门电路及其应用——或非门及异或门

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　　这次无线电小组活动的内容，是用CMOS四2输入端或非门CD4001(图1)及四异或门CD4070(图2)组装“多功能视力保护器”电路。制作完成后，老师讲解了或门、或非门、异或门及同或门的电路功能，并指导同学们一起分析实际电路，逐步掌握读图技巧。
　　同学：今天我们的电子小制作，使用了三种门电路，与非门我们已经比较熟悉了，对或非门和异或门还不了解，希望老师给我们讲讲。
　　老师：好。先来说说或非门吧。或非门是由一个或门和一个非门组成的复合门电路。为了说明或门的逻辑功能，还是先来看一个照明灯控制电路(图3)。这里，用两个并联的开关A、B控制一盏灯L。很显然，当两个开关A或B中有一个合上或两个都合上时，灯L就会亮；只有当开关A或B都断开，灯L才会熄灭。开关A、B的状态与灯亮之间的这种关系称为“或”逻辑。广义地说，在决定一件事情的各种条件中，只要有一个条件得到满足，这件事就会发生，我们把这种因果关系称为“或”逻辑。或门是具有两个或两个以上输入端、一个输出端的逻辑电路(图4)，输出与输入之间的逻辑关系是：输入端A或输入端B中有一个是高电平“1”，输出就是高电平“1”；只有当A与B都是低电平“0”时，输出才是低电平“0”。这种特定的逻辑关系也可以列成真值表(表1)，并用逻辑代数式表示
L=A＋B
式子里的“＋”号不是真的进行数字相加，而是表示A、B对L存在着“或”逻辑关系，常称它为逻辑加运算。
　　同学：既然或非门是或门和非门的组合，是不是把或门的输出再经过非门进行一次反相(图5)就是或非门了呢?
　　老师：对。习惯上说，先由或门进行逻辑加运算，再由非门进行逻辑非运算，就实现了或非逻辑功能，写成逻辑代数式就是
L=L′=A＋B
大家可以自己列出或非门的真值表(表2)。或非门的逻辑功能可以编成一个口诀：“输入有1，输出为0；输入全0，输出为1”。
　　同学：CMOS或非门电路是怎么组成的呢?
　　老师：CMOS或非门电路(图6)很简单，它只使用四只场效应管，VT1、VT2是N沟道增强型MOS场效应管，它们并联起来作为输入管；VT3、VT4是P沟道增强型MOS场效应管，它们串联起来作为负载管。当输入端A、B都是低电平“0”时，VT1、VT2同时截止，VT3、VT4同时导通，输出端L为高电平“1”；当A或B中有一个为高电平“1”，VT1、VT2中必有一个导通，VT3、VT4中必有一个截止，输出将是低电平“0”，这就实现了或非逻辑运算。大家明白了吗?
　　同学：明白了。
　　老师：下面咱们继续介绍异或门。在数字电路中，有时需要对两路输入信号进行比较，判别它们是否不同。当A、B两路输入信号不同，也就是一个为“1”，另一个为“0”时，输出L为“1”；反之，当两路输入信号相同，也就是A、B同为“0”或同为“1”时，输出L就是“0”。实现这种功能的门电路，叫做异或门(图7)，它的逻辑代数式为
L=A·B＋A·B
大家可以自己列出它的真值表(表3)。异或门有时也称为异名门或模二和电路。
　　同学：请问您，有没有能够判断两路输入信号是否相同的门电路呢?
　　老师：有啊!这种门叫同或门，也叫异或非门(图8)，谁能写出它的逻辑代数式并列出真值表?
　　同学：根据同或门的逻辑功能，A、B两路信号相同的情况有A·B或A·B，列成逻辑代数式就是
L=A·B＋A·B
当A、B同为“1”或同为“0”时，L就是“1”；反之，L就是“0”。这样，真值表就列出来了(表4)。
　　老师：很好。希望大家通过学习，逐渐熟悉各种门电路的逻辑代数式和真值表，它们是分析与设计逻辑电路的重要工具，今后会用到的。
　　同学：今天我们组装的“多功能视力保护器”电路(图9)比较复杂，一时难以理出头绪，您给指点一下好吗?
　　老师：为了使大家能够不断提高阅读数字电路图的能力，我还是跟同学们一起进行分析。通过今天的实验与调试，大家已经知道这个电路的功能了吧?
