设计 逻辑电路 的 开关元件
这篇文章 的 起因 是 《用 逻辑电路 实现一个 开平方 算法》 https://www.cnblogs.com/KSongKing/p/13385387.html 。
在 《用 逻辑电路 实现一个 开平方 算法》 里 提到了 一些 开关元件， 比如 延时开关， 一次性开关 。
本文 来 设计 实现 这些 开关元件 。
首先， 要 设计一个 最基本 的 开关， 其实 就是一个 继电器， 就是 控制端 有 电 时， 开关导通， 控制端 没 电 时， 开关关闭 。 这样 的 作用 是 用 电 控制 电， 用 信号 控制 信号 。
实际中 的 逻辑电路 ， 比如 计算机， 数字设备， 是用 晶体管电路 和 集成电路 实现 的 ， 早期 的 也有用 电子管 的， 比如 第一台 计算机 “埃尼阿克” 。
本文 主要 采用 继电器 ， 为什么 用 继电器 呢 ？ 因为 继电器 简单 和 理想化 。
继电器 的 构造图 ：
控制端 正负极 接通 电源 时， 线圈 产生 磁性， 把 弹簧 上 的 铁片 吸引 到 和 输入端 和 输出端 的 铁片 接触， 于是， 输入端 和 输出端 之间 接通， 相当于 是 用 导线 连接， 电流 可以 通过 。
控制端 断开 电源 时， 线圈 的 磁性 消失， 弹簧 的 拉力 把 铁片 拉回 原位， 也就 离开了 输入端 和 输出端 的 铁片， 于是 输入端 和 输出端 之间 断开， 电流 不能 通过 。
控制端 的 正极 负极 其实 没有 区别， 倒过来 倒过去 用 都一样 。 输入端 输出端 也 没有 区别， 倒过来 倒过去 用 都一样 。
继电器 的 示意图 ：
在 电路 里 会 使用 这个 示意图 表示 继电器 。
逻辑电路 基本 的 逻辑门 （gate） 有 与门 、或门 、非门 。
把 两个 继电器 串联 起来 就是 与门， 把 两个 继电器 并联 起来 就是 或门 。
非门 的 话， 需要 对 继电器 作一下 改造 ：
这个 改造版 里 ， 开始时， 弹簧 上 的 铁片 和 输入端 、输出端 接触， 输入端 和 输出端 之间 导通， 电流 可以 通过 。 当 控制端 接通电源 时， 线圈 产生 磁性， 吸引 铁片 离开 输入端 、输出端 ， 于是， 输入端 和 输出端 之间断开， 电流 不能 通过 。
这样， 当 控制端 没 电 时， 输入端 输出端 导通， 当 控制端 有 电 时， 输入端 输出端 断开 。
有 电 为 1， 没 电 为 0， 导通 为 1， 断开 为 0， 这样 ， 控制端 为 0 时， 输入端 输出端 为 1， 控制端 为 1 时， 输入端 输出端 为 0 。
也就是 ! 1 = 0 ， ! 0 = 1 ， 这就是 非门 。
其实 非门 也可以用 未经改造 的， 正常 的 继电器 来 构造 ：
+ 表示 接 电源 正极， - 表示 接 电源 负极 。
设 电源 电压 为 1 伏， 正极 电位 为 1 伏 ， 负极 电位 为 0 伏 ， 和 电源断开 的 电位 也是 0 伏 ， 1 伏 表示 逻辑 1， 0 伏 表示 逻辑 0 。
当 输入端 输入 1 时， J1 导通， 对 J2 的 控制端 造成 短路， J2 控制端 电压 为 0， J2 断开， 输出端 输出 0 ，
当 输入端 输入 0 时， J1 断开， J2 控制端 有 电压， 可 正常工作， J2 导通， 输出端 输出 1 。
于是， 输入 1， 输出 0， 输入 0， 输出 1 ， 也就是 ! 1 = 0 ， ! 0 = 1 ， 这就是 非门 。
用 三极管 电路 表示 这个 非门 ：
接下来 看 一个 重要 的 基本 开关元件， 双稳态开关 。
在 百度百科 词条 “双稳态电路” 里， 说 双稳态电路 是 由 两个 或非门 组成， 大概 是 这样 ：
in 1 、in 2 为 输入端， out 1 、out 2 为 输出端， 在 in 2 输入 为 0 的 情况 下， 当 in 1 输入 1 时， 无论 当前 是 什么状态， out 1 会 输出 1， out 2 会 输出 0， 之后 无论 in 1 输入 1 或 0， 都将 保持 这个 状态 。
在 in 1 输入 为 0 的 情况 下， 当 in 2 输入 1 时， 无论 当前 是 什么状态， out 1 会 输出 0， out 2 会 输出 1， 之后 无论 in 2 输入 1 或 0， 都将 保持 这个 状态 。
