第2章　逻辑门电路

【基本要求、重点及难点】

本章介绍了数字电路中基本逻辑单元门电路、三态逻辑门和集电极开路输出门，简要介绍TTL集成门电路和CMOS集成门电路的逻辑功能、外特性和性能参数等内容。应熟练掌握逻辑门电路高、低电平与正、负逻辑状态的关系、基本门电路的工作原理及实际应用、三态门的工作原理及应用；正确理解集成逻辑电路主要参数的含义与所表示的性能、逻辑符号与控制端符号上非号、小圆圈含义及其门电路上小圆圈符号含义的区别、三态门使能控制端的作用、各种门电路多余输入端的处理、门电路的实际检测；一般了解OC门和传输门的逻辑符号及应用、各种门电路系列间的接口、CMOS集成电路的存放和焊接的措施。

【基本概念的分析】

逻辑门是数字系统的“基本单元”，根据输入电平的组合情况，逻辑门产生可预测的输出电平，所以逻辑门是一种“判决”电路。只有当所有输入都是高电平时，与门的输出才是高电平。只要有一个或多个输入为高电平时，或门的输出就是高电平。非门（反相器）产生的输出电平正好与输入电平相反。

与非门等价于在与门后接一个反相器（即非门）。只有当所有输入都是高电平时，与非门的输出才是低电平。或非门等价于在或门后接一个反相器（即非门）。只有当所有输入都是低电平时，或非门的输出才是高电平。与非门和或非门可用来实现基本和复合逻辑运算。

异或门仅当输入A和B处于相反的逻辑电平时，输出F才变为高电平。同或（异或非）门仅当输入A和B处于相同逻辑电平时，输出F才变为高电平。

把集电极开路输出线连接到一起，能实现“线与”功能；把三态输出连接在一起，可以允许多个器件共用一条数据总线，在这种情况下，某一时刻只允许一个器件驱动总线。

各种类型的逻辑门都是以集成电路（IC）形式提供的。主要的数字集成电路系列是TTL和CMOS系列。TTL系列和CMOS系列存在不同的特点和电压差别，除了兼容系列外，两者不能直接相连，当两者同处于一个系统中时就需要考虑接口问题。

对数字集成电路IC的理解，重点在于它们的输出与输入之间的逻辑关系和外部电气特性。其性能参数主要包括：直流电源电压、逻辑电平（输入与输出）、传输延迟、扇出系数、功耗等。其特性包括：集成块类型、引脚逻辑图和符号。

【思考题分析解答】

2.1.3思考题

1.在什么情况下，与门输出为逻辑高电平？

[答案]只有当所有的输入都是逻辑高电平时，其输出才是逻辑高电平。

提示：与逻辑的逻辑关系是“全1出1，有0出0”。

2. 4输入与门有多少种可能的输入状态组合？

[答案]16种（ABCD：0000、0001、0010、…、1111）。

3.如果2输入与门的一端输入为数字波形，则在什么情况下能得到数字波形？

[答案]另一个输入为高电平。

提示：另一个输入为低电平时与门被封锁。

4.在什么情况下，或门输出为逻辑高电平？

[答案]只要有一个或多个输入是逻辑高电平时，其输出就是逻辑高电平。

提示：或逻辑的逻辑关系是“有1出1，全0出0”。

5.对于3输入或门有多少种可能的输入状态组合？

[答案]8种（ABC：000、001、010、…、111）。

6.如果向2输入或门一端输入数字波形，则在什么情况下输出为高电平？

[答案]另一个输入输为高电平。

提示：或门有1出1，此时输入数字波形被封锁。

2.1.4思考题

1.非门是如何实现非函数功能的？

[答案]对函数取反。用三极管组成反相器实现非门功能，当输入高电平为“1”时，三极管导通，输出低电平（“0”）；而当输入低电平（“0”）时，三极管截止，输出高电平为“1”。

