实验板说明
这是一块以组合逻辑为主的数字电路实验板，Type-C 供电，全部模块已焊好。实验者只需插跳线帽、拨开关、测测试点，不需要自己焊板。焊接是动手技能，和掌握数字电路基础知识的关联不大，本板把重点放在电路原理和逻辑验证上。
整板共 11 个模块：分立元件基本门、可视化数制、4069 三种接法（触摸延时开关、单键触摸开关、光控开关）、4070 多地开关、4077 多地开关、4011 两路抢答器、4001 敲击门铃、4013 触摸开关、输出模块。其中组合逻辑模块为主体，4013 涉及时序（选学），可视化数制模块的硬件可扩展为单片机实验（选学）。各模块独立，共用输出模块。
本板设计时优先考虑了真实实验的便利性：跳线帽间距适合手指操作，测试点保留排针和焊盘两种接口，输出节点通过跳线帽选择驱动模块，避免多模块同时驱动造成冲突。整板以组合逻辑为主，只需要 LED 和万用表就能完成大部分实验，不需要实验室直流电源和示波器（时序模块除外）。
本模块（分立元件基本门）是整板上的一个模块，分立元件基本门原理图见附件。
设计出发点
本板的设计出发点不是让实验者“记住芯片引脚”，而是训练三种能力：判断本质、检索资料、自学验证。所以每个模块都配有实验指导书，引导实验者先看现象、再理解逻辑、最后自己复现。遇到陌生元件，先问“它连接了什么、它在这个位置起什么作用”，而不是先问“它是什么型号”。
实验零：分立元件逻辑门模块实验指导书
附件：分立元件基本门原理图（PDF）
一、实验目的
掌握用分立元件（三极管、电阻、二极管）构成与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门、同或门七种基本逻辑门电路的方法。
理解跳线帽配置在电路功能切换中的作用。
学会通过测试点测量电路各节点电平，验证逻辑真值表。
理解输入上拉/下拉电阻和基极隔离电阻在数字电路中的必要性。
二、实验电路
本实验使用 9 个 S8050 三极管、若干电阻和二极管构成两级逻辑结构：输入缓冲级 → 跳线帽配置矩阵 → 组合逻辑级 → 输出缓冲级。通过 7 个跳线帽（J1~J7）的不同短路/开路组合，实现 7 种不同的逻辑功能。
元件清单
位号 名称 参数 数量
Q1~Q9 NPN三极管 S8050（SOT-23） 9
R1, R2 贴片电阻 1kΩ/0805 2
R3~R8 贴片电阻 3.3kΩ/0805 6
R46, R47 贴片电阻 10kΩ/0805 2
R52~R55 贴片电阻 1kΩ/0805 4
D1, D2 开关二极管 1N4148（SOD-123） 2
LED1~LED3 贴片LED 0805/R 3
SW3, SW4 拨码开关 单位/2P 2
J1~J7 排针 2.54mm间距 7
TP1~TP11 测试点/测试环 陶瓷测试环或测试焊盘 11
引脚定义
元件/引脚 说明
SW3 输入A，拨到ON→高电平（+5V）；OFF→低电平（0V，通过R46下拉）
SW4 输入B，拨到ON→高电平（+5V）；OFF→低电平（0V，通过R47下拉）
LED3 输出指示，高电平点亮（输出为1），低电平熄灭（输出为0）
TP1 测试点A，测量输入A电平
TP2 测试点B，测量输入B电平
TP7 输出测试点，测量最终输出Y电平
TP3~TP11（不含TP7） 内部节点，观测中间级波形（或电平）（调试用）
三、电路连接说明
1、输入缓冲级
A路：TP1 → R46（10k）下拉到地 → SW3拨到ON时输入高电平（+5V）→ LED1阳极 → LED1阴极 → R1（1k）→ Q1基极
B路：TP2 → R47（10k）下拉到地 → SW4拨到ON时输入高电平（+5V）→ LED2阳极 → LED2阴极 → R2（1k）→ Q2基极
R46/R47（下拉电阻）作用：当SW3/SW4为OFF（开路）时，输入节点通过10k电阻拉到低电平（GND），确保输入为确定性的“0”，避免悬空引入干扰。
R1/R2（基极限流电阻）作用：限制Q1/Q2基极电流，保护LED和三极管，同时隔离基极与LED节点，使LED亮度不受基极电流变化影响。
