门电路及其应用

无线电小组的同学们继续进行数字电路的实验与制作，这次活动是用CMOS四2输入端与非门CD4011（图1）组装“电子验电器”和“声光双控楼道照明灯”电路，调试成功后，大家兴致很高，提出了许多应用方面的问题，在老师的辅导下，展开了热烈的讨论。　　同学：老师，您曾经说与非门是由一个与门与一个非门组合起来的复合门电路。非门我们已经比较熟悉了，对与门的逻辑功能还不太了解。　　老师：上一次我给大家讲过，门电路是一种条件开关，只有在输入信号满足特定的条件时，门才能打开，信号才能通过；不满足特定的条件，门就关闭，信号就不能通过。为了说明与门输出与输入之间的逻辑关系，我们先来看一个简单电路（图2）。这里用两个开关S1、S2控制一只发光二极管VD。很显然，只有当两个开关S1与S2都合上时，VD才会亮；只要有一个开关断开，VD就不亮。这种开关状态与灯亮之间的因果关系，称为“与”逻辑。我们所说的与门，是具有两个或两个以上输入端、一个输出端的开关电路（图3），输出与输入之间特定的逻辑关系是：输入端A与输入端B都是高电平“1”时，输出L才是高电平“1”；只要有一个输入端为低电平“0”，输出就是低电平“0”。这种特定的逻辑关系可以列成真值表（表1），也可以列出逻辑代数式：　　L=A×B式子里的“×”号不是真的进行数字相乘，而是表示A、B之间存在着“与”逻辑关系，常称它为逻辑乘运算。　　同学：既然与非门是与门和非门的组合，是不是把与门的输出再经过非门进行一次反相（图4）就是与非门（图5）的输出了呢？　　老师：对。习惯上说，先由与门进行逻辑乘运算，再由非门进行逻辑非运算，就实现了与非逻辑功能。写成逻辑代数式就是：    L=L‘=A×B大家可以自己列出与非门的真值表（表2）。与非门的逻辑功能可以编成一个口诀：“输入全1 ，输出为0；输入有0，输出为1”。　　同学：CMOS与非门电路是怎么组成的呢？　　老师：CMOS与非门电路（图6）很简单，它只用了四只场效应管。VT1和VT2是N沟道增强型MOS场效应管，它们串联起来作为两个输入管；VT3和VT4是P沟道增强型MOS场效应管，它们并联起来分别作为VT1、VT2的负载管。当输入端A与B都是高电平“1”时，VT1、VT2同时导通，VT3、VT4同时截止，输出端L为低电平“0”；当A、B中有一个或一个以上为低电平“0”时，相应的输入管截止，对应的负载管导通，输出端L为高电平“1”，实现了“与非”逻辑功能。大家明白了吧？　　同学：明白了。　　老师：今天大家组装的“电子验电器”电路（图7），使用了一块四2输入端与非门集成电路。其中，门1、门2和门4的两个输入端接在了一起，成为一个输入端，它们的逻辑功能发生了什么变化呢？　　同学：把与非门的两个输入端连在一起，就意味着A与B只能同时为“0”或同时为“1”，按与非门的逻辑功能：“输入全1，输出为0；输入有0；输出为1”，输出与输入始终是反相关系，所以它就成了一个非门。　　老师：回答得很好。“电子验电器”电路是很简单的，哪位同学给大家分析一下它的工作原理？　　同学：我来试试看。电子验电器由两部分组成。门3和门4组成了我们熟悉的音频振荡器，它能不能振荡要受门2的输出电平控制。当门2输出低电平“0”时，门3有一个输入端为“0”，它的输出端就被锁定在高电平“1”上，门4的输出就是低电平“0”，不会随门3另一个输入端E的变化而改变了。这就是说，门3和门4组成的音频振荡器不能产生振荡，扬声器也不发声。只有当门2输出高电平“1”时，振荡器产生自激振荡，扬声器发出讯响。只是我还不太明白结型场效应管VT1是怎么控制门1和门2翻转的，希望您再给我们讲讲。　　 老师：结型场效应管是一种电压控制器件，它是利用栅极输入电压UGS改变漏极D与源极S之间的电阻RDS来控制漏极电流大小的。在这里我们不妨把它看成是一个由栅极电压控制的可变电阻。当感应片P靠近带电体时，场效应管VT1的电阻RDS变大，A点电位升高，门1的输入变为高电平“1”，输出变为低电平“0”，也就是门2的输入端B是低电平“0”，输出为高电平“1”。这时，音频振荡器的控制端D是高电平“1”，电路开始振荡，扬声器发出声响。　　同学：我明白了。只要能控制A点电位由低变高或由高变低，就能使门1和门2翻转，控制振荡器振荡或停振。　　老师：对。