项目二 3人表决器的组装与调试
某学校举办歌唱比赛活动，共有3名评委，采取以少数服从多数的原则判定选手能否通过。电子专业的安琪同学要为评委们制作符合要求的3人表决器，但不知道从何下手，下面就让我们来帮安琪同学一起来做这个3人表决器。
【知识目标】
●能描述常用数制的特点，并完成常用数制之间的转换。
●能说出常用码制的特点。
●能描述基本门电路的逻辑功能。
●能根据给定的逻辑电路列写逻辑表达式和真值表，并能分析其逻辑功能。
【技能目标】
●能识别基本逻辑门电路的符合及实物。
●能识读3人表决器电路原理图。
●能根据3人表决器电路原理图分析功能，完成组装与调试工作。
任务一 组装3人表决器
任务描述
目前，各种歌唱类、舞蹈类的选秀节目层出不穷，在每一场比赛中，针对每位参赛者的表现，评委们需要作出评判。怎样才能使评委们的评判结果互不干涉，进行独立评判，从而体现比赛的公平、公正，这就需要用到表决器。下面就让我们和安琪同学一起来做一个3人表决器。
任务分析
3人表决器电路主要采用表决电路和指示灯电路等典型功能电路来实现，要求当两名或两名以上评判员同意而按下开关时，就可发出评判通过信号（灯亮）；反之，则不通过（灯不亮）。制作实现此功能的表决器可以采用与或门电路，但在数字集成电路中，与非门的生产成本更为低廉，使用更为广泛。所以，我们学习如何用与非门电路组装3人表决器。在完成本任务之前，学生需要认知与非门、单刀双掷开关等元件。为了更好地组织教学，建议采用小组协作、理实一体组织教学。
任务实施
活动一 认识电路的组成与功能
一、电路框图
3人表决器电路框架图如图2-1所示。
图2-1
二、电路原理图
3人表决器电路原理图如图2-2所示。
图2-2
活动二 元件识别与检测
一、元器件清单
元器件清单见表2-1。
表2-1 元器件清单表
二、元件检测
按照元件清单清点元件，在安装前应用万用表对元件进行检查，防止已损坏的元件被安装。
（1）发光二极管检测
选择万用表R×10kΩ挡，测量发光二极管的正、反向电阻值。正常时，正向电阻值（黑表笔接正极时）为10～20kΩ，反向电阻值为250kΩ至无穷大。
（2）IC芯片检测
检测其引脚是否正常，有无断裂、损坏。
（3）开关检测
选择万用表欧姆挡，将红、黑两只表笔任一表笔接开关一端的引脚，另一只表笔接开关另一端的任一引脚。正常时，当开关接通，阻值为零；测另一引脚时，阻值应为无穷大。
活动三 识读电路装配图，组装电路
一、识读电路装配图
3人表决器电路装配图如图2-3所示。
图2-3
二、组装步骤
①正确识读装配图；
②按照装配图对各元器件正确整形、安装，要求二极管、IC芯片极性正确；
③焊接按键、发光二极管和IC芯片底座，并将IC芯片插在底座上。
三、装配工艺
在印制板上安装元件时，应注意如下几点:
①元件引脚若有氧化膜，则应除去氧化膜并进行搪锡处理。
②安装时，要确保元件的极性正确，如发光二极管的正、负极，IC芯片的极性等。
③元件外形的标志应放于便于识别的位置。
④同一种元件的高度应当尽量一致。
⑤安装时，应先安装小元件（如电阻），然后安装中型元件，最后安装大型元件，这样便于安装操作。另外，应先装耐高温元件。
⑥在进行焊接操作时要注意送锡方法及焊接时间。
任务二 调试3人表决器
任务描述
组装好的表决器能否在比赛中得到实际运用，体现比赛的公平、公正，关键在于表决器能否正常工作。本任务就对组装好的3人表决器进行调试。
任务分析
在完成本任务前需要了解与非门电路的工作原理。在进行电路检测与调试时，首先应确定电路的连接正确、元器件有无损坏。如果电路存在故障，重点检测开关、与非门芯片、发光二极管有无故障，然后再进行调试。
任务实施
活动一 通电前检查
电路安装完毕后，应先对照电路图按顺序检查一遍。
①检查每个元件的规格型号、数值、安装位置、管脚接线是否正确，着重检查IC芯片极性是否正确。
②检查每个焊点是否有漏焊、假焊和搭锡现象，线头和焊锡等杂物是否残留于印制电路板上。
③检查调试所用万用表是否正常，清理好测试场地和工作台，以便做进一步的调试。
活动二 检测与调试
一、3人表决器工作过程
①当无人按按钮时，A、B、C都是低电平，Y1、Y2、Y3都是高电平，Y为低电平，红色发光二极管反向偏置截止，不亮。
