2019-2020学年高中物理 第3章 从电表电路到集成电路 5 逻辑电路与集成电路学案 沪科版选修3-1VIP

逻辑电路与集成电路1.知道逻辑电路是由哪几种门电路构成，几种门电路各自对应的逻辑关系是什么(重点)2.通过实例了解逻辑电路的应用3.了解何谓集成电路以及集成电路的应用一、逻辑电路1“与”门电路：如果一个事件和几个条件相联系，当这几个条件都满足后，该事件才能发生，这种关系叫做“与”逻辑关系，具有这种逻辑关系的电路称为“与”门电路，简称“与”门如右图所示2“或”门电路：如果几个条件中，只要有一个条件满足，事件就会发生，这种关系叫“或”逻辑关系，具有这种逻辑关系的电路叫“或”门电路，简称“或”门如右图所示3“非门”电路：如果条件满足时事件不能发生，而条件不满足时，事件就能发生，即输出状态和输入状态呈相反的逻辑关系，这种关系叫“非”逻辑关系，具有这种逻辑关系的电路叫“非”门如右图所示二、逻辑电路的应用1生活中的声控、光控开关，这种灯的打开条件是，在无光的条件下，当有声音发出时，灯的开关被打开，这应该是“与”逻辑关系2电热水器中水箱水位水温的自动控制是由分别接入的水位传感器和温度传感器完成的，只有当水箱充满水而且水温低于某一温度时，才接通电路给水加热，这是一个“与”门电路3简单的车门报警器是只要不是按常规打开车门，就会报警，接入的逻辑电路应是：“或”门电路，因车有多个车门三、集成电路1自真空电子管发明以来，电子器件的发展经历了五代第一代为电子管，第二代为晶体管，第三代为集成电路，第四代为大规模集成电路，第五代为超大规模集成电路2集成电路是将二极管、三极管、电阻和电容等元件，按照电路结构的要求制作在一小块半导体材料上，形成一个完整的、具有一定功能并经过封装而制成的电路3集成电路与由分立元件组装的普通电路相比，具有重量轻、体积小、性能好和省电等多项明显优势 三种门电路的对比学案导引1.逻辑电路的最基本构成是什么？2.怎样判断“与”“或”“非”门？门电路种类类比电路图逻辑关系“与”门两个开关都闭合是灯亮的充分必要条件，逻辑关系可示意为c“或”门两个开关都闭合是灯亮的充分但不必要条件，逻辑关系可示意为“非”门逻辑关系表示为ac，c表示结果成立，c表示结果不成立如图所示为三个基本逻辑电路的符号，a输入端全为“1”，b输入端全为“0”以下判断正确的是()a甲为“非”逻辑电路符号，输出为“1”b乙为“或”逻辑电路符号，输出为“1”c乙为“与”逻辑电路符号，输出为“0”d丙为“与”逻辑电路符号，输出为“1”解析根据门电路的符号特点可知，甲为“非”逻辑电路符号，a输入端为“1”时，输出为“0”，a错；乙为“或”逻辑电路符号，a输入端为“1”，b输入端为“0”时，输出为“1”，b对，c错；丙为“与”逻辑电路符号，a输入端为“1”，b输入端为“0”时，输出为“0”，d错答案b分析逻辑电路时应注意(1)熟记“与”“或”“非”三种门电路的逻辑关系； (2)准确分析条件与结果之间的逻辑关系；(3)根据门电路的特点正确填写真值表.1.在登录你的电子信箱(或qq)的过程中，要有两个条件，一个是用户名，一个是与用户名对应的密码，要完成这个事件(登录成功)，它们所体现的逻辑关系为()a“与”关系b“或”关系c“非”关系 d不存在逻辑关系解析：选a当几个条件同时具备才能出现某一结果时，这些条件与结果之间的关系称为“与”逻辑关系在登录电子信箱时，只有用户名和对应的密码同时正确才能成功，反映的逻辑关系是yab，所以为“与”逻辑关系基本门电路的符号与真值表1“与”门符号如图所示： “与”门的真值表输入结果abz0000101001112.“或”门符号如图所示：“或”门的真值表输入结果abz0111010001113.“非”门符号如图所示： “非”门的真值表输入结果az0110(1)条件成立或结果成立对应逻辑门电路中的“1”，相反时对应“0”.“1”“0”是逻辑关系中的两种取值，不表示具体数字.(2)逻辑“1”和“0”的确定“1”“0”是分别代表两种相反状态的代码，如开关的断开代表“0”的状态，则接通就代表“1”的状态，对逻辑电路的输入、输出来说，一般是高电压为“1”，低电压为“0”；对具体的数字电路来说，电压高于某一值时为“1”，低于某一值时为“0”.