2、基极隔离电阻（R52~R55）
A输入节点分出三路：
经R1（1k）→ Q1基极
经R52（1k）→ Q5基极
经R54（1k）→ Q7基极
B输入节点分出三路：
经R2（1k）→ Q2基极
经R53（1k）→ Q6基极
经R55（1k）→ Q8基极
作用：防止各三极管基极之间相互钳位。当某一三极管因Vbe=0.6V而导通时，其基极电压被钳位在0.6V，如果没有隔离电阻，其它共用该节点的三极管基极也将被钳位在0.6V，导致无法输入更高的驱动电压。加入隔离电阻后，各基极独立，互不影响。
3、跳线帽矩阵（J1~J7）
跳线帽 连接节点
J1 可选择是否将Q1集电极（A反信号）接入公共节点
J2 可选择是否将Q2集电极（B反信号）接入公共节点
J3 将公共节点信号接入Q3基极
J4 将Q3集电极直接连接到公共节点
J5 将Q3集电极连接到Q4基极
J6 将Q3集电极信号直接接到输出端，J6短路时旁路Q4
J7 将同或门和异或门输出接入Q3集电极(F点)
配置原则：通过J1/J2选择输入信号源；通过J3/J4决定Q3是否接入；通过J5决定Q4是否被驱动；通过J6选择输出取自Q3集电极还是Q4集电极。
4、Q3/Q4
Q3：基极通过J3接公共节点 → 发射极接地 → 集电极通过R5（3.3k）上拉输出（TP6）
Q4：基极通过J5接Q3集电极 → 发射极接地 → 集电极通过R6（3.3k）上拉 → LED3输出指示
Q5/Q6/Q7/Q8/Q9构成差分组合逻辑，最终输出至TP7。
四、跳线帽配置表
图例：● = 短路（接通，插入跳线帽），○ = 开路（断开，不插跳线帽），? = 任意状态（不影响）
门类型 J1 J2 J3 J4 J5 J6 J7
与门（AND） ○ ○ ● ○ ○ ● ○
或门（OR） ● ● ● ○ ○ ● ○
非门（NOT） ● ○ ○ ● ○ ● ○
与非门（NAND） ○ ○ ● ○ ● ○ ○
或非门（NOR） ● ● ● ○ ● ○ ○
异或门（XOR） ? ? ○ ○ ● ○ ●
同或门（XNOR） ? ? ○ ○ ○ ● ●
快速参考卡（学生用）
门类型 J1 J2 J3 J4 J5 J6 J7
与门 开 开 短 开 开 短 开
或门 短 短 短 开 开 短 开
非门 短 开 开 短 开 短 开
与非门 开 开 短 开 短 开 开
或非门 短 短 短 开 短 开 开
异或门 任 任 开 开 短 开 短
同或门 任 任 开 开 开 短 短
五、各门逻辑表达式与真值表
节点说明：A—逻辑A端输入、TP1；B—逻辑B端输入、TP2；C—Q1集电极、TP3；D—Q2集电极、TP4；E—J1、D1、J2、D2、J3、J4、TP5公共端；F—Q3集电极、J5/J6/J7公共端、TP6；Y—Q4集电极、LED3阳极、TP7、输出端。
与门
表达式：Y = A · B
逻辑：有0出0、全1出1
A=0、B=0 → Q1截止、Q2截止 → C=1、D=1 → Q3饱和 → F=0 → Y=0
A=0、B=1 → Q1截止、Q2饱和 → C=1、D=0 → Q3饱和 → F=0 → Y=0
A=1、B=0 → Q1饱和、Q2截止 → C=0、D=1 → Q3饱和 → F=0 → Y=0
A=1、B=1 → Q1饱和、Q2饱和 → C=0、D=0 → E=0 → Q3截止 → F=1 → Y=1
真值表
A B Y
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
或门
表达式：Y = A + B
逻辑：有1出1、全0出0
A=0、B=0 → Q1截止、Q2截止 → C=1、D=1 → Q3饱和 → F=0 → Y=0
A=0、B=1 → Q1截止、Q2饱和 → C=0、D=0 → E=0 → Q3截止 → F=1 → Y=1
A=1、B=0 → Q1饱和、Q2截止 → C=0、D=0 → E=0 → Q3截止 → F=1 → Y=1
