电和磁 通过导体的电流会产生环绕导体的磁场线。如果该导体缠绕成线圈形状，则产生的磁场将沿着线圈的长度方向。电流越大，磁场强度越大，其他因素不变： 电感器和磁场 由于存储在该磁场中的能量，电感器会对电流变化做出反应。当我们用两个电感线圈围绕一个公共铁芯构建一个变压器时，我们使用这个场将能量从一个线圈转移到另一个。 然而，电磁场的用途比我们见过的电感器和变压器的应用更简单、更直接。 通电导线线圈产生的磁场可以用来对任何磁性物体施加机械力，就像我们可以用永久磁铁吸引磁性物体一样，只是这个磁铁（由线圈形成）可以通过线圈通断电流来开启或关闭。 电磁阀 如果我们在这样的线圈附近放置

当一个开关被启动并且触点在启动力的作用下相互接触时，它们应该在一个简单的瞬间建立连续性。 然而不幸的是，交换机并没有完全实现这个目标。由于动触点的质量以及机构和/或触点材料固有的任何弹性，触点将在闭合时“弹跳”数毫秒，然后完全静止并提供不间断的接触。 在许多应用中，开关弹跳无关紧要：控制白炽灯的开关是否在每次启动时“弹跳”几个周期都无关紧要。由于灯的预热时间大大超过了反弹周期，因此不会导致灯运行不正常。 但是，如果开关用于将信号发送到电子放大器或其他具有快速响应时间的电路，则触点弹跳可能会产生非常明显的不良影响： 仔细观察示波器显示，当开关被启动一次时，会发现一组相当难看的

任何种类的开关触点都可以设计成在动作时触点“闭合”（建立连续性），或在动作时“打开”（中断连续性）。 对于其中具有弹簧复位机构的开关，弹簧在不施加力的情况下使其返回的方向称为法线 位置。 因此，在此位置打开的触点称为常开 在此位置闭合的触点称为常闭 . “正常”进程切换条件 对于过程开关，正常位置或状态是开关在不受过程影响时所处的位置。 确定进程交换机正常状况的一种简单方法是考虑交换机在未安装的存储架上时的状态。以下是“正常”进程切换条件的一些示例： 速度开关： 轴不转动 压力开关 :零施加压力 温度开关 ：环境（室温）温度 液位开关 :空水箱或垃圾桶 流量开关 :零液体流量

可以使用任何机制来构造开关，使两个导体以受控方式相互接触。 这可以很简单，例如通过杠杆的运动让两根铜线相互接触，或者直接推动两个金属条接触。 但是，良好的开关设计必须坚固可靠，并避免给操作员带来触电的可能性。因此，工业开关的设计很少如此粗糙。 开关中用于接通和断开电气连接的导电部件称为触点 . 触点通常由银或银镉合金制成，其导电性能不会因表面腐蚀或氧化而受到显着影响。 金触点具有最好的耐腐蚀性能，但载流能力有限，如果与高机械力结合在一起，可能会“冷焊”。 无论选择哪种金属，开关触点都由一种机制引导，确保接触均匀，确保最大的可靠性和最小的电阻。 开关触点载流量的限制因素 诸如此

尽管在本系列丛书的如此后期才涵盖电气开关的基本主题似乎很奇怪，但我这样做是因为接下来的章节探索了基于机械开关触点而不是固态门电路的数字技术的较旧领域, 并且对开关类型有透彻的了解是必要的。 在学习固态逻辑门的同时学习基于开关的电路的功能可以使这两个主题更容易掌握，并为增强布尔代数（数字逻辑电路背后的数学）的学习体验奠定基础。 什么是电气开关？ 电气开关是用于中断电路中电子流动的任何设备。开关本质上是二进制设备：它们要么完全打开（“关闭”），要么完全关闭（“打开”）。有许多不同类型的开关，我们将在本章中探讨其中的一些类型。 了解不同类型的开关 最简单的开关类型是通过执行机构的运动使两个电导

数字逻辑门电路是作为集成电路制造的：所有组成的晶体管和电阻器都构建在一块半导体材料上。使用少量门的工程师、技术人员或爱好者很可能会在 DIP（双列直插式封装）外壳中找到他或她需要的东西。 DIP 封闭式集成电路可提供偶数个引脚，彼此相距 0.100 英寸，以实现标准电路板布局兼容性。 DIP“芯片”的引脚数为 8、14、16、18 和 24。 部件号 这些 DIP 封装的零件编号指定了封闭的门类型和数量。这些部件号是行业标准，这意味着摩托罗拉制造的“74LS02”在功能上与飞兆半导体或任何其他制造商制造的“74LS02”相同。 部件号前面的字母代码是制造商独有的，不是行业标准代码。例如，