2.非门有多少个输入端？

[答案]非门是实现倒相或称反相功能，所以只有一个输入端。

2.2.1思考题

1.在什么情况下，与非门的输出为逻辑低电平？

[答案]与非门的输入端全为高电平时，输出才为低电平。

提示：与非门的逻辑关系是“有0出1，全1出0”。

2.如果2输入与非门的一端输入为数字波形，则在什么情况下输出为高电平？

[答案]另一个输入端为低电平，此时与非门被封锁。

提示：另一个输入端为高电平时，输入数字波形被反相后输出。

3.对于3输入与非门，所有可能的输入状态组合中有几组输入状态能够输出高电平？

[答案]3输入与非门输入状态组合有八组，根据与非逻辑关系输出高电平有七组。

提示：与非逻辑关系只有全1出0（全1只有一组组合，其他有七组组合都有0）。

2.2.2思考题

1.在什么情况下，或非门输出为逻辑高电平？

[答案]或非门输入端全为低电平时输出才为高电平。

提示：或非门的逻辑关系是“有1出0，全0出1”。

2.如果向2输入或非门输入数字波形，则在什么情况下能输出数字波形？

[答案]另一个输入端为低电平，输入数字波形被反相后输出。

提示：另一个输入端为高电平时，输入数字波形被封锁。

2.2.3思考题

1.当异或门两个输入都是1（高电平）时，可以判断其输出的唯一状态吗？

[答案]不能。当两个输入都是0（低电平）时输出状态也为0。

2.将异或门作为反相器使用时，应将另一输入端接什么电平？

[答案]另一个输入端为高电平。

提示：根据异或门的真值表可判断。

3.异或门可看作是1的奇数还是偶数检测器？

[答案]看作是1的奇数检测器。

提示：根据异或门逻辑关系不同时输出1；异或门有奇数个1时也输出为1。

2.2.4思考题

1.在什么情况下，同或门的输出为低电平？

[答案]同或门二个输入端不同电平时输出为低电平。

提示：根据同或门逻辑关系“相同出1，不同出0”。

2.当同或门两个输入都是高电平时，可以判断其输出的唯一状态吗？

[答案]不能。当两个输入都是0（低电平）时，输出状态也为1。

3.如何将同或门用作反相器？

[答案]有一个输入端为低电平。

提示：根据同或门的真值表可判断。

2.2.5思考题

1.在什么情况下，与或非门的输出为逻辑低电平？

[答案]一个或多个与门的输入端全为高电平时。

提示：至少在一个与门的输入为全1。

2.对于三个2输入与门构成的与或非逻辑，写出其逻辑表达式。

[答案]F=。

2.3思考题

1.试说明三态门输出的逻辑功能。它有什么特点和用途？

[答案]三态输出门（简称TS门）除了有高电平和低电平（即逻辑1和逻辑0）两种逻辑状态外，还有第三种状态——高阻状态（记为Z），或称为禁止状态。

特点：三态输出门的构成是在普通逻辑门电路的基础上增加一些专门的控制电路，以及一个新的控制输入端——三态使能端，即EN（Enable）端，通过1/0逻辑电平来控制，可以工作在三种不同状态。

用途：三态门在数据传送和总线接口中得到了广泛的应用。

2. OC门与普通门电路有什么区别？它适合什么场合？

[答案]OC门特点是内部输出三极管的集电极开路。在使用时，必须外接“上拉电阻R”，使得该输出端与直流电源相连。

特点：输出端直接相连，可以实现门电路间的“线与”功能。

提示：上拉电阻R的阻值的选取可查阅相关资料。

3.什么叫线与？普通TTL与非门能否线与？

[答案]两个OC门的输出线直接相连，实现“与”逻辑运算时称为“线与”。

普通TTL与非门不能“线与”。

2.4思考题

1.比较TTL和CMOS集成电路的特点。

[答案]TTL集成电路的特点：速度快、抗静电能力强，但其功耗较大，不适宜做成大规模集成电路。

CMOS集成电路的特点：集成度高、功耗低，但速度较慢、抗静电能力差。

2.在数字电路系统中，总的延迟时间由什么来决定？

[答案]由系统中门电路的传输延迟时间来决定。

2.5思考题

1.如何利用探测器进行数字集成电路的故障排查？

[答案]逻辑探测器的金属接头可以接触待测IC的引脚、印制电路板的敷铜引线或器件的引线，同时探测器上安有指示灯，用来告知某点的数字电平，若为高电平，则指示灯亮起；若为低电平，则指示灯熄灭；若电平悬浮（开路，既不是高电平也不是低电平），则指示灯发光黯淡。

2.如何利用脉冲发生器进行数字集成电路的故障排查？

[答案]逻辑脉冲发生器用来为待测电路提供数字脉冲，同时观测逻辑探测器。可以通过集成电路或元件的信号，判断电路是否正常。绝大多数集成电路或元件的故障，是由电路的输入输出端开路或短路造成的。