②当只有一人（如A）按按钮时，A为高电平，B、C都是低电平，Y1、Y2、Y3都是高电平，Y为低电平，红色发光二极管反向偏置截止，不亮。
③当有两人（如A、B）按按钮时，A、B为高电平，C为低电平，Y2、Y3是高电平，Y1是低电平，Y为高电平，红色发光二极管正向偏置导通，发光二极管亮。
④当所有人都按按钮时，A、B、C为高电平，Y1、Y2、Y3都是低电平，Y为高电平，红色发光二极管正向偏置导通，发光二极管亮。
二、故障检测
（1）检测开关故障
按下S1，测A的电位，有高电平时为正常；若无高电平，则S1损坏。用同样的方法检测开关S2、S3。
（2）检测芯片故障
①CD4011:让A、B、C任意一个处于高电平，其余两个处于低电平，用万用表测量Y1、Y2、Y3的电平，若都为高电平，说明芯片正常。
②CD4023:若Y1、Y2、Y3任意一个处于高电平，其余两个处于低电平，用万用表测量Y的电平，若为高电平，则芯片正常。
（3）检测发光二极管故障
测量发光二极管正极和负极的电位，若根据电位判断出发光二极管处于正向偏置，而发光二极管不亮，说明发光二极管坏。
（4）分组调试
按照电路工作过程从输入逐步检测关键点，观察其输出是否正确，直至电路正常工作，调试完成。
知识链接
知识点一 数制和码制
一、数制
（1）十进制
十进制数采用10个基本数码:0、1、2、3、4、5、6、7、8、9；按“逢十进一”的原则计数，即1＋9＝10。各位的权是10的幂。十进制可以用字母“D”来表示。在十进制数里，同一数码在不同的位置上所表示的数值是不同的。
例:（2315）D＝2×103＋3×102＋1×101＋5×100
（2）二进制
二进制数采用2个基本数码:0和1；按“逢二进一”的原则计数，即（1＋1）2＝（10）2，各位的权是2的幂。二进制可以用字母“B”来表示。
例:（100101）B＝1×25＋0×24＋0×23＋1×22＋0×21＋1×20
（3）八进制
八进制数采用8个基本数码:0、1、2、3、4、5、6、7；按“逢八进一”的原则计数，即（1＋7）8＝（10）8，各位的权是8的幂。八进制可以用字母“O”来表示。
例:（1207）O＝1×83＋2×82＋0×81＋7×80
（4）十六进制
十六进制数有0－9、A、B、C、D、E、F16个数码，其中10－15分别用A－F表示；按“逢十六进一”的原则计数，即（1＋F）16＝（10）16 ，各位的权是16的幂。十六进制可以用字母“H”来表示。
例:（2C7F）H＝2×163＋12×162＋7×161＋15×160
二、不同数制之间的转换
（1）二进制转换成十进制
方法:将每一位二进制数乘以位权，然后相加。
例:（100101）B＝1×25＋0×24＋0×23＋1×22＋0×21＋1×20
＝32＋0＋0＋4＋0＋1
＝（37）D
（2）八进制与二进制的互换
二进制数和八进制数之间有很简单的对应关系，3位二进制数对应1位八进制数。对应关系见表2-2。
表2-2
例:（374.26）O＝（011111100.010110）B
（3）二进制与十六进制的互换
二进制数和十六进制数之间有很简单的对应关系，4位二进制数对应1位十六进制数。对应关系见表2-3。
表2-3
三、BCD码
将十进制数的每一位用4位二进制数来表示，这个4位二进制数每一位的权从高位到低位分别是8、4、2、1，由此规则构成的码称为8421BCD码。
例:（258.369）D＝（001001011000.001101101001）8421BCD
知识点二 常用逻辑门电路
3人表决器中主要芯片结构如图2-4、图2-5所示。
图2-4 CD4023内部结构
（3个三输入与非门）
图2-5 CD4011内部结构
（4个二输入与非门）
这两个集成芯片是实现3人表决器功能的主要器件。其中，CD4011主要由4个二输入与非门构成，CD4023主要由3个三输入与非门构成。
一、与门
只有当决定事物结果的所有条件全部具备时，结果才会发生，这种逻辑关系称为与逻辑关系。与逻辑真值表见表2-4。
表2-4 与门真值表
二、或门
当决定事物结果的几个条件中，只要有一个或一个以上的条件得到满足，结果就会发生，这种逻辑关系称为或逻辑关系。或逻辑真值表见表2-5。