A=1、B=1 → Q1饱和、Q2饱和 → C=0、D=0 → E=0 → Q3截止 → F=1 → Y=1
真值表
A B Y
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
非门
表达式：Y = /A
逻辑：输入0输出1、输入1输出0
A=0 → Q1截止 → C=1 → E=1 → F=1 → Y=1
A=1 → Q1饱和 → C=0 → E=0 → F=0 → Y=0
真值表
A Y
0 1
1 0
与非门
表达式：Y = /(A·B)
逻辑：有0出1、全1出0
A=0、B=0 → Q1截止、Q2截止 → C=1、D=1 → Q3饱和 → F=0 → Q4截止 → Y=1
A=0、B=1 → Q1截止、Q2饱和 → C=1、D=0 → Q3饱和 → F=0 → Q4截止 → Y=1
A=1、B=0 → Q1饱和、Q2截止 → C=0、D=1 → Q3饱和 → F=0 → Q4截止 → Y=1
A=1、B=1 → Q1饱和、Q2饱和 → C=0、D=0 → E=0 → Q3截止 → Q4饱和 → Y=0
真值表
A B Y
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
或非门
表达式：Y = /(A+B)
逻辑：有1出0、全0出1
A=0、B=0 → Q1截止、Q2截止 → Q3饱和 → F=0 → Q4截止 → Y=1
A=0、B=1 → Q1截止、Q2饱和 → C=0、D=0 → E=0 → Q3截止 → Q4饱和 → Y=0
A=1、B=0 → Q1饱和、Q2截止 → C=0、D=0 → E=0 → Q3截止 → Q4饱和 → Y=0
A=1、B=1 → Q1饱和、Q2饱和 → C=0、D=0 → E=0 → Q3截止 → Q4饱和 → Y=0
真值表
A B Y
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0
异或门
表达式：Y = A⊕B = /A·B + A·/B
逻辑：相异出1、相同出0
A=0、B=0 → Q5截止、Q6截止、Q7截止、Q8截止 → Q9集电极悬空 → Q4饱和 → Y=0
A=0、B=1 → Q5截止、Q6集电极悬空、Q7截止、Q8饱和 → Q9饱和 → F=0 → Q4截止 → Y=1
A=1、B=0 → Q5发射极上拉、Q6截止、Q7饱和、Q8截止 → Q9饱和 → F=0 → Q4截止 → Y=1
A=1、B=1 → Q5饱和、Q6饱和、Q7发射极上拉、Q8发射极上拉 → Q9截止 → Q4饱和 → Y=0
真值表
A B Y
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0
同或门
表达式：Y = A⊙B = /A·/B + A·B
逻辑：相同出1、相异出0
A=0、B=0 → Q5截止、Q6截止、Q7截止、Q8截止 → Q9集电极悬空 → F=1 → Y=1
A=0、B=1 → Q5截止、Q6集电极悬空、Q7截止、Q8饱和 → Q9饱和 → F=0 → Y=0
A=1、B=0 → Q5发射极上拉、Q6截止、Q7饱和、Q8截止 → Q9饱和 → F=0 → Y=0
A=1、B=1 → Q5饱和、Q6饱和、Q7发射极上拉、Q8发射极上拉 → Q9截止 → F=1 → Y=1
真值表
A B Y
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 1
六、测试点说明
测试点 位置 信号类型 说明
TP1 输入A节点 数字电平 输入A电平（0V/5V），拨码开关SW3决定
TP2 输入B节点 数字电平 输入B电平（0V/5V），拨码开关SW4决定
TP3 Q1集电极 数字电平 输入A反相信号（/A）
TP4 Q2集电极 数字电平 输入B反相信号（/B）
TP5 公共节点 数字电平 J1/J2/D1/D2汇合点
TP6 Q3集电极 数字电平 缓冲级输出（中间节点）
TP7 Q4集电极 数字电平 Y输出