这是一个典型的讯响指示电路，如果把场效应管VT1换成不同的传感器件，如温度、湿度、光敏、热敏元件等，并适当调整RP的阻值，就会成为各种敏感指示电路。应用范围十分广泛。现在我画一个光弱报信器的电路图（图8），大家可以自己分析。    同学：今天我们组装的“声光双控延时楼道照明灯”电路（图9），看起来比较复杂，很难理出头绪来，您能给我们指点一下吗？　　老师：好。大家通过实验已经知道，声光双控延时照明灯白天不会亮，到了晚上只要有人走过楼道发出脚步声，灯就自动点亮，经过一定的时间延迟，又会自动熄灭。这里，灯泡H接在220V交流电源上，用晶闸管VS作无触点开关，它们构成主电路。控制电路由一块四2输入端与非门CD4011（图1）为核心组成。与非门1是线性放大器，用来放大驻极体话筒B输入的音频信号，与非门2组成光控开关，由光敏电阻R8控制。与非门3及与非门4组成单稳态触发器，控制电灯的点燃与熄灭，并决定着灯亮后的延迟时间。　　同学：请问您单稳态触发器的电路功能是什么呢？　　老师：单稳态触发器与多谐振荡器一样是一种基本脉冲电路，它只有一种单一的稳定状态，在外来触发脉冲的作用下，虽然也能使它的状态发生翻转，却是暂时的，经过一定的时间延迟，又会自动返回原来的稳定状态。利用它的这种特性，可以组成定时或延时电路。采用两个与非门可以方便地组成单稳态触发器（图10），在没有外来触发信号时，输入端UI（即F点）为高电平“1”，与非门4的输入端G为低电平“0”，其输出端U02为高电平“1”，经直接耦合使门3的输入端E也是高电平“1”，其输出端U01为低电平“0”，这就是电路的稳定状态。　　同学：我考虑是不是因为电容器C5两端都是低电平“0”，不会发生充电和放电过程，电路状态才会稳定不变呢？　　老师：对，关键就在这里。我再问你们，在触发输入端UI输入一个负脉冲（低电平“0”）会发生什么情况呢？　　同学：UI低电平“0”时，根据与非门的“输入有0，输出为1”的逻辑功能，U01变为高电平“1”，这时电容器C5经电阻R10进行充电，起始充电电流流过R10，使门4的输入端G由低电平“0”跳变到高电平“1”，输出端U02就由高电平“1”变到低电平“0”，单稳态触发器发生了翻转。　　老师：是这样。需要注意的是，G点的高电平是靠充电电流在R10上的电压降维持的。随着充电过程的进行，充电电流按指数规律减小，G点电位也随之逐渐降低，当降低到与非门的开门电平以下时，门4的输出端U02翻转为高电平“1”，这时门3的两个输入端E、F都是高电平“1”，输出端U02又回到低电平“0”，暂稳状态结束。　　同学：暂稳态的延迟时间由什么因素决定呢？　　老师：主要由充电回路中电容器的电容量和电阻器的阻值决定，计算公式为TP≈0.7RC。这里，TP约为35s。　　同学：您反复讲过，门电路属于开关电路，那么为什么与非门1又组成了线性放大器呢？　　老师：与非门1的输入端接在一起成为非门，也就是反相器。如果给反相器外加合适的静态偏置（图中的R5），使它工作在放大状态，就成了线性放大器。整个电路的工作过程，哪位同学继续分析？　　同学：由话筒B输出的音频信号经C2耦合到门1组成的放大器放大后，向C4迅速充电，使D点变为高电平“1”。此时，若环境亮度较大，光敏电阻R8的阻值很小，所以B点为低电平“0”，门2的输入端有一个是“0”，输出端F就是“1”，不能触发单稳态触发器。只有在夜晚，R8阻值变大，B点变为高电平“1”，一旦话筒B有脚步声输入，D点也是高电平“1”，门2将输出一个负脉冲，使单稳态触发器翻转，U02变为低电平“0”。晶闸管VS是怎么触发导通的，我就说不清楚了。　　老师：单稳态触发器处于稳态时，U02为高电平“1”，三极管VT导通，其集电极为低电位，晶闸管VS的门极经VT接地，不能触发导通。单稳态触发器进入暂稳态期间，U02为低电平“0”，VT截止，市电通过VD1及R1触发晶闸管VS导通，灯H发光。经过约35s，暂稳态结束，VT又导通，晶闸管在交流市电过零时自行关断。同学们都清楚了吧？　　同学：清楚啦。　　老师：最后再问大家一个问题，照明灯的控制电路所需要的直流电源是怎么供给的呢？　　同学：电网的220V交流电由VD2进行半波整流，C6平滑滤波，R2降压限流，最后通过VD3稳压，获得稳定的直流电压。稳压管VD3采用的是2CW13，所以直流电压约为6V。