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数字电子课程-第5部分:逻辑门

2023-04-19 15:42:22 Giovanni Di Maria 阅读:
上一篇文章讨论了逻辑命题的概念,以及如何使用它们来创建基本电子电路。在本文中,将探讨数字电子电路的另一个重要方面,即涉及逻辑门的问题。将讨论现有的不同类型的逻辑门以及它们如何工作。这将是理解逻辑电子电路和创建更复杂电子系统的重要一步。

上一篇文章讨论了逻辑命题的概念,以及如何使用它们来创建基本电子电路。在本文中,将探讨数字电子电路的另一个重要方面,即涉及逻辑门的问题。将讨论现有的不同类型的逻辑门以及它们如何工作。这将是理解逻辑电子电路和创建更复杂电子系统的重要一步。BRkednc

逻辑门

逻辑门是执行逻辑运算的一个(或一组)电子元件,其中二进制值0和1用两个不同的电压值表示,如上一篇文章中所见。在了解了AND(与)、OR(或)和NOT(非)电路中逻辑命题的运算之后,本文将探讨逻辑门的使用,这是前面概念的自然演变。为了更好地理解,将基本逻辑电路与相关逻辑门的表示方法放在一起是很有用的,如图1所示。现在将深入探讨与逻辑门相关的各种概念。BRkednc

BRkednc

图1:具有相关逻辑门的基本逻辑电路的表示BRkednc

逻辑门

如上一篇文章所述,与逻辑门是一种逻辑电路,只有当所有输入都为“1”时,才会产生输出“1”。换句话说,与逻辑门在多个输入信号之间建立逻辑连接,并生成与输入信号的逻辑与(与)对应的输出信号。如果至少有一个输入为“0”,则输出将为“0”。为了正确理解逻辑门的行为,建议经常查阅真值表,这有助于在了解逻辑输入值的情况下计算门的逻辑输出值。与门的符号如图所示。BRkednc

与门也可用于两个以上的输入。市场上有实现具有两个、三个、四个或更多输入的与逻辑门的集成电路。如果需要的话,设计者可以适当地连接几个与逻辑门来实现更复杂的与门。与逻辑门使用的一个示例可能是对系统的访问控制。例如,可能有一把锁只有在同时满足两个条件时才会打开:输入了正确的安全代码并插入了经过授权的磁卡。在这种情况下,安全码和磁卡可以作为与逻辑门的两个输入,开锁作为输出。如果两个条件都满足,与逻辑门的输出将为“1”,锁将打开。如果任一条件不满足,输出将为“0”并且锁不会打开。如图2所示,可以使用两个晶体管构建与门。在这种情况下,每个晶体管都用作开关,根据施加到其基极的电平打开或关闭。晶体管串联连接。如果两个晶体管基极的电流都足够高,则两个晶体管都会导致饱和状态,从而使LED二极管正确点亮。如果一个或两个晶体管关闭,则电路断开,逻辑输出为“0”。BRkednc

BRkednc

图2:由两个晶体管组成的与逻辑门BRkednc

或逻辑门

或逻辑门是一种数字组件,当其至少一个输入为“1”时,它会产生逻辑输出“1”。它可以用在许多不同的方面,下面的例子阐明了家庭自动化电路如何使用这种门。假设你想在至少打开两盏灯中的一盏灯时打开房间里的一盏灯。可以使用“或”逻辑门来达到目的。它的电路可能有输入“A”连接到第一个开关,输入“B”连接到第二个开关,输出连接到为灯供电的继电器。当至少有一个开关打开时,“或”门的输出变为“1”并驱动继电器,从而打开灯。如果两个开关都关闭,则或门的输出为“0”且继电器未激活,因此灯保持关闭状态。BRkednc