但是 我记得 小时候 看过的 一些 80 年代 初期 或者 80 年代 以前 的 书 上 讲 的 双稳态电路 是 2 个 三极管 互相 反馈 组成 的 。 嗯 ？
实际上， 确实 可以用 2 个 继电器 或者 三极管 互相反馈 形成 双稳态电路 。
in 1 、in 2 为 输入端， out 1 、out 2 为 输出端， 开始时， J2 导通， out 2 输出 正极电位， 也就是 高电位， 也就是 有电压， 也就是 1 。
此时， J2 导通 对 J1 控制端 造成 短路， J1 控制端 电压 为 0， 无电流 通过， J1 断开， out 1 输出 低电位， 也就是 0 。
当 in 1 输入 1 时， R1 、J2 控制端 串联电路 的 两端 都是 高电位， 电压 为 0， J2 控制端 线圈 无电流 通过， 线圈 无磁性， J2 断开 。
J2 断开， J1 控制端 的 短路 取消， J1 控制端 正常工作， J1 导通， out 1 输出 正极电位， 也就是 1 。
J2 断开， out 2 输出 低电位， 也就是 0 。
之后， 无论 in 1 输入 高电位 还是 低电位， 有电压 还是 无电压， 1 或 0， 都将 保持 out 1 输出 1， out 2 输出 0 的 状态 。
当 in 2 输入 1 时， 上述 状态 将 发生 反转， out 1 输出 0， out 2 输出 1 ， 且 之后 无论 in 2 输入 1 或 0， 都将 保持 这个 状态， 原理同上 。
应该指出， in 1 输入 1 时， out 2 输出 0， in 2 输入 1 时， out 1 输出 0， 这个 0 是 低电压， 不是 无电压 。
低电压 是 一个 相对较低 的 电压， 称为 低电平 。 相对 是 和 1 相对， 1 为 高电压， 0 为 低电压， 0 是 比 1 的 电压 相对 低 的 一个 电压 。
为什么 0 是 低电压 而不是 无电压 呢 ？
从 电路 中 可以看到， out 1 连接 了 J2 控制端， out 2 连接 了 J1 控制端， 控制端 有一定 的 电阻 。 假设 此时 J1 断开， J2 导通， out 1 应该 输出 0 。
此时 J1 断开， out 1 不能 和 正极 直接 相连， 不能 直接 输出 正极电位， 但 out 1 和 J2 的 控制端 相连， 电流 从 正极 出发， 通过 J2 控制端 仍然 可以 到达 out 1 ， 也就是说， out 1 仍然 可以 输出 一定 的 电位， 如果 J2 控制端 的 电阻 不大， 那么 out 1 输出 的 电位 可能接近 正极电位， 也就是 高电位 。
所以， 还需要 加 一个 R1 来 增加 电压降， 就是 让 电压 经过 J2 控制端 到达 out 1 时 降低 更多， 这样 out 1 输出 的 就是 相对较低 的 电位， 也就是 低电位 。
严格的说， out 1 输出的是 较小 的 电流， 较小 的 功率 。 加上 R1 是 为了 让 out 1 输出 较小 的 电流， 较小 的 功率 。
严格的说， out 1 输出 的 电位 还和 out 1 连接 的 外部电路 （外部元件） 的 电阻 有关， 这需要 和 外部电路 （外部元件） 、整体电路 结合 起来 看， 对 整体电路 进行 分析计算 ， 得出 适当 的 参数 。
在 这样 的 电路 设计 中， “1” （高电位） 和 “0” （低电位） 之间 的 电位 的 差值 是 一个 重要参数 。
事实上， out 1 、out 2 和 外部电路 （外部元件） 相连 会 造成 和 外部系统 的 耦合 很大， 基本上， 是 无法 用于 实用 的 。
和 外部系统 的 耦合 很大 是指 双稳态电路 和 外部电路 之间 的 关联程度 很高， 电路参数 受 彼此 影响， 需要 将 双稳态电路 和 外部电路 一起 纳入 评估计算 电路 参数 。
电路参数 指 组成 电路 的 各个 元器件 的 参数， 如 继电器 控制端 的 有效工作电压 、有效电流 、有效功率， 电阻 的 阻值， 等等 。
要 让 这个 双稳态电路 可以 实用， 需要 在 out 1 、out 2 上 再加 两个 继电器 来 与 外部电路 解耦， 如下 ：
