逻辑门电路Multisim电路仿真汇总——硬件工程师笔记

目录

[1 基础知识](#1 基础知识)

[1.1 基本逻辑门](#1.1 基本逻辑门)

[1.2 复合逻辑门](#1.2 复合逻辑门)

[1.3 逻辑门的实现方式](#1.3 逻辑门的实现方式)

[1.4 逻辑门的应用](#1.4 逻辑门的应用)

[1.5 逻辑门的组合与扩展](#1.5 逻辑门的组合与扩展)

[1.6 布尔代数基本定律](#1.6 布尔代数基本定律)

[2 multisim仿真实验](#2 multisim仿真实验)

[2.1 逻辑门---与门](#2.1 逻辑门—与门)

[2.2 逻辑门---或门](#2.2 逻辑门—或门)

[2.3 逻辑门---非门](#2.3 逻辑门—非门)

[2.4 逻辑门---与非门](#2.4 逻辑门—与非门)

[2.4.1 TTL与非门电路结构](#2.4.1 TTL与非门电路结构)

[2.4.2 TTL与非门原理](#2.4.2 TTL与非门原理)

[2.4.3 CMOS与非门电路结构](#2.4.3 CMOS与非门电路结构)

[2.4.4 CMOS与非门电路原理](#2.4.4 CMOS与非门电路原理)

[2.4.5 与非门测试](#2.4.5 与非门测试)

[2.5 逻辑门---或非门](#2.5 逻辑门—或非门)

[2.5.1 TTL或非门的电路结构](#2.5.1 TTL或非门的电路结构)

[2.5.2 TTL或非门原理](#2.5.2 TTL或非门原理)

[2.5.3 CMOS或非门的电路结构](#2.5.3 CMOS或非门的电路结构)

[2.6 逻辑门---同或门](#2.6 逻辑门—同或门)

[2.7 逻辑门---异或门](#2.7 逻辑门—异或门)

[2.8 逻辑门---与或非门](#2.8 逻辑门—与或非门)

[2.9 逻辑变换器实现真值表和逻辑函数转换​编辑](#2.9 逻辑变换器实现真值表和逻辑函数转换编辑)

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1 基础知识

逻辑门是数字电路中最基本的构建单元,用于实现布尔代数的基本逻辑运算。能够通过输入信号的组合来产生特定的输出信号,是构建复杂数字系统(如计算机、通信设备等)的基础。

1.1 基本逻辑门

逻辑门主要基于布尔代数的三种基本运算:与(AND)、或(OR)、非(NOT)。以下是这三种基本逻辑门的介绍:

(1 )与门(AND Gate

功能:只有当所有输入信号都为高电平(逻辑1)时,输出才为高电平(逻辑1)。否则,输出为低电平(逻辑0)。

真值表:

|---------|---------|---------|
| 输入A | 输入B | 输出Y |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |

(2 )或门(OR Gate

功能:只要有一个输入信号为高电平(逻辑1),输出就为高电平(逻辑1)。只有当所有输入信号都为低电平(逻辑0)时,输出才为低电平(逻辑0)。

真值表:

|---------|---------|---------|
| 输入A | 输入B | 输出Y |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 |

(3 )非门(NOT Gate

功能:非门只有一个输入和一个输出。它将输入信号取反,即输入为高电平时输出为低电平,输入为低电平时输出为高电平。

真值表:

|---------|---------|
| 输入A | 输出Y |
| 0 | 1 |
| 1 | 0 |

1.2 复合逻辑门

除了基本逻辑门之外,还有一些复合逻辑门,它们由基本逻辑门组合而成,用于实现更复杂的逻辑功能。

(1 )与非门(NAND Gate

功能:与门的输出再经过非门处理。只有当所有输入都为高电平时,输出才为低电平;否则输出为高电平。

真值表:

|---------|---------|---------|
| 输入A | 输入B | 输出Y |
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |

(2 )或非门(NOR Gate

功能:或门的输出再经过非门处理。只有当所有输入都为低电平时,输出才为高电平;否则输出为低电平。

真值表:

|---------|---------|---------|
| 输入A | 输入B | 输出Y |
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 |

(3 )异或门(XOR Gate

功能:当两个输入信号不同时,输出为高电平;当两个输入信号相同时,输出为低电平。

真值表:

|---------|---------|---------|
| 输入A | 输入B | 输出Y |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |

(4 )同或门(XNOR Gate

功能:异或门的输出再经过非门处理。当两个输入信号相同时,输出为高电平;当两个输入信号不同时,输出为低电平。

真值表:

|---------|---------|---------|
| 输入A | 输入B | 输出Y |
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |

1.3 逻辑门的实现方式

逻辑门可以通过多种方式实现,常见的有:

**分立元件实现:**使用晶体管、电阻等分立元件构建逻辑门。

**集成电路实现:**使用TTL(晶体管晶体管逻辑)、CMOS(互补金属氧化物半导体)等集成电路技术实现逻辑门。

可编程逻辑器件(PLD **):**如FPGA(现场可编程门阵列)和CPLD(复杂可编程逻辑器件),可以通过编程实现各种逻辑功能。

1.4 逻辑门的应用

逻辑门是构建数字电路的基础,广泛应用于以下领域:

计算机系统:用于构建CPU、存储器、输入输出接口等。

通信系统:用于信号处理、编码解码等。

消费电子:如数字电视、音响设备等。

工业控制:用于自动化控制系统、传感器信号处理等。

1.5 逻辑门的组合与扩展

通过组合多个逻辑门,可以实现更复杂的逻辑功能。例如:

半加器:由一个与门和一个异或门组成,用于实现两个单比特数的加法。

全加器:由多个半加器和逻辑门组成,用于实现多位数的加法。

编码器、译码器:用于信号的编码和解码。

寄存器、计数器:用于存储数据和计数功能。

1.6 布尔代数基本定律

2 multisim仿真实验

2.1 逻辑门---与门

真值表如上1.1所示

如上图左图所示,图中使用灯泡X1作为输出,开关A和B同时闭合时灯泡点亮,实现与门逻辑电路。

如上图右图所示,图中使用灯泡X2作为输出,开关C和开关D控制灯泡X3和X4接受的负载电压,当灯泡X3和X4同时点亮时,输出X2也被点亮,实现与门逻辑。

2.2 逻辑门---或门

真值表如上1.1所示

如上图左图所示,图中使用灯泡X4作为输出,开关A和B同时断开时灯泡不被点亮,实现或门逻辑电路。

如上图右图所示,图中使用灯泡X3作为输出,开关C和开关D控制灯泡X1和X2接受的负载电压,当灯泡X3和X4至少一个灯点亮时,输出X3就可以点亮,实现或门逻辑。

2.3 逻辑门---非门

真值表如上1.1所示

如上图左图所示,图中使用灯泡X1作为输出,开关A闭合时灯泡不被点亮,实现非门逻辑电路。

如上图右图所示,图中使用灯泡X2作为输出,开关B控制灯泡X3和X2接受的负载电压,其中灯泡X3和X2状态相反,实现非门逻辑。

2.4 逻辑门---与非门

真值表如上1.2所示

如上图所示,通过开关A和开关B的通断作为信号输入,实现与非门逻辑电路,当X1和X2灯泡中有任意一个小灯不亮时,输出X3小灯都会得到高电平,表示与非门逻辑。

如上图所示,使用TTL实现与非门逻辑电路,其表现同上所述,

TTL(晶体管-晶体管逻辑)电路是一种常见的数字集成电路技术,它利用双极型晶体管(BJT)来实现逻辑功能。

2.4.1 TTL与非门电路结构

TTL与非门的基本电路结构通常包括输入级、中间级和输出级。以下是其主要组成部分:

(1 )输入级

输入级通常由多个晶体管组成,这些晶体管的基极连接输入信号。输入级的作用是将输入信号进行初步处理,并为后续的中间级提供合适的信号。例如,在多输入的TTL与非门中,输入级的晶体管会形成一个"线与"结构,只有当所有输入均为高电平时,输入级才会导通。

(2 )中间级

中间级通常由一个或多个晶体管组成,其作用是放大输入信号并进行逻辑运算。中间级的晶体管通常工作在饱和或截止状态,以实现开关功能。

(3 )输出级

输出级是TTL与非门的关键部分,它通常由一个推挽电路组成,包括一个NPN晶体管和一个PNP晶体管。推挽电路的作用是提供足够的驱动能力,以驱动后续的负载电路。当输入信号为高电平时,输出级的NPN晶体管导通,输出低电平;当输入信号为低电平时,PNP晶体管导通,输出高电平。

2.4.2 TTL与非门原理

(1 )电路组成

输入级:由两个NPN晶体管(Q1和Q5)组成,它们的基极分别连接输入信号A和B。

中间级:由一个NPN晶体管(Q2)组成,其基极与输入级的集电极相连。

输出级:由一个推挽电路组成,包括一个NPN晶体管(如Q4)和一个PNP晶体管(如Q3)。

(2 )工作原理

当输入A和B均为高电平时,Q1和Q2导通,Q3的基极被拉低,Q3截止。此时,Q4的基极也被拉低,Q4截止,Q5导通,输出Y为高电平。

当输入A或B中有一个为低电平时,Q1或Q2截止,Q3的基极被拉高,Q3导通。此时,Q4的基极被拉高,Q4导通,Q5截止,输出Y为低电平。

如上图所示,使用M0S管实现与非门逻辑电路,其表现同上所述,

2.4.3 CMOS与非门电路结构

CMOS与非门通常由NMOS管和PMOS管组成,利用NMOS管的导通特性实现逻辑"与"操作,利用PMOS管的导通特性实现逻辑"非"操作。以下是基于CMOS工艺实现的两输入与非门电路结构:

(1 )电路组成

NMOS 部分:两个NMOS管(Q2和Q4)串联,其源极接地,漏极连接输出节点。

PMOS 部分:两个PMOS管(Q1和Q3)并联,其源极连接电源(VCC),漏极连接输出节点。

输入连接

NMOS管Q2的栅极连接输入A,Q4的栅极连接输入B。

PMOS管Q1的栅极连接输入A,Q3的栅极连接输入B。

2.4.4 CMOS与非门电路原理

NMOS 部分

当输入A和B均为高电平时(逻辑1),NMOS管M1和M2均导通,形成从地到输出节点的通路,输出Y为低电平(逻辑0)。

当输入A或B中有一个为低电平时(逻辑0),NMOS管M1或M2截止,无法形成通路,输出Y为高电平(逻辑1)。

PMOS 部分

当输入A和B均为高电平时(逻辑1),PMOS管M3和M4均截止,输出Y由NMOS部分决定。

当输入A或B中有一个为低电平时(逻辑0),PMOS管M3或M4导通,形成从电源VDD到输出节点的通路,输出Y为高电平(逻辑1)。

2.4.5 与非门测试

如上图所示,通过字发生器实现输入的排列组合,完成与非门的输入输出组合。

2.5 逻辑门---或非门

真值表如上1.2所述

如上图所示,通过开关A和开关B的通断作为信号输入,实现或非门逻辑电路,当X2和X3灯泡都不亮时,输出X1小灯都会得到高电平,表示或非门逻辑。

如上图所示,使用TTL实现或非门逻辑电路,其表现同上所述,

TTL或非门的核心是利用晶体管的开关特性来实现逻辑运算。TTL电路通过晶体管的导通和截止状态来控制电流的流动,从而实现逻辑功能。

2.5.1 TTL或非门的电路结构

TTL或非门的电路结构通常包括输入级、中间级和输出级。

(1 )输入级

输入级由多个NPN晶体管组成,这些晶体管的发射极连接在一起,形成一个"线或"结构。当任何一个输入为高电平时,对应的晶体管导通,拉低中间级的电平。

(2 )中间级

中间级通常由一个NPN晶体管组成,其基极连接输入级的输出。当输入级的输出为低电平时,中间级的晶体管导通;否则截止。

(3 )输出级

输出级是一个推挽电路,由一个NPN晶体管和一个PNP晶体管组成。当中间级的晶体管导通时,输出低电平;否则输出高电平。

2.5.2 TTL或非门原理

(1 )电路组成

输入级:由两个NPN晶体管(Q1和Q5)组成,其发射极连接在一起,集电极分别连接电源。

中间级:由两个NPN晶体管(Q2和Q6)组成,其基极连接输入级的输出。

输出级:由一个推挽电路组成,包括一个NPN晶体管(Q3)和一个PNP晶体管(Q4)。

(2 )电路原理

当输入A和B均为低电平时,Q1和Q5均截止,Q2和Q6的基极通过电阻上拉到高电平,Q2和Q6导通,Q3截止,Q4导通,输出Y为高电平。

当输入A或B中有一个为高电平时,对应的晶体管(Q1或Q5)导通,拉低Q2和Q6的基极电平,Q2和Q6截止,Q3导通,Q4截止,输出Y为低电平。

2.5.3 CMOS或非门的电路结构

CMOS或非门的电路结构由NMOS和PMOS管组成

(1 )NMOS 部分

NMOS 管的连接方式:两个NMOS管(Q2和Q4)并联,其源极接地,漏极连接输出节点。

NMOS 管的作用:当输入A或B中有一个为高电平时,对应的NMOS管导通,形成从地到输出节点的通路,输出为低电平。

(2 )PMOS 部分

PMOS 管的连接方式:两个PMOS管(Q1和Q3)串联,其源极连接电源(VDD),漏极连接输出节点。

PMOS 管的作用:当输入A和B均为低电平时,两个PMOS管均导通,形成从电源到输出节点的通路,输出为高电平。

2.6 逻辑门---同或门

真值表如上1.2所示

如上图所示,当输入A和B均为高电平时,输出为高电平,实现同或门逻辑电路。

2.7 逻辑门---异或门

真值表如上1.2所示

如上图所示,当输入A和B相同电平时,输出为低电平,实现异或门逻辑电路。

TTL异或门可以通过组合多个基本逻辑门(如与门、或门、非门)来实现。常见的实现方法是利用与非门(NAND Gate)或或非门(NOR Gate)来构建异或门,因为TTL电路中这些基本逻辑门更容易实现。

2.8 逻辑门---与或非门

真值表如上1.2所示

当输入A、B、C、D均为低电平时输出为高电平,输入A、B或C、D中任意一个输入高电平,输出也为高电平,实现与或非门电路。

2.9 逻辑变换器实现真值表和逻辑函数转换

如上图所示,最左侧为逻辑门电路,右侧为真值表和变换方式,使用逻辑变换器时,点击最右侧第二个按钮就可以实现真值表与逻辑函数的转换,转换结果在逻辑变换器下方。

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