该门可以用于许多其他应用,相应的电路也可以用晶体管制成,如图3所示。两个晶体管的集电极连接到负载,在这种情况下连接到一个LED信号二极管。基极连接到由尽可能多的开关控制的偏置电压。如果任一输入为高电平,则相应的晶体管将打开并导通,从而使LED二极管导通并发光。因此,输出电压将处于逻辑高电平。如果两个输入都处于逻辑低电平,则两个晶体管都不会激活并且LED二极管关闭。因此,电路的输出电压将处于逻辑低电平。BRkednc

BRkednc

图3:由两个晶体管构成的“或”逻辑门。BRkednc

非逻辑门

该门的符号是一个三角形,顶点有一个圆圈,表示符号反转(取反)的操作,如图4所示。如果在非门上施加一个低电平"L",输出端将出现一个高电平"H",反之亦然。如上一篇文章所示,真值表只有两行,因为非门中只有一个输入。事实上,它对应于一个一元运算符,也就是说,它只作用于一个变量。非门反转输入的条件,将假状态更改为真状态,反之亦然。非逻辑门应用的一个实际示例可能涉及建筑物的应急灯操作。如果主走廊灯亮着,则应急灯LED熄灭。相反,当天黑,主灯熄灭时,非门将产生高逻辑电平输出,打开应急灯LED,帮助人们在黑暗中找到路。这样,非门用于反转LED点亮和熄灭的逻辑。这只是一个简单的应用,但非门可用于许多其他需要反转信号逻辑的情况。BRkednc

使用单个晶体管可以轻松地将“非”逻辑门作为一个反相器来实现。主要的配置是用晶体管作为反相放大器,逻辑输入施加在晶体管的基极上,逻辑输出在集电极上获得。当逻辑输入为高时,晶体管的基极使晶体管导通。集电极上的电压将变低并处于低逻辑电平。如果逻辑输入低,晶体管断开,集电极电压高,逻辑电平高。此配置反转逻辑输入并提供与输入相反的逻辑输出。BRkednc

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图4:用晶体管制成的非逻辑门BRkednc

逻辑门应用的一些例子

逻辑门构成了许多实际应用设计的基础,并且是大多数数字系统设计中的重要组成部分,包括:BRkednc

  • 数据处理电路:逻辑门用于构建数字电路以处理、操作和传输信息;
  • 存储设备:逻辑门用于构建数字存储器,例如RAM和ROM存储器;
  • 通信设备:逻辑门用于构建传输和接收数据的电路,例如无线通信模块;
  • 电机控制:逻辑门用于构建电机控制电路,例如步进电机驱动器;
  • 工业控制设备:逻辑门用于构建工业控制电路,例如自动化和过程控制系统。

图5显示了使用本文讨论的三个逻辑门的三个典型应用示例,并详细说明:BRkednc

  • 左图展示了一台工业机器,出于安全原因,必须用两只不同的手同时按下两个按钮来启动它(与门);
  • 中间的图片展示了一个视频监控系统,一旦两个摄像机中的一个拍摄到移动的物体(或门),该系统就会启动记录; 
  • 右图说明了建筑物照明系统的操作,其中包括打开主灯和关闭应急灯LED,反之亦然。该系统帮助人们在黑暗中找到自己的路。

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图5:关于与、或、非逻辑门的一些实际应用。BRkednc

结论

逻辑门是电子电路设计中的基本元素。使用晶体管,可以创建可用于许多不同实际应用的与、或、非逻辑门。它们的多功能性和可靠性使它们成为创建复杂电子系统(从工业安全到控制系统)的关键要素。用晶体管(或其他更坚固的元器件)创建逻辑门的能力使得创建越来越复杂和先进的电子系统成为可能,可以满足广泛的行业和应用的需要。还应该记住的是,单独的逻辑门不能驱动强大的负载。为了驱动例如电机、大型灯具、高能设备等,必须实施功率电路。BRkednc

(原文刊登于EDN姊妹网站EEWeb,参考链接:Digital Electronics Course – Part 5: Logic gates,由Ricardo Xie编译。)BRkednc

相关阅读:

数字电子课程-第1部分:二进制逻辑和信号BRkednc

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责编:Ricardo
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