实验名称

Proteus逻辑门演示实验

实验目的

我们都或多或少听过，整个电脑无论是图像、视频还是声音计算，最后都被当做0和1来处理，我们本文就来借助仿真软件Proteus，模拟出数字电路中的基础逻辑电路：与门(AND)、或门(OR)、与非门(NAND)和或非门(NOR)。

实验背景

终于经过2周的时间，《编码—隐匿在计算机软硬件背后的语言》这本书进入到了正式篇，本周的主要内容就是以数字电路为基础搭建加法器和减法器，这应该算是各种CPU数字电路的基础组成部分了，哪怕是苹果新发布得到A16，也脱离不了这种基本的硬件原理，版本的迭代更多是工艺上的进步，15nm到4nm，更多不同的是因为工艺的提升，带来单位面积上可以放置的晶体管数量的不同。但对于我们了解和学习计算机原理，A15/16显然不适合我们入门，反而是这种通过简单的开关、电源、继电器和小灯泡组成的小的电路，更有助于我们了解如何通过电路帮我们计算加法和减法，学习基本的计算机运行原理。

本文将通过电路仿真软件proteus，来模拟演示如何用小灯泡演示与门、或门、与非门和或非门电路。

基础知识

点亮一个小灯泡

实验介绍

相信在很多编程语言入门的时候，第一次编程实践课的内容都是用所学习的语言输出一个”Hello World!“，在我们硬件工程师的学习道路上，我们最开始面对的任务通常是点亮一个led灯。因此，点灯在硬件工程师成长道路上的重要性，基本上属于”Hello World!“级别的存在。

当然，我不是硬件工程师，所以接下来的各种电路图会有或多或少会不够严谨。我们更关注的是演示数字电路中的逻辑原理，因此，更多的是保证实验现象和逻辑上符合原理，至于上拉电阻或者其他之类的硬件问题，不在讨论之列。

实验目的

点亮一个小灯泡，熟悉小灯泡熄灭、点亮的现象。

实验准备

点亮1个灯泡我们这里一共用到了电池(battery)、开关(switch)、小灯泡(lamp)和若干导线。

实验过程

在实验中，我们可以看到，当开关按下的时候，小灯泡亮起；

当开关断开时，小灯泡熄灭。

认识继电器

实验介绍

继电器（Relay），也称电驿，是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

简单来说，继电器可以理解为一个可以通过电路控制的开关。

实验目的

认识继电器；
认识反相器

实验准备

这个实验，我们需要在点亮一个小灯泡实验材料中，增加一个继电器，来通过继电器控制小灯泡。

实验过程

首先，我们通过如下实验现象，可以观察到通过开关来控制继电器的通断，从而来控制小灯泡的亮灭。
接下来，我们对上述继电器的连线进行一点点改造，将BAT2的电源正极连接到继电器的常闭触点，这样，在我们继电器没有动作时，小灯泡会处于点亮状态，当继电器因左边开关闭合动作后，反而灯泡熄灭。这就是一个反向器。
如上图，我们可以观察到，左侧开关与小灯泡的状态刚好相反。就相当于一个反向器，开关的输入与输出相反。
开关小灯泡状态
按下熄灭
断开点亮

开关	小灯泡状态
按下	熄灭
断开	点亮

逻辑门电路

经过上边的介绍，我们基本上都熟悉了今天是实验现象，无非就是观察灯的亮灭。

接下来，我们来介绍我们本文要介绍数字电路中4个基本的逻辑电路，无论是苹果的FaceID面容识别还是高端的自动驾驶，在CPU的实现中，基本全部都被转换成了0和1组成的二进制数和这些基本的逻辑操作。今天我们就来了解它们吧。

与门

实验介绍

与门（英語：AND gate）是数字逻辑中实现逻辑与的逻辑门。仅当输入均为高电压（1）时，输出才为高電壓（1）；若输入中至多有一个高電壓时，则输出为低電壓。换句话说，与门的功能是得到两个二进制数的最小值，而或门的功能是得到两个二进制数的最大值。

实验现象

我们这里在Proteus搭建了一个简易的与门来模拟与门的实现，现象如下：

真值表

我们用真值表来反映逻辑门电路中输入与输出的关系，开关闭合描述为1、断开描述为0。

与门真值表如下：

AND	开关B的输入0	开关B的输入1
开关A的输入0	0	0
开关A的输入1	0	1

符号表

通过维基百科的描述，下列包括逻辑门的3种符号：形状特征型符号（ANSI/IEEE Std 91-1984）、IEC矩形国标（中国大陆）符号（IEC 60617-12）和不再使用的DIN符号（DIN 40700）。

或门

实验介绍

或门在维基百科描述如下：

或门（英語：OR gate）是数字逻辑中实现逻辑或的逻辑门，功能见右侧真值表。只要两个输入中至少有一个为高电平（1），则输出为高电平（1）；若两个输入均为低电平（0），输出才为低电平（0）。换句话说，或门的功能是得到两个二进制数的最大值，而与门的功能是得到两个二进制数的最小值。

实验现象

我们这里在Proteus搭建了一个简易的或门来模拟与门的实现，现象如下：

真值表

OR	开关B的输入0	开关B的输入1
开关A的输入0	0	1
开关A的输入1	1	1

符号表

在维基百科中或门的符号表描述如下：

下列包括逻辑门的3种符号：形状特征型符号（ANSI/IEEE Std 91-1984）、IEC矩形国标符号（IEC 60617-12）和不再使用的DIN符号（DIN 40700）。其他的逻辑门符号见逻辑门符号表。

与非门

实验介绍

与非门在维基百科描述如下：

与非门（英語：NAND gate）是数字逻辑中实现逻辑与非的逻辑门。若输入均为高电平（1），则输出为低电平（0）；若输入中至少有一个为低电平（0），则输出为高电平（1）。与非门是一种通用的逻辑门，因为任何布尔函数都能用与非门实现。

实验现象

与非门根据字面意思来看就是在与门的基础上取反，用到了我们前边的反向器。同样地，我们也搭建了一个简单的电路：

真值表

NAND	开关B的输入0	开关B的输入1
开关A的输入0	1	1
开关A的输入1	1	0

符号表

在维基百科中或门的符号表描述如下：

或非门

实验介绍

或非门是我们本文介绍的最后一个逻辑门电路，它在维基百科中介绍如下：

或非门（英語：NOR gate）是数字逻辑中实现逻辑或非的逻辑门。若输入均为低电平（0），则输出为高电平（1）；若输入中至少有一个为高电平（1），则输出为低电平（0）。或非是逻辑或加逻辑非得到的结果。或非是一种具有函数完备性的运算，因此其他任何逻辑函数都能用或非门实现。相比之下，逻辑或运算器是一种单调的运算器，其只能将低电平变为高电平，但不能将高电平变为低电平。