門電路及其應用

東海老蔣 2019-07-14

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無線電小組的同學們繼續(xù)進行數(shù)字電路的實驗與制作，這次活動是用CMOS四2輸入端與非門CD4011（圖1）組裝“電子驗電器”和“聲光雙控樓道照明燈”電路，調(diào)試成功后，大家興致很高，提出了許多應用方面的問題，在老師的輔導下，展開了熱烈的討論。

　　同學：老師，您曾經(jīng)說與非門是由一個與門與一個非門組合起來的復合門電路。非門我們已經(jīng)比較熟悉了，對與門的邏輯功能還不太了解?！　±蠋煟荷弦淮挝医o大家講過，門電路是一種條件開關(guān)，只有在輸入信號滿足特定的條件時，門才能打開，信號才能通過；不滿足特定的條件，門就關(guān)閉，信號就不能通過。為了說明與門輸出與輸入之間的邏輯關(guān)系，我們先來看一個簡單電路（圖2）。這里用兩個開關(guān)S1、S2控制一只發(fā)光二極管VD。很顯然，只有當兩個開關(guān)S1與S2都合上時，VD才會亮；只要有一個開關(guān)斷開，VD就不亮。這種開關(guān)狀態(tài)與燈亮之間的因果關(guān)系，稱為“與”邏輯。我們所說的與門，是具有兩個或兩個以上輸入端、一個輸出端的開關(guān)電路（圖3），輸出與輸入之間特定的邏輯關(guān)系是：輸入端A與輸入端B都是高電平“1”時，輸出L才是高電平“1”；只要有一個輸入端為低電平“0”，輸出就是低電平“0”。這種特定的邏輯關(guān)系可以列成真值表（表1），也可以列出邏輯代數(shù)式：　　L=A×B式子里的“×”號不是真的進行數(shù)字相乘，而是表示A、B之間存在著“與”邏輯關(guān)系，常稱它為邏輯乘運算。

　　同學：既然與非門是與門和非門的組合，是不是把與門的輸出再經(jīng)過非門進行一次反相（圖4）就是與非門（圖5）的輸出了呢？

　　老師：對。習慣上說，先由與門進行邏輯乘運算，再由非門進行邏輯非運算，就實現(xiàn)了與非邏輯功能。寫成邏輯代數(shù)式就是： L=L‘=A×B大家可以自己列出與非門的真值表（表2）。與非門的邏輯功能可以編成一個口訣：“輸入全1 ，輸出為0；輸入有0，輸出為1”。

　　同學：CMOS與非門電路是怎么組成的呢？　　老師：CMOS與非門電路（圖6）很簡單，它只用了四只場效應管。VT1和VT2是N溝道增強型MOS場效應管，它們串聯(lián)起來作為兩個輸入管；VT3和VT4是P溝道增強型MOS場效應管，它們并聯(lián)起來分別作為VT1、VT2的負載管。當輸入端A與B都是高電平“1”時，VT1、VT2同時導通，VT3、VT4同時截止，輸出端L為低電平“0”；當A、B中有一個或一個以上為低電平“0”時，相應的輸入管截止，對應的負載管導通，輸出端L為高電平“1”，實現(xiàn)了“與非”邏輯功能。大家明白了吧？

　　同學：明白了?！　±蠋煟航裉齑蠹医M裝的“電子驗電器”電路（圖7），使用了一塊四2輸入端與非門集成電路。其中，門1、門2和門4的兩個輸入端接在了一起，成為一個輸入端，它們的邏輯功能發(fā)生了什么變化呢？

　　同學：把與非門的兩個輸入端連在一起，就意味著A與B只能同時為“0”或同時為“1”，按與非門的邏輯功能：“輸入全1，輸出為0；輸入有0；輸出為1”，輸出與輸入始終是反相關(guān)系，所以它就成了一個非門?！　±蠋煟夯卮鸬煤芎?。“電子驗電器”電路是很簡單的，哪位同學給大家分析一下它的工作原理？　　同學：我來試試看。電子驗電器由兩部分組成。門3和門4組成了我們熟悉的音頻振蕩器，它能不能振蕩要受門2的輸出電平控制。當門2輸出低電平“0”時，門3有一個輸入端為“0”，它的輸出端就被鎖定在高電平“1”上，門4的輸出就是低電平“0”，不會隨門3另一個輸入端E的變化而改變了。這就是說，門3和門4組成的音頻振蕩器不能產(chǎn)生振蕩，揚聲器也不發(fā)聲。只有當門2輸出高電平“1”時，振蕩器產(chǎn)生自激振蕩，揚聲器發(fā)出訊響。只是我還不太明白結(jié)型場效應管VT1是怎么控制門1和門2翻轉(zhuǎn)的，希望您再給我們講講?！　?nbsp;老師：結(jié)型場效應管是一種電壓控制器件，它是利用柵極輸入電壓UGS改變漏極D與源極S之間的電阻RDS來控制漏極電流大小的。在這里我們不妨把它看成是一個由柵極電壓控制的可變電阻。當感應片P靠近帶電體時，場效應管VT1的電阻RDS變大，A點電位升高，門1的輸入變?yōu)楦唠娖健?”，輸出變?yōu)榈碗娖健?”，也就是門2的輸入端B是低電平“0”，輸出為高電平“1”。這時，音頻振蕩器的控制端D是高電平“1”，電路開始振蕩，揚聲器發(fā)出聲響?！　⊥瑢W：我明白了。只要能控制A點電位由低變高或由高變低，就能使門1和門2翻轉(zhuǎn)，控制振蕩器振蕩或停振?！　±蠋煟簩Α＿@是一個典型的訊響指示電路，如果把場效應管VT1換成不同的傳感器件，如溫度、濕度、光敏、熱敏元件等，并適當調(diào)整RP的阻值，就會成為各種敏感指示電路。應用范圍十分廣泛?，F(xiàn)在我畫一個光弱報信器的電路圖（圖8），大家可以自己分析。

