巧用一片CD4011组装七种逻辑门电路

巧用一片CD4011组装七种逻辑门电路
陕西汉中宇星电力电子学校郭秦汉
笔者用一块CD4011(四2与非门)和少量的外围元件，用三组电路分别制作了与非门、非门、与门、或非门、或门以及与或非门和异或门电路，经实验效果很好。

后来用此方法辅导学生制作，使学生对逻辑门电路应用有了初步的认识，对门电路的变通使用有了新的理解，增强了学生用学过的知识解决问题的能力，提高了学习兴趣。

现把制作方法介绍给大家，供参考。

一、五种基本门电路制作
CD4011内部结构如图1所示。

此IC工作电压范围宽(3V～18V)，且不易损坏。

笔者在做试验时，将一块IC反复拆装测试数次，依然完好。

1．组装与非门电路
只要将电源接通，给输入端加上高电平或低电平，就可以直接测量其逻辑状态。

2．要组成与门电路，根据上述原理
只需在输入端加一级非门。

在实际运用中，把与非门两个输入端并联，就把与非门改成了非门
如图2所示。

3．或非门用两只二极管和一个电阻，组成或门电路，用两个与非门改装的非门，用来对小信号进行放大，组成或非门电路。

表达式为：
逻辑图见图3所示。

具体电路如图4所示。

＆1、＆2组成与门电路，VD2、VD3和＆3、＆4组成或门电路，IC工作电压为DC9V，○14脚接电源正极，⑦脚接负极，VD1用于防止电源极性接反。

C为滤波电容，R3、R4为下拉电阻。

为了简化测试操作过程，将A、B端直接置0，即A=0、B=0，R1、R2为高电平输入信号源，如将其输出端接A或B，都可以使原来的状态发生改变，成为高电平。

与门、或门的输出端Y都接有发光二极管和限流电阻，用来显示输出状态。

输出高电平时，LED亮，输出低电平时，LED灭。

在测试中，可按照真值表要求，在A、B端输入电平，根据对应的LED亮为1，灭为0填入表格，完成对门电路的测试。

如需测试非门电路，可以将IC的④脚与LED的连接点断开而改接到或门电路⑩、⑥、⑩脚的连接处，在VD2、VD3输入高电平，便可以在检测或非门和或门的逻辑功能的同时，观察到＆4的输入和输出电平，总是一高一低，两只LED一亮一灭，其逻辑功能符合逻辑函数表达式：
如要测试与非门和或非门的逻辑功能，只需将与门端接④脚LED1正端拆下，改接到③脚上。

或门端○11脚接LED2正端改接⑩脚，其余不变。

按真值表要求从A、B端输入电平，观察与之对应的电路发光二极管的亮灭，将结果填入真值表中。

图5为用万能板组装电路时，元件的布列和接线图，供学生在组装时参考。

图中的虚线表示用跳线连接。

在A、B端和R1、R2带箭头端要引出短引线，以方便在测试中连接使用。

二、组装与或非门
用两个与非门串接两个非门，然后经或非门输出的方案，显然无法用一块
CD4011完成。

怎样用四个与非门组成与或非门呢?笔者根据摩根定律
解决了这个问题。

逻辑图见图6。

其逻辑表达式为：
从演变结果来看，依然和与或非门的逻辑函数表达式无异。

电路如图7所示。

其电路原理为：当A、B和C、D两组输入端均有低电平0时，根据与非门的逻辑功能：有0出1、全1出0，＆1、＆2输出均为高电平，＆3输出为低电平，＆4输出高电平，LED亮。

假设在一组输入端输入高电平，其输出端为低电平，那么由于＆3输入端有0出端必然为高电平1，＆输出低电平，LED灭。

其逻辑功能为：一组全1出0、各组有0出1，和与或非门功能相同。

图8为组装参考图，安装介绍同前，试验按真值表内容测试。

三、组装异或门
首先，根据异或门的逻辑功能：同出0、异出1，画出逻辑图如图9，其逻辑表达式为：
用CD4011组装，少一个与非门，用两只二极管组成与门电路，仍然缺一个非门。

为了让LED显示异或门的逻辑功能，采用将LED正极接电源正极的方法：只要＆3、＆4任意端输出低电平，LED亮；如果两个输出端均为高电平，LED灭，电路如图10所示，实际输出电平与原设定显示输出反相。

这样做虽然有缺陷，但从演示中可以使学生体会到，在某些特定的条件下，把负载与电源连接换一种接法，使其工作状态发生翻转，也能达到同样的控制目的。

电路原理为：用＆1、＆2组成两个非门，串接在与非门＆3、＆4输入电路中，使A、B输入端成为两路互补输入。

＆3、＆4输出端分别接VD2、VD3的负端，两只二极管的正端连在一起和LED、R5组成与门电路。

如果A、B端同为0或1，由于串有非门，两个与非门输入端每组都是0和1，两个输出端必然有一组输出为0，另一组为1。

从Y点看，其逻辑表达式为
其逻辑功能为：同出1、异出0，与异或门的逻辑功能相反。

由于LED正极接在电源正极，负极通过限流电阻接Y点，对发光二极管来说：Y=1，LED1两端同电位灭；Y=0，LED两端有电位差亮。

显然与前两种设置的状态相反。

如果沿用LED亮为1，灭为0，此负载有非的作用，电路依然能完成显示异或门的逻辑功能。

图11为组装参考图，测试依然按真值表要求做，此处不再重复。

四、组装后的思考
看了用CD4011组装七种逻辑门电路，也许会有人问：这样做，把简单的问题搞复杂了，有必要吗?
组装中由简到繁的过程，也是化简电路的逆过程，通过反向思维，可以总结出把复杂电路化为简的方法。

这样的练习，对学生组合逻辑电路来说，无疑是有帮助的。

在生产实际中，如某一个电路要用一个与门、一个与非门、一个或非门电路，难道必须买几片IC，岂不是很浪费?采用变通的方法，用一块IC搞定，也是一种节约。

在数字电路实验中，大多数实验项目都是用专用的IC，放在数字电路学习机中测试，学生只知道按要求去测量，再把结果填在实验表中，这样不利于学生灵活运用知识，实验效果也不一定好。

如果由教师提出课题，给学生一些必要的辅导与提示，让学生开动脑筋，自己动手设计组装电路，在实验过程中发现问题，运用学过的知识来解决问题。

这样做对培养学生掌握灵活运用知识的能力，逐步建立创新意识，是大有帮助的。