表2-5 或门真值表
三、非门
在事件中，结果总是和条件呈相反状态，这种逻辑关系称为非逻辑关系。非逻辑真值表见表2-6。
表2-6 非门真值表
四、几种常用的符合逻辑关系
与、或、非运算是逻辑代数中最基本的3种运算。常见的符合逻辑关系的逻辑表达式、逻辑符号、真值表及逻辑运算规律见表2-7。
表2-7
知识点三 逻辑代数的基本公式
逻辑常量运算公式见表2-8。
表2-8 逻辑常量运算公式
逻辑变量与常量的运算公式见表2-9。
表2-9 逻辑变量与常量的运算公式
知识拓展
认识3人表决器的设计
设计一个3人表决器电路，首先要设置好输入、输出变量。如何来设置输入和输出变量呢？
一、逻辑假设
（1）分析
①输入变量:A、B、C（3名评判员）。
②输出变量:Y（灯）。
（2）状态赋值
赞成用1表示，反之用0表示。
（3）表决结果用指示灯表示
灯亮表示1，不亮表示0；
A＝1，表示同意，A＝0表示不同意； B＝1，表示同意，B＝0表示不同意；
C＝1，表示同意，C＝0表示不同意； Y＝1，表示灯亮，Y＝0表示灯不亮。
二、列真值表
假设3位评委各评判结果为A、B、C，裁定结果为Y。若评委裁定通过为1，不通过为0。真值表见表2-10。
表2-10 3人表决器真值表
通过前面对逻辑门电路的学习，我们知道了3人表决器真值表中输入量与输出量之间的逻辑关系，现在根据它们的逻辑关系写逻辑表达式。
三、写出逻辑表达式
写逻辑函数表达式并化简:（把真值表中全一的项相加）
四、画出逻辑图
图2-6是根据逻辑表达式化简后所得的3人表决器电路图，但在实际电路图中高电平不能悬空，所以应在图2-6的基础上加上几个1kΩ的电阻。
五、设计步骤
电路设计成功，下面总结设计3人表决器电路的步骤:
图2-6
强化训练
图2-7
一、练一练
（1）如图2-7所示，将两个“非”门和一个“与”门组成一个复合门电路，并写该门电路的真值表和表达式。
（2）将图2-8所示，元件连线组成一个3人表决电路。
图2-8
二、做一做
（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），它们体现的逻辑关系为（ ）。
A.“与”逻辑关系 B.“或”逻辑关系
C.“非”逻辑关系 D.不存在逻辑关系
（2）欲对全班53个学生以二进制代码编码表示，最少需要二进制码的位数是（ ）。
A.5 B.6 C.10 D.53
（3）逻辑电路的信号有两种状态:一是高电位状态，用“1”表示；另一种是低电位状态，用“0”表示。关于这里的“1”和“0”，下列说法中正确的是（ ）。
A.“1”表示电压为1V，“0”表示电压为0V
B.“1”表示电压为大于或等于1V，“0”表示电压一定为0V
C.“1”和“0”是逻辑关系的两种可能的取值，不表示具体的数字
D.“1”表示该点与电源正极相连，“0”表示该点与电源负极相连
（4）图2-9所示门电路，当输入端ABC取值为100时，输出端F的逻辑状态为________。
（5）图2-10为某报警装置示意图。该报警装置于一扇门、两扇窗上各装有一个联动开关，门、窗未关上时，开关不闭合，只要有一个开关未闭合，报警器就会报警。该报警装置中用了两个串联的逻辑电路，虚线框甲内应选用______门电路，虚线框乙内应选用
门电路。（选填“与”“非”“或”）
图2-9
图2-10
（6）如果某交通灯的控制电路失灵，就可能出现信号灯的亮与灭的无效组合。试设计一个交通控制灯失灵检测电路，检测电路要能检测出任何无效组合。要求用最少与非门实现。
（7）设计一个小轿车尾灯控制电路，小轿车左右两侧各有3个尾灯，要求:
①左转弯时，在左转弯开关控制下，左侧3个灯按如图2-11所示周期性地亮与灭；
②右转弯时，在右转弯开关控制下，右侧3个灯按如图2-11所示周期性地亮与灭；
③在左、右两个转弯开关控制下，两侧的灯做同样周期性的亮与灭动作；
④在制动开关（制动器）作用下，6个尾灯同时亮。若转弯情况下制动，则3个转向尾灯正常动作（按转弯时的情况周期地亮与灭），另一侧的3个尾灯均亮。
图2-11
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