　　同学：这个电路的功能是在光线太强、光线太弱以及阅读时间太长时发出声、光报警。它用了两只光敏电阻测光，用了红、黄、绿三只发光二极管分别作强光、弱光和正常光的指示灯，采用压电陶瓷片作声音报警。
　　老师：是这样。根据整个电路所要完成的功能，可以把它分成几大部分。光敏电阻组成光电转换器，把光强、光弱转换成高电平或低电平的数字信号；异或门组成比较器，对数字信号进行鉴别，以控制相应的发光二极管显示，并确定报警电路是否工作；设定阅读时间长短的定时电路需要采用单稳态触发器。这样，我们就可以在电路图上把这几大部分划分开来(图9中的虚线框)，这一步骤叫“化整为零”，是阅读电路图的重要一环。现在，请一位同学先来分析一下在强光、弱光和正常光这三种情况下，发光二极管是怎么显示的?
　　同学：光电转换器是由光敏电阻和可变电阻组成的两个分压器，它们的输出分别作为两个异或门的输入信号。所不同的是，异或门A1Ⅰ有一个输入端固定接高电平“1”，而异或门A1Ⅱ有一个输入端固定接低电平“0”。当环境光线过强时，光敏电阻R7、R8的阻值同时变小，两个分压器都输出高电平“1”，这时，异或门A1Ⅰ的两个输入端都是“1”，输出就是“0”，相应地红色发光二极管VD1正向偏置而发光显示；异或门A1Ⅱ的两个输入端分别是“0”和“1”，输出为“1”，黄色发光二极管VD2为零偏置而不发光；同理，异或门A1Ⅲ的两个输入端分别是“0”和“1”，绿色发光二极管VD3也不会亮。
　　老师：分析得很正确。这种信号追踪过程叫“从头到尾”，是读图的关键步骤。按照这种方法，哪位同学继续分析报警电路。
　　同学：报警电路是由与非门A2Ⅱ、A2Ⅲ及R3、C2组成的音频振荡器及压电陶瓷片B所构成。但是，这种音频振荡器只有在它的控制端G2是高电平“1”时才能产生振荡，因为当G2为“0”时，门A2Ⅱ输出为“1”，门A2Ⅲ输出为“0”，电容器C2不能充电，无法起振。
　　老师：对。大家还记得，在光线过强、光线过弱以及阅读时间过长这三种情况中，出现其中任一种情况都应该报警，这就需要有一个控制电路，保证在发生以上三种情况之一时，都会使控制端G2为“1”。好，你接着分析。
　　同学：控制器由三个门组成，它们是与非门A2Ⅰ、或非门A3Ⅳ及异或门A1Ⅳ。比较器中的两个异或门A1Ⅰ和A1Ⅱ的输出端又作为与非门A2Ⅰ的输入端，光线正常时，A2Ⅰ的两个输入端都是高电平“1”，输出就是低电平“0”，不会改变或非门A3Ⅳ的状态。当光线过强或过弱时，门A2Ⅰ总会有一个输入端变为低电平“0”，输出就变成高电平“1”，此时或非门A3Ⅳ的输出肯定是“0”，异或门A1Ⅳ的输出肯定是“1”，也就是G2为“1”，振荡器振荡，压电陶瓷片发出报警声。另外，控制器中或非门A3Ⅳ的一个输入端是接单稳态触发器，这部分定时控制电路我还说不清楚。
　　老师：你刚才分析得很正确。其实，单稳态触发器大家并不陌生，上次我给大家讲过由与非门组成的单稳态触发器。这里是用两个或非门组成的单稳态触发器，我们把它单独画出来(图10)。两种单稳电路的工作原理是一样的。接通电源后，在按钮开关SB未闭合前，单稳电路处于单一的稳定状态，这时U01和U02是什么呢?
　　同学：门A3Ⅱ接成了非门，它的输入端为高电平“1”，所以它的输出端U02为低电平“0”，耦合到门A3Ⅰ的输入端后与另一个输入端同为低电平“0”，输出端U01就是高电平“1”，这就是电路的稳定状态。
　　老师：对。由于稳态时A3Ⅱ的输出为“0”，经过A3Ⅲ反相后变为“1”，输入到控制器的或非门A3Ⅳ，根据或非门的逻辑功能是“有1出0”，异或门A1Ⅳ开门，G2为“1”，报警电路将发出警报。所以，每次闭合电源开关S后，必须立即按一下SB，使单稳态触发器翻转，进入暂稳状态，开始定时，定时结束时自动翻回稳定状态，报警电路随之发出报警声，提醒阅读者休息一下，以保护视力。
　　同学：这个电路暂稳态延迟时间由什么因素决定呢?
　　老师：这种电路暂稳态延迟时间仍然是由电容器C1的电容量和电阻器R2的阻值决定，延迟时间tk≈0.7R2C1。可以算出这个电路的tk近似等于30分钟。▲