如图所示，表示输入端a、b的电势随时间的变化关系，完成下题.求：“与”门电路的输出电压z随时间变化的关系.思路点拨 一般情况下，用“1”来表示高电位，“0”表示低电位，只有正确地列出真值表，找出a、b的逻辑关系，才能列出z的真值表，画出uz随时间变化的关系.解析先作出a、b、z的真值表，然后再确定输出z与时间的变化关系a(ua)b(ub)z111100010111000111010010100所以uz随时间变化如图所示：答案见解析写真值表应注意：(1) “与”门电路特点“与”门反映的逻辑关系：zab；输入端均为“1”时，输出端为“1”.(2) “或”门电路特点“或”门反映的逻辑关系：zab；只要两输入端之和1，则输出一定为“1”.(3) “非”门电路特点“非”门反映的逻辑关系：za；“非”门只有一个输入端，输出跟输入恰好相反，故“非”门电路也叫反相器. 2.门电路的真值表如下，它是()输入输出abq000010100111a“或”门电路b“非”门电路c“与”门电路 d“与非”门电路解析：选c由真值表可看出只有相关联的条件都满足后，事件才能发生，故是“与”逻辑关系，门电路为“与”门电路，选项c正确.逻辑电路的实际应用学案导引逻辑电路的实际应用中是单一的门电路吗？1.复合门电路(1) “与非”门一个“与”门电路和一个“非”门电路组合在一起，组成一个复合门电路，称为“与非”门，如图所示.其真值表为输入输出输入输出a1b1z1a2z200001010011000111110(2) “或非”门一个“或”门电路和一个“非”门电路组合在一起，组成一个“或非”门，如图所示.其真值表为输入输出输入输出a1b1z1a2z2000010111010110111102.逻辑电路实际应用的分析(1)逻辑电路在实际中有着广泛的应用，有些试题往往要求通过设计一些简单的门电路完成相关的逻辑功能，要对门电路的种类进行准确地选取，这就要求：准确地对一些实例分析条件与结果之间的逻辑关系.熟记“与”“或”“非”三种门电路的逻辑关系意义.理解条件与结果之间的关系.(2)门电路的问题分析中，门电路往往要和一些常用的电学元件(如电阻、开关、热敏电阻、光敏电阻、二极管等)一起构成电路，通过电路中某一部分的变化(开关的通断、电阻的变化等)实现门电路输入端的电压变化，即电势的高低变化，从而通过门电路的输出端达到控制电路的目的，因此在分析这类问题时，除熟练掌握各种门电路的作用外，还要熟练的掌握电路的动态变化规律的分析，准确判断出电路中，尤其是门电路部分的电势高低的变化，从而达到正确解决问题的目的.如图所示，一个三输入端复合门电路，当输入为101时，输出为.(选填“0”或“1”)思路点拨 “与”门的输出又作为“或”门的一个输入，根据逻辑关系依次判断.解析a、b输入端输入一个“与”门，当输入1、0时输出为0，再和c输入到一个“或”门，一端输入1根据“或”门的特点，最后应输出1.答案1对于有多个门电路组成的复合门电路，判断其输出结果时，要按照一定的顺序，先计算其中一个或多个门电路的输出，然后把这些输出作为其他门电路的输入，最终得出复合门电路的逻辑结果. 3.如图所示，用1表示有信号输入，用0表示无信号输入，用1表示有信号输出，用0表示无信号输出，则当a、b、c的输入分别为0、1、0时，在输出端y的结果是()a0 b1c0或1 d无法确定解析：选ba、b输入分别为0、1，由“或”门逻辑关系知“或”门将输出1，c输入0，由“非”门的逻辑关系知，“非”门将输出1，“与”门的两个输入都为1，由“与”门的逻辑关系知，“与”门将输出1，即y为1，b正确，a、c、d错误.典型问题逻辑电路的设计及应用(12分)如图所示是一个火灾报警装置的逻辑电路图.rt是一个热敏电阻，低温时电阻值很大，高温时电阻值很小，r是一个阻值较小的分压电阻.(1)要做到低温时电铃不响，火灾时产生高温，电铃响起.在图中虚线处应接入怎样的元件？(2)为什么高温时电铃被接通？(3)为了提高该电路的灵敏度，即报警温度调得稍低些，r的值应大一些还是小一些？