基本门函数

零部件材料

• 4011 四与非门（Radio Shack 目录编号 276-2411）
• 八位 DIP 开关（Radio Shack 目录编号 275-1301）
• 十段条形图 LED（Radio Shack 目录 # 276-081）
• 一节 6 伏电池
• 两个 10 kΩ 电阻器
• 三个 470 Ω 电阻器

注意！ 4011 IC 是 CMOS，因此对静电敏感！

进一步阅读

电路课程 ，第 4 卷，第 3 章：“逻辑门”

学习目标

• “下拉”电阻的用途
• 如何通过实验确定门的真值表
• 如何将逻辑门连接在一起
• 如何使用与非门创建不同的逻辑函数

基本门功能示意图

基本门函数说明

实验说明

首先，将一个与非门连接到两个输入开关和一个 LED，如图所示。起初，使用 8 位开关和 10 段 LED 条形图似乎有些过分，因为只需要两个开关和一个 LED 即可显示单个与非门的操作。然而，这些额外的开关和 LED 的存在使得扩展电路非常方便，有助于使电路布局既干净又紧凑。

强烈建议您拥有 4011 的数据表 构建电路时可用的芯片。不要只按照上图所示操作！培养阅读数据表的技能很重要，尤其是在将 IC 端子连接到其他电路元件时的“引脚排列”图。数据表的连接图是必不可少的信息。此处显示的是我自己对 4011 内容的演绎 数据表显示：

在面包板插图中，我展示了使用左下方与非门构建的电路：引脚 # 的 1 和 2 是输入，引脚 #3 是输出。引脚#的14和7为IC芯片内部的所有四个门电路提供直流电源，“VDD”代表电源的正极（+V），“Gnd”代表电源的负极（- V) 或接地。有时，负电源端子会在数据表上标记为“VSS”而不是“Gnd”，但含义相同。

数字逻辑电路不像运算放大器那样使用分离式电源。然而，与运算放大器电路一样，接地仍然是所有电压测量的隐含参考点。如果我说芯片的某个引脚上存在“高”信号，我的意思是该引脚和电源的负极（地）之间存在全电压。

请注意 4011 内未使用的门的所有输入如何 芯片连接到 VDD 或地。这不是错误，而是有意设计的行为。自 4011 是CMOS集成电路，CMOS电路输入端悬空（悬空 ) 可以仅通过拦截附近物体的静电荷来假设任何电压电平，使输入保持浮动意味着那些未使用的门可能会接收“高”和“低”信号的任何随机组合。

如果我们不使用这些门，为什么这是不可取的？如果我们不对他们的输出做任何事情，谁在乎他们收到什么信号？问题是，如果静态电压信号出现在不完全“高”或不完全“低”的栅极输入端，则栅极的内部晶体管可能开始以消耗过多电流的方式开启。最坏的情况是，这可能会导致芯片损坏。

充其量意味着过度的功耗。如果我们选择将这些未使用的栅极输入连接为“高”（VDD）或“低”（地），只要我们将它们连接到这两个位置之一，这无关紧要。在面包板插图中，我展示了连接到 VDD 的所有顶部输入，以及连接到地的所有底部输入（未使用的门）。这样做只是因为那些电源轨孔更近，不需要长跳线！

请注意，没有未使用的门输出 已连接到 VDD 或地，这是有充分理由的！如果我这样做，我可能会强迫一个门假设它试图实现的相反输出状态，这是一种复杂的说法，我会造成短路。想象一个应该输出“高”逻辑电平的门（对于与非门，如果它的任何输入为“低”，这就是真的）。​​

如果这样的门将其输出端子直接接地，则它永远不会达到“高”状态（通过跳线连接与接地电气共用）。相反，它的上部（P 沟道）输出晶体管将徒劳地开启，为不存在的负载提供最大电流。这很可能会损坏门！栅极输出端，就其本质而言，会产生自己的逻辑电平，绝不会像 CMOS 栅极输入那样“浮动”。

两个 10 kΩ 电阻器放置在电路中，以避免使用的栅极出现浮动输入条件。开关闭合时，相应的输入将直接连接到 VDD，因此为“高”。开关打开时，10 kΩ“下拉 ”电阻提供接地电阻连接，确保栅极输入端处于安全的“低”状态。这样，输入就不会受到杂散静态电压的影响。

如图所示，将与非门连接到两个开关和一个 LED，您就可以为与非门开发“真值表”了。即使您已经知道与非门真值表是什么样的，这也是一个很好的实验练习：通过归纳发现电路的行为原理。像这样在一张纸上画一个真值表：

“A” 和 “B” 列分别代表两个输入开关。当开关打开时，其状态为“高”或 1。当开关关闭时，其状态为“低”或 0，由其下拉电阻器确保。当然，门的输出由 LED 表示：它是亮 (1) 还是不亮 (0)。将开关置于各种可能的状态组合并记录 LED 的状态后，将结果真值表与与非门的真值表进行比较。

可以想象，这个面包板电路不仅限于测试与非门。任何门类型都可以通过两个开关、两个下拉电阻和一个 LED 来指示输出状态进行测试。在用引脚替换4011 之前，请务必仔细检查芯片的“引脚排列”图 .并非所有“四”门芯片都具有相同的引脚分配！

其他改进

您可能希望对该电路进行改进，除了分配一个用于指示输出的 LED 外，还分配几个 LED 来指示输入状态。这使得观察操作更有趣，并且还有一个好处是通过显示 true 来指示开关是否无法关闭（或打开） 输入信号到门，而不是强迫你从开关位置推断输入状态：

相关工作表：

• 基本逻辑门工作表