同學：今天我們組裝的“聲光雙控延時樓道照明燈”電路（圖9），看起來比較復雜，很難理出頭緒來，您能給我們指點一下嗎？

　　老師：好。大家通過實驗已經(jīng)知道，聲光雙控延時照明燈白天不會亮，到了晚上只要有人走過樓道發(fā)出腳步聲，燈就自動點亮，經(jīng)過一定的時間延遲，又會自動熄滅。這里，燈泡H接在220V交流電源上，用晶閘管VS作無觸點開關(guān)，它們構(gòu)成主電路。控制電路由一塊四2輸入端與非門CD4011（圖1）為核心組成。與非門1是線性放大器，用來放大駐極體話筒B輸入的音頻信號，與非門2組成光控開關(guān)，由光敏電阻R8控制。與非門3及與非門4組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，控制電燈的點燃與熄滅，并決定著燈亮后的延遲時間?！　⊥瑢W：請問您單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電路功能是什么呢？　　老師：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器與多諧振蕩器一樣是一種基本脈沖電路，它只有一種單一的穩(wěn)定狀態(tài)，在外來觸發(fā)脈沖的作用下，雖然也能使它的狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，卻是暫時的，經(jīng)過一定的時間延遲，又會自動返回原來的穩(wěn)定狀態(tài)。利用它的這種特性，可以組成定時或延時電路。采用兩個與非門可以方便地組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（圖10），在沒有外來觸發(fā)信號時，輸入端UI（即F點）為高電平“1”，與非門4的輸入端G為低電平“0”，其輸出端U02為高電平“1”，經(jīng)直接耦合使門3的輸入端E也是高電平“1”，其輸出端U01為低電平“0”，這就是電路的穩(wěn)定狀態(tài)。

　　同學：我考慮是不是因為電容器C5兩端都是低電平“0”，不會發(fā)生充電和放電過程，電路狀態(tài)才會穩(wěn)定不變呢？　　老師：對，關(guān)鍵就在這里。我再問你們，在觸發(fā)輸入端UI輸入一個負脈沖（低電平“0”）會發(fā)生什么情況呢？　　同學：UI低電平“0”時，根據(jù)與非門的“輸入有0，輸出為1”的邏輯功能，U01變?yōu)楦唠娖健?”，這時電容器C5經(jīng)電阻R10進行充電，起始充電電流流過R10，使門4的輸入端G由低電平“0”跳變到高電平“1”，輸出端U02就由高電平“1”變到低電平“0”，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器發(fā)生了翻轉(zhuǎn)?！　±蠋煟菏沁@樣。需要注意的是，G點的高電平是靠充電電流在R10上的電壓降維持的。隨著充電過程的進行，充電電流按指數(shù)規(guī)律減小，G點電位也隨之逐漸降低，當降低到與非門的開門電平以下時，門4的輸出端U02翻轉(zhuǎn)為高電平“1”，這時門3的兩個輸入端E、F都是高電平“1”，輸出端U02又回到低電平“0”，暫穩(wěn)狀態(tài)結(jié)束。　　同學：暫穩(wěn)態(tài)的延遲時間由什么因素決定呢？　　老師：主要由充電回路中電容器的電容量和電阻器的阻值決定，計算公式為TP≈0.7RC。這里，TP約為35s?！　⊥瑢W：您反復講過，門電路屬于開關(guān)電路，那么為什么與非門1又組成了線性放大器呢？　　老師：與非門1的輸入端接在一起成為非門，也就是反相器。如果給反相器外加合適的靜態(tài)偏置（圖中的R5），使它工作在放大狀態(tài)，就成了線性放大器。整個電路的工作過程，哪位同學繼續(xù)分析？　　同學：由話筒B輸出的音頻信號經(jīng)C2耦合到門1組成的放大器放大后，向C4迅速充電，使D點變?yōu)楦唠娖健?”。此時，若環(huán)境亮度較大，光敏電阻R8的阻值很小，所以B點為低電平“0”，門2的輸入端有一個是“0”，輸出端F就是“1”，不能觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。只有在夜晚，R8阻值變大，B點變?yōu)楦唠娖健?”，一旦話筒B有腳步聲輸入，D點也是高電平“1”，門2將輸出一個負脈沖，使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，U02變?yōu)榈碗娖健?”。晶閘管VS是怎么觸發(fā)導通的，我就說不清楚了?！　±蠋煟簡畏€(wěn)態(tài)觸發(fā)器處于穩(wěn)態(tài)時，U02為高電平“1”，三極管VT導通，其集電極為低電位，晶閘管VS的門極經(jīng)VT接地，不能觸發(fā)導通。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進入暫穩(wěn)態(tài)期間，U02為低電平“0”，VT截止，市電通過VD1及R1觸發(fā)晶閘管VS導通，燈H發(fā)光。經(jīng)過約35s，暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，VT又導通，晶閘管在交流市電過零時自行關(guān)斷。同學們都清楚了吧？　　同學：清楚啦?！　±蠋煟鹤詈笤賳柎蠹乙粋€問題，照明燈的控制電路所需要的直流電源是怎么供給的呢？　　同學：電網(wǎng)的220V交流電由VD2進行半波整流，C6平滑濾波，R2降壓限流，最后通過VD3穩(wěn)壓，獲得穩(wěn)定的直流電壓。穩(wěn)壓管VD3采用的是2CW13，所以直流電壓約為6V。