“简单逻辑电路”的实验与教学_门电路论文

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新课标高中物理课本《选修3-1》（人教版）第二章第10节《简单的逻辑电路》是新增加的内容。为了适应当代数字电子技术的发展，十几年前国外的教材中就出现了逻辑电路内容。我国的初中教材中也曾经编入，但是没有得到足够的重视，只是作为选修内容，很少被学校选用。

现在将这个课题编入高中，主要的内容和教学要求是：

①理解最简单的逻辑关系，掌握表述逻辑关系的方法；②认识基本的门电路的功能和检测逻辑功能的方法；③了解门电路的简单应用，会分析电路的逻辑关系。

教学中，教师不应只限于用图或多媒体课件讲述，而应当做较多的实验，使学生得到充分的感性认识，并且帮助他们理解规律。

以前为初中配备的“门电路演示器”，其设计受到了当时诸多条件的限制。其内部主要由干簧管和电阻等元件组成，从外部看虽然能显示最基本的三种逻辑功能，但是其内部结构和性能与目前实际应用的门电路完全不同。

现在则可以直接使用性能优良的集成门电路，价格也很便宜（每个集成块不超过1元）。还能采用多种方法显示门电路的逻辑功能，包括示波器、数字化实验系统(DES)等现代化设备，为教师设计教学实验展现了广阔的天地。

本文将介绍一些为这个单元教学设计的新实验。

一、用开关实现对电路的逻辑控制

要初步认识逻辑电路，最好用学生熟悉的手动机械式开关控制不同的电路，分别呈现与、或、非逻辑关系。可以制成示教板来做下面的演示，也可以随堂做分组小实验。

1.用开关控制小灯泡

课本上图2.10-2、2.10-6、2.10-9介绍的电路都是用开关控制小灯泡。需要注意的是，演示“非”逻辑的电路中必须串联一个电阻，以避免开关A接通时将电源短路。

2.用开关控制发光二极管(LED)

电路如图1所示。LED为红色发光二极管，加的正向电压达到1.8V（典型值）才能发光，正常工作电流为10mA。所以当电源电压约3V时，必须串联限流电阻R做保护。R可选用标称阻值120Ω的碳膜或金属膜电阻器。若用绿色或蓝色的发光管，它们需要2V多的电压才能发光，限流电阻可以适当减小。

图1

此法的优点：发光管价廉（红色的约0.1元），省电，寿命比小灯泡长得多（在8000h以上）。再者，丙图中的限流电阻也同时起了防止电源被短路的作用。

3.用电磁继电器实现“非”逻辑

使用的是学生在初中已经熟悉的电磁继电器，它将手动开关改变为自动开关，更符合实际应用的情况。电路如图2所示，可用作防盗报警器。将细铜丝A张拉于门窗上，平时继电器线圈通电，衔铁被吸合，动触点c与常开触点a接触，与b脱离，电铃Y不通电。当盗贼入室碰断铜丝时，则衔铁被释放，动触点c变为与常闭触点b接触，使铃声响起。

图2

可自制一个示教板。为了安全，改用低压直流电铃或蜂鸣器，由电池供电。

二、用晶体二极管组成逻辑门电路——与门、或门

可将课本图2.10-5、2.10-8制成示教板做演示。能够依据学生已知的二极管单向导电性，说明这两种门电路的工作原理。

与门电路可以简化为图3。E、各为3V（两节5号干电池串联），为硅二极管（型号1N4001或IN4148）。实验时，输入、输出端的各种逻辑状态、二极管的工作状态、电压表的显示见表1。

图3

表1

*电压表内阻

或门电路为图4，同上。实验时状态见表2。

表2

图4

用二极管不能组成非门。所组成的与门、或门也存在诸多缺点（例如难以联合起来使用）。所以现在实际中不被采用。

三、用晶体三极管组成逻辑门电路——非门

可按照图5中的电路制成示教板做演示。三极管VT是最简单的半导体器件。在这个电路中，它不是工作于放大状态，而是起了开关作用：当开关K接a时，输入端为6V高电平，三极管处于“饱和导通（开）”状态，Y端输出电压接近零（约0.1V）；当开关K接b时，输入端为0V低电平，三极管处于“截止（关）”状态，Y端输出电压略小于电源电压。

此实验只看现象，不讲原理。由A端和Y端电压对应的变化，可画出图5中的逻辑波形图。

这种三极管非门在实际中已很少使用。

图5

四、集成逻辑电路

1.类型

目前常用的有以下两种集成电路(IC)：

一是TTL集成电路。其内部由多发射极晶体管、若干个三极管和一些电阻组成，用半导体工艺制作在一块很小的硅片上。其中的发射极晶体管就相当于图3和图4中“背靠背并排”连接的几只二极管。课本中介绍使用的74LS系列型号的就是这种。

