数字门电路功能演示教具的设计开发

【摘 要】设计一个数字门电路逻辑功能演示实验教具，该教具将TTL系列或者CMOS系列门电路的逻辑功能可通过LED发光管显示的方式；数码管显示高、低电平的方式；以及由振荡器、计数器组成的流水灯显示三种方式联用进行输出状态的演示。该演示教具新颖独特、便于仿真、利于安装、生动活泼、效果良好，这种利用译码器、数码管、振荡器、计数器组成的演示教具，巧妙组合显示各种门电路逻辑功能的方法，很具有创新性，对学生初学数字电路基础知识，有一个感性的认识，便于学生对数字电路基础知识的理解和掌握。

【关键词】CMOS门电路；TTL门电路；数码管；流水灯；演示教具；LED

当今电子工业发展迅速，各种数字集成电路相继问世，各种门电路以其优良的性能成为数字电路的基本逻辑单元，掌握门电路的逻辑功能，是学习数字电路的基础，对正确使用数字集成电路是十分必要的。为此我们利用有关数字集成电路设计了一套虚拟的门电路逻辑功能模拟演示实验教具，它可以把各种门电路逻辑功能具体生动的进行演示，使学生能够更快更好的理解掌握门电路的逻辑功能[1]。

本文所设计的这个演示教具，它是由COMS门电路的集成块、译码器74LS48D、数码管显示器LG5011AH、NE555组成的多谐振荡器、十进制计数器CD4017，再加上4只LED组联用构成。当门电路的输出端为高电平时，输出回路端LED指示灯亮，多谐振荡器以及计数器工作，此时促使一组4只LED依次发光，模拟输出电路中有电流流动；与此同时驱动器使得数码管LG5011AH显示器显示“1”；而当输出端为“0”时，输出回路端LED指示灯暗，一组4只LED不会流动发光，同时数码管LG5011AH显示器显示“0”。这样直观生动的把各种COMS门电路的功能特性演示给学生，从而使学生对门电路的功能留下深刻的印象，便于理解和记忆[2]。

1 几种门电路的功能介绍

下面以最常用的非门、与非门、 异或门为例、将其主要逻辑功能以及真值表作一简单介绍。

（1）在实验电路板上用集成块连接一个非门测试电路，按非门真值表中要求设置非门符号图中输入端的状态，观查输出端的状态，应符合逻辑关系式： ，图1是非门电路的真值表及符号图[1]。

（a） 真值表 （b） 符号图

图1 非门真值表及符号图

（2）在实验电路板上用集成块连接一个与非门测试电路，按与非门真值中要求设置符号图中与非门输入端的状态，观查演示教具输出端的状态，应符合逻辑关系式： ，图2是与非门电路真值表及符号图。

（a） 真值表 （b） 符号图

图2 四2输入与非门真值表、符号图

（3）在实验电路板上用集成块连接一个异或门门测试电路，按异或门真值表中要求设置异或门符号图输入端的状态，观查演示教具输出端的状态，应符合逻辑关系式： ，图3是异或门真值表及符号图。

（a） 真值表 （b）符号图

图3 四2输入异或门真值表、符号图

2 所用其它控制电路的简介

（1） NE555的简介

（a）管脚图 （b） 555构成多谐振荡器 （C） 多谐振荡器的波形图

图4 NE555的管脚图及组成的多谐振荡器与波形图

如图4（b）所示由NE555及少量外接元件R1、R2、C构成了多谐振荡器，图4（c）是其测试波形，本教具主要利用NE555多谐振荡器，输出较低频率的方波，作为CD4017的CP脉冲[3-4]。

输出波形的时间参数计算公式是： T= 、 =0.7（R1+R2）C、 =0.7R2C

其中， 为VC由 上升到 所需的时间， 为电容C放电所需的时间，如果我们调节R2及C的值，其输出频率可以在几赫兹到几千赫兹范围内变化，我们可以调节一个几赫兹到十几赫兹的频率，使输出端4只发光管按振荡器频率大小像流水灯那样闪动。