思路点拨 解答本题应把握以下三点：(1)理解“与”“或”“非”门的特点；(2)理解电铃响起的原因；(3)理解灵敏度的意义.解析(1)温度较低时rt的阻值很大，r比rt小得多，因此p、x之间电压较大，要求此时电铃不响，表明输出给电铃的电压应该较小，输入与输出相反，可见虚线处应接入的元件是“非”门.(4分)(2)当高温时rt的阻值减小，p、x之间电压降低，输入低电压时，从“非”门输出的是高压，电铃响起.(4分)(3)由前面分析可知，若r较大，由于它的分压作用，rt两端的电压不太高，则外界温度不太高时，就能使p、x之间电压降到低电压输入，电铃就能响，因此r较大些，反应较灵敏.(4分)答案(1)“非”门(2)见解析(3)r应大些(1)从逻辑关系入手，必须同时具备的为“与”逻辑，几者取其一的为“或”逻辑，否定关系的为“非”逻辑.(2)研究逻辑关系的基本思路：明确什么是条件，什么是结果；看条件与结果的内在联系；写出真值表或逻辑表达式. 随堂检测1.下列说法正确的是()a逻辑电路就是数字电路b逻辑电路可存在两种以上的状态c集成电路由三种最基本的门电路构成d集成电路可靠性高、寿命长，但耗电量高解析：选a逻辑电路即为数字电路，门电路是基本数字电路，而数字电路是由三种最基本的门电路构成的，故选项a正确.2.下表是某逻辑电路的真值表，该电路是图中的()输入输出001011101110解析：选d根据该逻辑电路的真值表可以判断，该门电路是一个“与”门电路和一个“非”门电路的组合，故选项d正确.3.如图所示为逻辑电路，根据电路图完成它的真值表.其输出端从上到下排列，结果正确的是()输入输出abc00011011a0，0，1，0b0，0，1，1c1，0，1，0 d0，0，0，1解析：选a由图示逻辑电路知b输入先通过“非”门电路，输出后与a组成“与”门电路输出，根据其逻辑关系输出应为0，0，1，0，故选项a正确.4.如图所示的三个电路是用基本门、蜂鸣器组成的简易控制电路，当在a输入高电势时，能使蜂鸣器发声的是()a只有(1) b只有(2)c只有(3) d(1)、(2)、(3)解析：选b(1)逻辑电路为“与”门，两个输入端分别为高电势和低电势，故输出端为低电势，蜂鸣器不发声.(2)逻辑电路为“或”门，由于a为高电势，故输出端为高电势，蜂鸣器发声.(3)逻辑电路为“非”门，由于输入端a为高电势，故输出端为低电势，蜂鸣器不发声.故正确的选项为b5.如图所示，低电位报警器由两个基本的门电路甲、乙与蜂鸣器组成，该报警器只有当输入电压过低时蜂鸣器才会发出警报.其中()a甲是“与”门，乙是“非”门b甲是“或”门，乙是“非”门c甲是“与”门，乙是“或”门d甲是“或”门，乙是“与”门解析：选b若甲是“与”门，乙是“非”门，不管输入电压为低电压还是高电压，经过“与”门后输出为低电压，经过“非”门后输出高电压，蜂鸣器都会发出警报，故a错误.若甲是“或”门，乙是“非”门，当输入电压为低电压，经过“或”门输出为低电压，经过“非”门输出为高电压，蜂鸣器发出警报，当输入为高电压，经过“或”门输出为高电压，经过“非”门输出为低电压，蜂鸣器不发出警报，故b正确.乙不会是“或”门和“与”门，故c、d错误.6. 图是由两个简单的门电路组成的逻辑电路，对应的真值表中x应为(选填“1”或“0”)，虚线框应为“”门电路.输入输出abz00001x101110解析：b端先接入了一个“非”门电路，故真值表中b所在的列所对应的“0”进入虚线框内前变成了“1”，“1”则变成了“0”，则虚线框中门电路所实际对应的真值表如下表所示.观察已知的逻辑关系，只有“与”门电路的逻辑关系能满足这样的特点，故表中x应为“0”.输入输出adz010000111100答案：0与 课时作业一、单项选择题1.联合国安理会每个常任理事国都拥有否决权，只要有一个常任理事国投反对票，提案就不能通过，假设设计一个表决器，常任理事国投反对票时输入“0”，投赞成票或弃权时输入“1”，提案通过为“1”，通不过为“0”，则这个表决器应具有哪种逻辑关系()a与b非c或 d与非解析：选a安理会常任理事国只要有一个国家投反对票，提案就不能通过，也就是在逻辑关系中，有一个输入端是“0”，输出端就是“0”，所以表决器具有“与”逻辑关系.2.