二是CMOS集成电路。常见的CD4000系列型号的则是这种。

2.演示

将图6、图7、图8所示的电路制成示教板，分别演示与、或、非门的逻辑功能。这应当是必做的重点实验。

扳动开关S，将门电路输入端A、B设置为不同的电平，则发光二极管LED会显示门电路输出端Y的逻辑状态，发光表示“1”，不发光表示“0”。

图6

图7

还可以用直流电压表（最好是数字表）检测逻辑状态。将电压表的负端接触电源的负极，正端顺次分别接触A、B、Y端，可看到：A、B端为高电平时，电压值略低于电源电压(5V)，为低电平时电压为零；Y端为高电平时电压为某一较高数值，为低电平时电压为0.1～0.2V。

课本中《问题与练习》第1题是要求用波形图表示门电路的逻辑功能。用数字化实验系统就可以看到真实的波形图。例如图6电路中，同时在A、B、Y端各接一个电压传感器（代替电压表），事先将三个电压图像的零点设置在屏幕上高度不同的位置，并且采用慢采集，将总采集时间设置为5～10s。开始采集数据后扳动开关，让第一段时间内A=0、B=0，第二段时间内A=0、B=1，第三段时间内A=1、B=0，第四段时间内A=1、B=1，就得到图9所示的波形图。

图8

图9

五、组合逻辑电路

实际应用中，往往需要将若干个门电路组合起来，以实现较复杂的、特定的逻辑功能。组合时要将某个门的输出作为下一级门的输入，称为级联。为了避免识别逻辑状态时发生错误和抗拒外界干扰，门电路规定了共同的高(H)低(L)电平标准值。例如TTL集成电路，在电源电压的条件下，输入端≥1.6V时即为H、≤0.8V时即为L，输出端为H时≥3.4V、为L时≤0.2V。

前述的由二极管组成的门电路难以实现共同的逻辑电平标准，所以未能实用。

课本中《问题与练习》第4题介绍的就是最简单的组合。可以按照下页图10组装电路来检测由与门和非门组合成的与非门的逻辑功能。

六、门电路的应用示例

1.火灾自动报警器

可以将课本上《例题》中的图2.10-14电路做成示教板。R[,t]采用标称（常温下）1kΩ或2kΩ的负温度系数（NTC型）的圆片形热敏电阻。R采用47kΩ或51kΩ的电位器。虚线框内接入非门，可以用型号74LS04或74LS14的集成块。但是这种门电路输出的电流较小，不能驱动原图中画出的电铃。要改为一种微型有源蜂鸣器，外形如图11所示，连接时须注意勿将极性接反。其内部附有音频振荡电路，加上3～5V直流电压就可以使内部的发声元件发声，工作电流仅为15mA左右。整体的组装电路见图12，将热敏电阻用软导线引出，BZ为蜂鸣器，电源E电压为5～6V。通电后要调整电位器R的阻值，使得常温下蜂鸣器不发声，而在热敏电阻靠近火焰时能自动发声报警。

图10

图11

图12

2.简单的延时电路

这个实验除了介绍门电路的应用，还突出了电容器的一种重要用途，利用它放电过程中两端电压不能突变的特性，配合非门实现延时控制功能。这对于丰富学生关于电容器的知识是大有益处的。

电路见图13。使用型号为74LS14的非门。LED为红色发光二极管，当加给它的正向电压≥1.8V时才会发光。C为1001μF的电解电容器，电阻为20kΩ，为300Ω，电源正电压为5V。

图13

初始状态下，电容器C中没有储存电荷，，输入为低电平，则输出为高电平，即。那么DY两点间的电压只有1.6V，所以LED不发光。

按下开关K（接通），则电容器C被电源迅速充电，变为高电平5.OV，则跳变为低电平0.2V。于是DY两点间的电压变为4.8V，LED就发光了。

放手后，K自动断开。于是电容器C通过电阻开始缓慢地放电，使从5.0V缓慢地下降，当它在降到0.8V之前的过程中，非门的状态保持不变，LED继续发光。当降到0.8V时为低电平，则就跳变为高电平3.4V，LED才熄灭。这样就自动延长了K断开后LED继续发光的时间。

加大C的电容或加大的电阻，都可以使延时的时间更长。

3.三人表决器

这个实验用基本的逻辑门组合成具有特定逻辑功能的电路，能很好地锻炼学生分析电路逻辑功能的能力，使他们体验到门电路的综合应用。

电路较简单，原理图见图14，由三个2输入端与门和两个2输入端或门组成。投票人甲、乙、丙各操作一个单刀双掷开关，开关的刀与上面触点接通表示“赞成”，与下面触点接通表示“反对”。LED显示投票结果，发光表示“通过”，不发光表示“否决”。现仅就一种情况说明：甲和乙赞成，丙反对，则与门输出高电平，和都输出低电平，那么就使后级的或门输出高电平，再使输出高电平。于是LED发光。其他情况请读者自行分析。