因果关系, 即条件和结果的关系。这种一定的规律性或一定的因果关系就是逻辑。如果任一事物 (果) 及其决定该事物的条件 (因) 都有两种可能性, 而且只有两种可能性, 这种逻辑叫做双值逻辑。在数字电子技术中尤其侧重这种双值逻辑问题。这种双值逻辑关系在日常生活中比比皆是。如真与假、有与无、是与非、好与坏、高与低、上与下、进与退、开与关、饱和与截止、通与断、存在与不存在、0与1等。与之相对应, 在逻辑运算中, 为了适应二进制运算总是取0与1这两个值来反映这两种可能性。
任何两个不同的电压或两个不同的电流都可代表“0”与“1”, 也可用脉冲的有无来代表“0”和“1”, 因而, 人们就可以借助电路来完成这种逻辑运算。能完成逻辑运算的电路叫做逻辑电路。由于这种电路像门一样依一定的条件开与关, 因而又称门电路。通常也叫开关电路。
2 最基本的逻辑关系
2.1 与逻辑关系
当决定一件事情 (果) 的各个条件 (因) 全部具备时, 这一事件才会发生, 这样的因果关系, 称之为“与逻辑关系”。
如图1所示电路中, 只有当开关A与B闭合时, 灯L才会亮, 这种开关闭合与灯亮的关系就是与逻辑关系。其逻辑函数式为Y=A·B, 读作“A与B”。
2.2 或逻辑关系
当决定一件事情 (果) 的各个条件 (因) 中, 只要具备一个或者一个以上的条件, 这一件事情就会发生。这种因果关系, 称之为或逻辑关系。
如图2所示电路中, 只要开关A、B其中有一个闭合, 灯L就亮, 这种开关闭合与灯亮的关系就是或逻辑关系。其逻辑函数式为Y=A+B, 该式读作“A或B”。
2.3 非逻辑关系
非就是反, 就是否定。在图3所示电路中, 开关A闭合与灯L亮的关系就是非逻辑关系。因为开关A闭合, 灯L就熄灭, 开关A断开, 灯L就亮。其逻辑函数式Y=A。读作“A非”。
3 几种分立元件电路及符号
3.1 二极管与门
实现与逻辑关系的电路叫与门。
最简单的与门可用二极管和电阻构成, 二极管与门电路的组成及符号如图4所示。
图4中的A、B代表输入信号, Y代表输出信号。
3.2 二极管或门
实现或逻辑关系的电路叫或门。
最简单的或门也可由二极管和电阻构成, 二极管或门电路的组成和符号如图5所示。图中A、B代表输入信号, Y代表输出信号。
3.3 三极管非门 (也称反相器)
实现非逻辑关系的电路叫非门。
最简单的非门可用一个三极管和两个电阻构成, 它是利用三极管反相输入特性及工作在饱和与截止两种状态下来实现“非”逻辑功能的电路。
非门的组成及符号如图6所示：
图中A代表输入信号, Y代表输出信号。
以上介绍的是最简单的几种分立元件逻辑门电路。在现代电子技术中, 分立元件正迅速被集成电路所取代。所谓集成电路就是将一个或若干个逻辑电路的所有元件和连线都制作在同一块半导体基片上。它具有体积小, 容量大 (包含的电子元件及连线众多) 、耗电少、重量轻、可靠性高、使用方便等优点, 广泛被应用于电子技术的各个领域。
4 门电路输入输出关系—逻辑真值表
为了研究门电路的输入输出关系, 不妨对图4所示的与门电路进行简单分析。规定UA、UB为两个输入端电压, UY为输出端电压, 输入端高电平U I H=5 V, 输入端低电平UIL=0V, 二极管D1、D2的正向导通压降UD=0.7V (限于篇幅, 其它门电路的输入输出关系请读者自己分析) 。
(1) 当U A=U B=O V时, 二极管D 1、D2正向导通, D1、D2的正向导通下降U D=0.7 V, 所以U Y=0.7 V。
(2) 当UA=5V, UB=0V时, 二极管D2正向导通。UY=0.7V。
(3) 当UA=0V、UB=5V时, 二极管D1正向导通, UY=0.7V。
(4) 当UA=UB=5V时, 二极管D1、D2均截止, 所以UY=5V。
综合上述四种情况, 可列出与门电路输入输出电压如表1所示。从表1中可看出, 要使输出UY为高电平, 输入UA、UB必须全部为高电平。
高低电平的概念, 在数字电子技术中经常使用, 其实电平就是电位。高电平是一种状态, 低电平是另一种不同状态。所谓高电平和低电平不是某一数值的电压, 而是表示一个电压范围。在数字电路里, 一般认为：2.4～5V范围内的电压为高电平;0～0.8V范围内的电压为为低电平。各种实际电路都规定了高电平下限和低电平上限的大小, 在实际使用中应注意保证高电平大于或等于高电平下限, 低电平小于或等于低电平上限。否则会破坏电路的逻辑功能, 而且还可能造成器件性能下降, 甚至损坏。
在数字电路中, 用符号 (而不是数字) 1和0表示高低电平。用1表示高电平, 用0表示低电平的过程叫状态赋值。若用A、B、Y分别表示输入UA、UB、输出UY, 则经过状态赋值之后, 用表格表示的输入输出关系称为逻辑真值表, 简称真值表。
根据上述规定及分析, 表1中如果用A、B、Y分别表示UA、UB、UY, 把0.7V看成是低电平, 用0来表示;把5V看成是高电平, 用1来表示, 则可将表1改写成表2所示与门电路的真值表。从表2与门电路的真值表可看出, 与门的逻辑功能是“有0出0, 全1出1”。
合图5可分析出或门电路的输入输出电压表及或门电路真值表分别如表3、表4所示。表4反映了或门的逻辑功能是“有1出1, 全0出0”。
结合图6可分析得非门电路的输入输出电压表及非门真值表分别如表5、表6所示。从表6可以看出非门的逻辑功能是“有0出1, 有1出0”。
在上述逻辑真值表中, 都是用1表示高电平, 用0表示低电平, 这种赋值方式称为正逻辑赋值, 简称正逻辑。若用0表示高电平, 用1表示低电平, 该种赋值方式称为负逻辑赋值, 简称负逻辑。一般情况, 同一个门电路, 在正逻辑情况下如果是与门, 则在负逻辑情况下是或门;反之, 在正逻辑情况下是或门, 则在负逻辑情况下是与门。从表2和表4中可以看出, 表2既是正与门电路真值表, 又是负或门电路真值表;表4既是正或门电路真值表, 又是负与门电路真值表。图4所示电路既是正与门, 又是负或门;图5所示电路既是正或门, 又是负与门。因而, 在分析一个门电路的逻辑功能时, 必须首先弄清楚采用的是正逻辑还是负逻辑。习惯上, 常用正逻辑。一般无特殊说明, 为正逻辑。
门电路是电子技术中最基本的电路形式。上述门电路仅是门电路中最简单的几种形式。在数字电子技术中, 广泛使用的门电门 (如TTL门电路, MOS门电路) 等较之复杂。
摘要：数字电路是近代电子技术的重要基础, 门电路是数字电路的基本单元。对于数字电路的初学者高职高专的学生来说, 正确了解门电路概念, 掌握基本逻辑门电路的逻辑关系, 掌握基本逻辑门电路的逻辑表达式、逻辑符号和基本逻辑门电路的逻辑功能, 为后面学好组合逻辑电路和时序逻辑电路具有重要意义。
关键词：门电路,逻辑关系,与门,或门,非门,真值表,电平,正逻辑,负逻辑
参考文献
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