3.集成电路中较常见的是开路还是短路？

[答案]是开路，没输出，输出固定在高电平或低电平。

【自我测试题分析解答】

一、选择题（请将下列题目中的正确答案填入括号内）

1.b；2.a；3.c；4.c；5.c；6.a。

二、判断题（正确的在括号内打√，错误的在括号内打×）

1.×；2.×；3.√；4.√；5.×；6.√。

三、分析计算题

1.解：当TTL反相器的输出为3V时，输出是高电平，是红灯亮[I=（3-2）/150=6.7（mA）]；

当TTL反相器的输出为0.2V时，输出是低电平，是绿灯亮[I=（5-2.2）/480=5.8（mA）]。

2.解：当TTL反相器的输出为高电平时，三极管会导通，且发光二极管会发亮；当TTL反相器的输出为低电平时，三极管不导通，发光二极管不会发亮。

3.解：F1：高电平；F2：B=0时，；B=1时为高阻；F3：。

4.解：由图可得F=B+BC，由表达式可得表1.2.1所示的真值表。

表　1.2.1　　

表　1.2.2　　

5.由题意可得表1.2.2所示真值表。

由真值表1.2.2可得表达式F1=A（B+C）；F2=A+BC。

由上述表达式可画出如图1.2.1所示波形图。

图　1.2.1

6.由题意可画出如图1.2.2所示波形图。

图　1.2.2

【习题分析解答】

一、选择题（请将下列题目中的正确答案填入括号内）

1.a；2.b；3.c；4.c；5.a。

二、判断题（正确的在括号内打√，错误的在括号内打×）

1.√；2.√；3.√；4.×；5.×。

三、分析计算题

1.解：与门：F1=；或门：F2=；

或非门：F3=　；异或门：F4=。

2.解：可以。与非门另一端接高电平；或非门另一端接低电平；异或门另一端接高电平。

3.解：F1=；F2=；F3=（C=0）或F3=（C=1）；F4=。

4.解：G=0时，F1=A、F2=高阻、F3=AB；F4=高阻；

G=1时，F1=高阻、F2=；F3=高阻、F4=。

5.解：F1=BC；F2=；F3=（A+B）（B+C）=B+AC；F4==+B，波形如图1.2.3所示。

图　1.2.3

6.解：为了防止外界干扰信号的影响，门电路多余的输入端一般不要悬空，尤其是CMOS电路更不得悬空，处理方法是应保证电路的逻辑关系，并使其正常而稳定地工作。

与门的多余输入端应接高电平，或门的多余输入端应接低电平。接高、低电平的方法是通过限流电阻接正电源或地，有时也可以直接和正电源或地相连。但是，TTL电路输入端不可串接大电阻，否则将不能得到输入低电平，不过它可以悬空获得输入高电平。如果工作速度不高，信号源驱动能力较强，多余输入端也可同使用端并联使用。

7.解：≤R≤，≤R≤

得：0.26kΩ≤R≤3.75kΩ。

8.解：高电平扇出系数===100；低电平扇出系数===40；

高电平扇出系数和低电平扇出系数不同，选取两者中的较小者，因此能驱动40个74LS20与非门的输入。

【实验与实训分析提示】

一、TTL集成门电路功能测试

1.提示：读懂TTL集成门电路的引脚图，正确连接集成门电路的电源，正确连接门电路的输入逻辑电平，正确测试门电路的输出状态。实验前画出测试电路图和测试表格。

2.注意：TTL集成门电路的多余输入端可以空置，为了防范干扰，应按不同逻辑门电路处理方法进行连接。

二、TTL集电极开路门与三态输出门的应用

1.提示：TTL集电极开路与非门74LS03上拉电阻R的确定可查阅相关资料获得。

读懂TTL集成门电路的引脚图，正确连接集成门电路的电源，正确连接门电路的输入逻辑电平，正确测试门电路的输出状态。实验前画出测试电路图和测试表格。

2.注意：三态门电路实现总线传输，即用一个传输通道（称为总线），以选通方式传送多路信息，任何时刻都只能有一个选通端有效。

三、综合实训

1.用门电路设计一个简单的有三人参赛智力竞赛抢答器。

提示：建议用与非门和反相器来设计，有人抢答后给出信号显示抢答成功，并同时给出信号，封锁其他抢答者使其他抢答无效。给出四人抢答器电路参考图如图1.2.4所示。

图　1.2.4

2.用与非门设计一个交通信号灯的故障警示电路。

提示：建议用与非门设计实现此功能的电路，考虑能否用其他门电路来实现同样的功能，使电路更简单。