逻辑门的输入电压 逻辑门电路设计为仅输入和输出两种类型的信号：“高”(1) 和“低”(0)，由可变电压表示：“高”状态为全电源电压，“高”状态为零电压。 “低”状态。在一个完美的世界中，所有逻辑电路信号都将存在于这些极端电压限制下，并且永远不会偏离它们（即“高”低于全电压，或“低”高于零电压）。 然而，实际上，由于晶体管电路中的杂散电压下降，逻辑信号电压电平很少达到这些完美的限制，因此我们必须了解门电路的信号电平限制，因为它们试图解释位于之间的信号电压 全电源电压和零。 TTL 门输入的电压容限 TTL 门在 5 伏（+/- 0.25 伏）的标称电源电压下运行。理想情况下，TTL“高”

NAND 和 NOR 门拥有一个特殊的属性：它们是通用的。也就是说，给定足够多的门，任一类型的门都能够模仿任何其他门类型的操作。 例如，可以使用三个互连的与非门构建一个显示 OR 功能的电路。单一门类型能够模仿任何其他门类型的能力只有 NAND 和 NOR 才能享有。事实上，数字控制系统的设计只是围绕 NAND 或 NOR 门，所有必要的逻辑功能都来自互连的 NAND 或 NOR 的集合。 作为此属性的证明，本节将分为几个小节，说明如何仅使用 NAND 或仅使用 NOR 来形成所有基本门类型。 构造 NOT 函数 如您所见，使用与非门作为反相器的方法有两种，使用或非门作为反

互补输出门 有时需要一个逻辑门来提供反相和非反相输出。例如，一个既是缓冲器又是反相器的单输入门，每个功能都有一个单独的输出端。 或者，在单个电路中提供 AND 和 NAND 功能的双输入门。这种门确实存在，它们被称为互补输出门 . 这种门的一般符号系统是基本的门图形，带有一个条形和从它伸出的两条输出线。一组互补的门符号如下图所示： 互补门的使用 互补门在“拥挤”的电路中特别有用，在这些电路中可能没有足够的物理空间来安装使用标准门和附加反相器提供反相和非反相输出所需的附加集成电路芯片。它们也可用于需要从栅极提供互补输出的应用，但添加反相器会在反相输出中引入与非反相输出相关的

到目前为止，我们对晶体管逻辑电路的分析仅限于 TTL 设计范式，其中使用双极晶体管，并且浮动输入等效于“高”（连接到 Vcc）输入的一般策略 - 以及相应地，“集电极开路”输出级的允许 - 得以维持。然而，这并不是我们构建逻辑门的唯一方法。 场效应晶体管 场效应晶体管，尤其是绝缘栅晶体管，可用于门电路的设计。作为电压控制而不是电流控制的器件，IGFET 倾向于允许非常简单的电路设计。以以下使用 P 和 N 沟道 IGFET 构建的逆变器电路为例： 请注意正极电源端子上的“Vdd”标签。该标签遵循与 TTL 电路中的“Vcc”相同的约定：它代表施加到场效应晶体管漏极的恒定电压，以

TTL电路分析 让我们检查以下 TTL 电路并分析其操作： 晶体管 Q1 和 Q2 的排列方式与我们在所有其他 TTL 电路中看到的晶体管 Q1 的排列方式相同。 Q1 和 Q2 都用作双二极管“控制”网络，而不是用作放大器。我们可以用二极管组替换 Q1 和 Q2 以帮助说明： 如果输入 A 悬空（或连接到 Vcc），电流将通过晶体管 Q3 的基极，使其饱和。如果输入 A 接地，则该电流通过“Q1”的左转向二极管从 Q3 的基极转移，从而迫使 Q3 截止。输入 B 和晶体管 Q4 也可以这样说：输入 B 的逻辑电平决定 Q4 的导通：饱和或截止。 请注意晶体

假设我们修改了基本的集电极开路反相器电路，添加了第二个输入端子，就像第一个一样： 该原理图展示了一个真实的电路，但并不称为“双输入逆变器”。通过分析，我们会发现这个电路的逻辑功能是什么，相应的应该指定为什么。 正如逆变器和缓冲器的情况一样，标有“Q1”的“转向”二极管组实际上就像一个晶体管，即使它没有用于任何放大容量。不幸的是，简单的 NPN 晶体管结构不足以模拟 三个 该二极管网络中需要 PN 结，因此需要不同的晶体管（和符号）。 这个晶体管有一个集电极、一个基极和两个 发射器，在电路中，它看起来像这样： 在单输入（逆变器）电路中，将输入接地会导致输出呈现

逻辑门的使用 反相器和缓冲器耗尽了单输入门电路的可能性。除了缓冲或反转它之外，用单个逻辑信号还能做什么？为了探索更多的逻辑门可能性，我们必须在电路中添加更多的输入端子。 向逻辑门添加更多输入端子会增加输入状态可能性的数量。对于单输入门，例如反相器或缓冲器，只能有两种可能的输入状态：输入为“高”（1）或“低”（0）。 正如本章前面提到的，一个二输入门有四个 可能性（00、01、10 和 11）。三输入门有八个 输入状态的可能性（000、001、010、011、100、101、110和111）。 可能的输入状态的数量等于输入数量的 2 次方： 可能输入状态数量的增加显然允许