（2）CD4017简介

CD4017是按BCD计数/时序译码器组成的分配器，其引脚与测试波形图如图5所示。CP为时钟输入端；Q0-Q9是10个顺序输出脉冲。本教具将Q3接复位端，利用计数器4个顺序输出脉冲带动的4只LED依次发光模拟输出端高电平时有电流在流动。

（a） 管脚图 （b） 波形图

图5是CD4017的管脚图及输出波形图

（3）74LS48D 、LG5011AH的简介

74LS48D芯片是一种常用的七段数码管译码驱动器。其输入端是四位二进制信号（8421BCD码），0A、0B、0C、0D、0E、0F、0G是输出驱动信号，其管脚图见图7 （a）， LG5011AH是一个共阴极数码管显示器，在各种数字系统中，都需要将数字量直观的显示出来，供人们直接读取数据和结果。数码显示管有多种：本文采用的是共阴极分段式发光二极管显示器，可将74LS48D 的0A、0B、0C、0D、0E、0F、0G输出信号与数码管LG5011AH对应的a、b、c、d、e、f、g直接相连。图7（b） （c）分别是其共阴极七段数码管LG5011AH显示原理图及管脚图[6]。

（a） 74LS48D管脚图

（b） LG5011AH显示原理图 （c） LG5011AH管脚图

图7 74LS48D、 LG5011AH显示器原理图及管脚图

3 门电路模拟演示实验教具的仿真设计

（1）电路的方框图设计

如图8是模拟教具的电路设计方框图，

图8 门电路演示教具的设计框图

（2）元器件的选择及相应电路参数

Vcc选用5V电源；总开关S0A、门电路输出开关S1A、S2A、S3A选用单刀单掷开关；门电路输入开关S4、S5选用单刀双掷开关；非门U1A选用74LS04D，与非门U2A选用74LS00D，异或门U3A选用74LS86D。译码驱动器U4选用74LS48D；数码管U5选用LG5011AH共阴极七段数码显示器；谐振电路U6选用NE555；计数/译码器U7选用CD4017；LED1组、LED2指示灯选用红色高亮发光二极管。

（3）用multisim绘画电路及仿真演示非门功能

图9是以74LS04D非门电路为例演示的输入为高电平“1”时，输出为低电平“0”的仿真图，图10是以74LS04D非门电路为例演示的输入为低电平“0”，输出为高电平“1”的仿真图，其它门电路的演示方法类似，这里就不一一演示[8-9]。

图9 非门输入高电平输出低电平的仿真演示

图10 非门输入低电平输出高电平的仿真演示

（4）电路工作原理简介

电路如图9和图10所示[10]，闭合电源开关S0A之前设置其它开关都处于断开状态。闭合S0A后，再闭合S1A（S1A―S3A为各个门电路的输出开关，在同一时刻只能有一个是导通的），

①拨动S4使得非门的输入为高电平“1”，则非门输出为低电平“0”，驱动器的输入端D，C，B，A均为低电平“0”，所以驱动器输出为a=1；b=1；c=1；d=1；e=1；f=1；g=0，也就是说只有数码管中间那一段不亮，所以数码管显示为“0”。同时由于555谐振电路和4017计数器的VCC是由门电路的输出信号提供的，所以，NE555和CD4017都不工作，此时LED1组就不会流动发光，LED2指示灯暗。这样就直观的通过数码显示器显示为0、NE555不震荡4017输出端LED1组没有流动显示、LED2指示灯暗三种方式同时反映了非门的输出为低电平“0”的演示效果。

②若再拨动S4使得非门的输入为低电平“0”， 则非门输出为高电平“1”，驱动端D，C，B，均为低电平而A为高电平，驱动器的输出为a=0；b=1；c=1；d=0；e=0；f=0；g=0，所以数码管显示为1。同时NE555和CD4017均工作，所以10只LED1组灯以流水形式闪烁，象征输出回路有电流流动，LED2指示灯亮，同样通过三种方式直观的显示了非门的输出与输入的逻辑关系。

4 门电路模拟演示实验教具的设计安装

（1）图11是门电路模拟演示实验教具的制作设计框图