增加 2 个 继电器 J3 、J4 ， 将 原来 的 out 1 、out 2 连接 到 J3 、J4 ， 让 J3 、J4 的 输出端 来 作为 out 1 、out 2 ，
这样， 当 J1 导通， 输出 高电压 时， 可以 让 J3 导通， out 1 输出 正极电压， 也就是 1 。
当 J1 断开， R1 向 J3 控制端 输出 低电压 时， J3 的 控制端 线圈 产生 的 磁性 不足以 让 J3 导通， J3 断开， out 1 输出 无电压， 也就是 0 。
J2 和 R1 连接 的 是 J3 的 控制端， 不会 直接 连到 外部电路， J1 和 R2 连接 的 是 J4 的 控制端， 不会 直接 连到 外部电路，
out 1 、 out 2 是 J3 、J4 的 输出端 ， J3 、J4 的 输入端 连 的 是 电源正极，
当 J3 导通 时， out 1 直接输出 正极电压， J3 断开 时， out 1 输出 无电压，
当 J4 导通 时， out 2 直接输出 正极电压， J4 断开 时， out 2 输出 无电压 。
这样 就 实现了 和 外部电路 解耦 。 解耦 的 效果 是， 双稳态电路 是 一个 独立 的 元件， 有 独立 、确定 、固定 的 电路参数， 不受 外部电路 的 影响 。 用 软件设计 的 话说， 就是 封装性好， 模块化 。
电路参数 包括 继电器 控制端 的 有效工作电压 、有效电流 、有效功率， 电阻 的 阻值， 这是 内部参数 。
内部参数 决定 了 双稳态电路 的 工作电压， 即 正负极 的 电压， 工作电压 是 外部参数 ， 这告诉 外部系统 应该 提供 多大的 电压， 使得 双稳态电路 正常工作 。
out 1 、out 2 输出 多大 电压 表示 1， 多大电压 表示 0， 这也是 外部参数， 从 上面 的 设计图 中 可以知道， 输出 正极电压 是 1， 输出 无电压 是 0 。
到现在， 我们 讨论 了 双稳态电路 的 两种 设计方法， 一种 是 2 个 或非门， 称为 设计 1， 一种 是 两个 继电器 互相反馈， 称为 设计 2 。
设计 1 是 数字电路， 设计 2 是 电气电路 。 如果 用 三极管 实现 设计 2， 就是 电子电路， 也是 模拟电路 。
数字电路 的 设计 简单， 结构清晰 。 模拟电路 的 设计 比较 底层 和 细节， 需要 较多 电路分析 、计算 和 调试 获得 适当 的 参数 。
比如 设计 2 的 双稳态电路， 需要 获得 适当 的 R1 、R2 和 其它 电阻 的 阻值， 以及 继电器 的 控制端 有效工作电压 范围， 以及 继电器 控制端 电阻， 使得 R1 输出 低电压 时， J3 处于 断开 状态 。
具体 的 说， 就是 R3 和 J3 控制端 并联， 再 和 R1 、J2 控制端 串联， 这个电路 的 两端 接到 电源 正负极， 使得 J2 导通， J3 断开 。
这需要 适当 的 参数， 包括 R1 、R3 、继电器 控制端 电阻 的 阻值， 和 继电器 控制端 有效工作电压 。
有效工作电压 分 2 个， 一个 是 导通电压， 一个 是 断开电压， 这 2 个 都是 指 一个 电压 的 范围， 不是 一个 唯一值 。
导通电压 是 继电器 控制端 电压 在 导通电压 范围 内， 继电器 必然 且 稳定 的 导通 。
断开电压 是 继电器 控制端 电压 在 断开电压 范围 内， 继电器 必然 且 稳定 的 断开 。
显然， R1 并不是 越大越好， R1 太大会 让 流过 J2 控制端 的 电流 太小 导致 J2 无法 导通 。
可以 给 J3 加 一个 电阻 R5， 就是 让 J3 控制端 先和 R5 串联， 再 和 R3 并联， 再 和 R1 和 J2 控制端 串联 。
数字电路 可能 使用 的 元器件 会 多一些， 但 模拟电路 好像 也 省不了多少， 比如 为了 和 外部电路 解耦， 又 增加了 J3 、J4 两个 继电器 。
用 三极管电路 表示 设计 2， 也就是 用 两个 三极管 互相反馈 组成 双稳态电路， 如下 ：
未完， 后面 的 内容 见 《设计 逻辑电路 的 开关元件 （2）》 https://www.cnblogs.com/KSongKing/p/13454068.html 。