如果我们将两个反相门连接在一起，使一个的输出馈入另一个的输入，则两个反相函数将相互“抵消”，从而不会从输入到最终输出反相： 虽然这似乎是一件毫无意义的事情，但它确实有实际应用。请记住，门电路是信号放大器 ，无论它们可能执行什么逻辑功能。 弱信号源（无法向负载提供或吸收大量电流的信号源）可以通过两个逆变器（如上图中所示的一对）进行升压。逻辑电平不变，但如果需要，最终逆变器的全部电流源或灌电流能力可用于驱动负载电阻。 为此，一个称为缓冲区的特殊逻辑门 制造用于执行与两个逆变器相同的功能。它的符号只是一个三角形，输出端没有倒置的“气泡”： 集电极开路输出缓冲电路

前面说明的单晶体管反相器电路实际上太粗糙，不能作为门实际使用。真正的逆变器电路包含多个晶体管以最大化电压增益（以确保最终输出晶体管处于完全截止或完全饱和状态），以及其他旨在减少意外损坏机会的组件。 实用逆变器原理图 此处显示的是真实逆变器电路的示意图，其中包含高效可靠运行所需的所有组件： 该电路完全由电阻器、二极管和双极晶体管组成。请记住，其他电路设计也能够执行非门功能，包括用场效应晶体管代替双极的设计（本章稍后讨论）。 非门电路操作分析 高投入 让我们分析该电路的输入为“高”或二进制“1”状态的情况。我们可以通过显示通过开关连接到 Vcc 的输入端来模拟这一点： 在这

虽然二进制计数系统是一个有趣的数学抽象，但我们还没有看到它在电子产品中的实际应用。本章致力于：将二进制位的概念实际应用到电路中。 使二进制计数对数字电子学的应用如此重要的原因在于可以轻松地用物理术语表示位。因为一个二进制位只能有两个不同值中的一个，要么是 0，要么是 1，任何能够在两种饱和状态之间切换的物理介质都可以用来表示一个位。 因此，任何能够表示二进制位的物理系统都能够表示数字量，并且可能具有操纵这些数字的能力。这是数字计算的基本概念。 二进制和电子电路 晶体管二元运算 电子电路是非常适合表示二进制数的物理系统。晶体管在其偏置限制下工作时，可能处于两种不同状态之一：截止（无受控电

在电子学中学习和使用二进制计数系统的唯一原因是了解如何设计、构建和排除以数字形式表示和处理数字量的电路。 由于二进制位计数的二价（二值）系统很容易用“开”和“关”晶体管状态（分别为饱和和截止）来表示，因此设计和构建利用这一原理来执行的电路是有意义的二进制计算。 如果我们要构建一个表示二进制数的电路，我们就必须分配足够的晶体管电路来表示任意多的位。换句话说，在设计一个数字电路时，我们首先要决定我们希望能够表示多少位（最大），因为每一位都需要一个开/关电路来表示。 这类似于设计一个以数字方式表示十进制数的算盘：我们必须决定我们希望在这个原始的“计算器”设备中处理多少个数字，因为每个数字都需要

有符号二进制数的一个警告是溢出，其中加法或减法问题的答案超出了可以用分配的位数表示的幅度。记住符号位的位置从问题开始就固定了。 对于最后一个示例问题，我们使用五个二进制位来表示数字的大小，最左边（第六个）位作为负权重或符号位。用五位来表示幅度，我们的表示范围是 25 , 或从 0 到最大值的三十二个整数步长。 这意味着我们可以表示高达 +3110 (0111112) 或低至 -3210 (1000002) 的数字。 六位数字字段的限制 如果我们用两个二进制数设置一个加法问题，第六位用作符号，结果要么超过+3110，要么小于-3210，我们的答案将是错误的。让我们尝试将 1710 和

我们可以使用适用于十进制数的标准技术从另一个二进制数中减去一个二进制数（减去每个位对，从右到左，根据需要从位到左“借用”）。但是，如果我们能够利用已经熟悉（且更简单）的二元加减技术，那就更好了。 正如我们刚刚了解到的，我们可以通过使用“二进制补码”方法和负位权重位来表示负二进制数。在这里，我们将使用这些负二进制数进行加法减法。 这是一个示例问题： 减法：710 - 510 加法当量：710 + (-510) 如果我们需要做的只是以二进制（二进制补码）形式表示 7 和负 5，我们只需要三位加上负权位： 正七 =01112 负五 =10112 现在，让我们将它们加在一起

由于加法很容易完成，我们可以使用相同的技术简单地通过将其中一个数字设为负数来执行减法运算。例如，7-5的减法问题与7+(-5)的加法问题本质上是一样的。 既然我们已经知道如何用二进制表示正数，那么现在我们只需要知道如何表示它们的负数，我们就可以做减法了。 通常我们通过在最高有效数字的左侧直接放置一个减号来表示负十进制数，就像上面的例子一样，用 -5。然而，使用二进制符号的全部目的是构建可以用电压表示位值的开/关电路（2 个替代值：“高”或“低”）。 在这种情况下，我们没有像“减号”这样的第三个符号的奢侈，因为这些电路只能打开或关闭（两种可能的状态）。一种解决方案是保留一个位（电路），