隧道里有一个报警器，在隧道的两端各有一个开关，在出现险情时要求不论接通哪一个开关都能使警报器报警，那么应设计的电路为()a“与”门电路 b“或”门电路c“非”门电路 d上述答案都有可能解析：选b要求无论接通哪一个开关都能使警报器报警，这体现了“或”逻辑关系，故选项b正确.3.如图所示由门电路组成的电路，输出端为“1”，指示灯l亮，输出端为“0”，指示灯l不亮，现要使灯l亮，则a、b两输入端分别是()a“1”“1” b“0”“0”c“1”“0” d“0”“1”解析：选b要使灯l亮，“非”门的输出应该为“1”，故“非”门的输入为“0”，故“或”门的两个输入端都应该为“0”.4.有一逻辑门电路的真值表，试判断这是一个什么类型的逻辑门电路()m01n10a“与”门 b“非”门c“或”门 d“与非”门解析：选b由该逻辑门电路的真值表可以看出输出端与输入端是相反的关系，故b正确.5.如图为含逻辑电路的一个简单电路图，l为小灯泡.光照射光敏电阻时，其阻值r将变得远小于r.当光照射光敏电阻时，则()ar两端的电势差变小br两端的电势差变大c小灯泡l发光d小灯泡l不发光解析：选c当电阻r受到光照时，其阻值将变得远小于r.则r两端的电势差大，r两端间的电势差小.故a、b错误；该逻辑电路为“非”门电路.“非”门的特点是输出状态和输入状态相反，当电阻r受到光照时，其阻值将变得远小于r，则r两端的电势差大，r两端间的电势差小，则输入端为低电势，那么输出端为高电势，故a点电势为高电势，小灯泡l发光.故c正确，d错误.6.在车门报警电路中，两个按钮开关分别装在汽车的两扇门上，只要有开关处于断开状态，报警灯就发光，能实现此功能的电路是()解析：选d实现车门报警的电路应当是“或”门电路，而a、b是“与”门电路，a、b错误；c、d图是“或”门电路，但c中，s1、s2均断开时，灯泡不亮，不能起到报警作用，d正确.二、多项选择题7.下列是逻辑关系真值表中的一些数值的说法，其中正确的是()a在“与”门中，当s10、s21时，q0b在“或”门中，当s10、s21时，q0c在“或”门中，当s11、s20时，q1d在“非”门中，当输入为“0”时，输出必为“1”解析：选acd根据逻辑门电路的特点可知，对“与”门，两事件都满足后才能成立，故a对，“或”门电路，只有一个满足则成立，故c对，b错，“非”门中两种关系相反，故d对.8.图为二极管所构成的逻辑电路，a、b为输入端，y为输出端(设输入、输出端高电位为1，低电位为0)，则下列说法正确的是()aa0、b0时，y1ba0、b1时，y0ca1、b0时，y1da1、b1时，y1解析：选cd当a、b有一个为高电位1时，对应二极管导通，导通二极管与r串联，有电流流过r，r两端有电压，y为高电位1，题图为“或”门电路，c、d正确.9.下列关于逻辑电路的说法中正确的是()a如果一个事件的几个条件都满足后，该事件才能发生，这种关系叫“与”逻辑关系b如果几个条件中，只要有一个条件得到满足，某事件就会发生，这种关系叫“与”逻辑关系c一个门上有三把钥匙，每把钥匙都能单独开门，它体现了“或”逻辑关系d输出状态和输入状态相反的逻辑关系，叫做“或”逻辑关系答案：ac10.某同学设计了一个路灯自动控制门电路，如图所示，天黑了，让路灯自动接通，天亮了，让路灯自动熄灭.图中rg是一个光敏电阻，当有光照射时，光敏电阻的阻值会显著地减小，r是可调电阻，起分压作用.j为路灯总开关控制继电器(图中未画路灯电路).关于此电路，下列说法正确的是()a天黑时，rg增大，a为高电位，z为低电位，j使路灯亮b天黑时，rg增大，a为低电位，z为高电位，j使路灯亮cr调大时，傍晚路灯亮得早一些dr调大时，傍晚路灯亮得晚一些解析：选bd当光照变弱时光敏电阻rg的阻值变大，分担的电压大，则门电路获得的电势低，“非”门电路输入端电压变小，继电器得到的电压变高，路灯被点亮，所以b对，a错；在相同的光照情况下，若电阻r增大，使得r分得的电压变大，使“非”门电路的输入端电压变大，继电器得到的电压偏低，路灯不被点亮