TP8 Q7、Q8集电极 数字电平 同或、异或门中间级
TP9 Q7、Q8发射极 数字电平 同或、异或门中间级
TP10 Q9基极 数字电平 同或、异或门中间级
TP11 Q5发射极/Q6集电极 高阻/中间电平 同或、异或门中间级
七、工作原理
1、输入缓冲级（Q1、Q2）
当SW3拨到ON（高电平输入）：
LED1点亮（指示A=1）
电流经R1（1k）进入Q1基极 → Q1导通
Q1集电极被拉低至约0.2V（逻辑0），TP3输出低电平
当SW3拨到OFF（低电平输入）：
LED1熄灭（指示A=0）
Q1基极通过R46（10k）下拉到地 → Q1截止
Q1集电极被R3（3.3k）上拉到+5V（逻辑1），TP3输出高电平
Q2同理，对应于B输入和R47下拉。
关键：R1/R2和R52/R53/R54/R55共同确保了Q1/Q5/Q7的基极之间不会相互钳制。例如，当Q1导通（基极被钳位在0.6V）时，Q5和Q7的基极仍可通过各自独立的1k电阻（R52/R54）获得足够的驱动电压。
2、跳线帽配置级（J1~J7）
J1：将Q1集电极（/A信号）接入公共节点（TP5）
J2：将Q2集电极（/B信号）接入公共节点（TP5）
J3：将公共节点信号送到Q3基极
J4：将Q3集电极直接连接到公共节点
J5：将Q3集电极连接到Q4基极
J6：将Q3集电极信号直接接到输出端，J6短路时旁路Q4
J7：将同或门和异或门输出接入Q3集电极(F点)
通过不同组合，实现不同门逻辑。
3、LED3指示
LED3指示最终输出电平：高电平亮，低电平灭。
注意：当J3或J5断开时，对应三极管基极处于高阻态。此时若用手触摸跳线帽排针，可能引入人体感应信号导致输出短暂跳变——此现象不影响静态逻辑测试，但测量时请勿触摸。
八、实验操作步骤
选择门类型：根据“跳线帽配置表”插好对应门类型的跳线帽（如AND门：J3=●，J6=●，其余○）。
输入组合测试：
SW3=OFF, SW4=OFF → 观察LED3状态，记录输出
SW3=ON, SW4=OFF → 观察LED3状态，记录输出
SW3=OFF, SW4=ON → 观察LED3状态，记录输出
SW3=ON, SW4=ON → 观察LED3状态，记录输出
验证真值表：将记录结果与对应门真值表对比，验证逻辑正确性。
更换门类型：拔出所有跳线帽，按下一个门类型的配置重新插入，见“四、跳线帽配置表”。
测试点测量（可选）：
用万用表测量TP1、TP2、TP7，验证输入/输出电平
测量内部节点（TP3~TP11（TP7除外）），观察各级信号变化
完成7种门测试：依次完成全部7种逻辑门的测试与记录。
九、实验记录表
1、输入/输出真值表验证（示例：与门配置）
A（SW3） B（SW4） LED3状态 输出Y电压理论值 实际结果
OFF（0） OFF（0）
ON（1） OFF（0）
OFF（0） ON（1）
ON（1） ON（1）
空白处由实验者自行填写。
学生自测：按上面表格，自行完成其余6种门的真值表验证。
2、各门测试结果汇总
门类型 00→Y 01→Y 10→Y 11→Y 是否通过？
与门 0 0 0 1
或门 0 1 1 1
非门 1 — — 0
与非门 1 1 1 0
或非门 1 0 0 0
异或门 0 1 1 0
同或门 1 0 0 1
是否通过？请实验者自行填写。
十、思考
问题1：输入下拉电阻R46/R47的作用是什么？
当SW3拨到OFF时，输入A节点通过R46（10k）连接到地。如果去掉R46，输入A节点会处于什么状态？可能产生什么后果？
问题2：基极隔离电阻R52/R53/R54/R55为什么是必要的？
观察A输入节点：SW3接高时，Q1、Q5、Q7三个基极都要获得驱动电压。若没有R52/R54，Q1导通后其基极被钳位在0.6V，Q5和Q7还能获得足够的基极电压吗？解释原因。
问题3：跳线帽配置表中，非门（NOT）为什么要求J1=●、J4=●？
分析非门的信号路径，说明J1短路和J4短路分别起什么作用。
问题4：异或门和同或门配置中，J1和J2为什么是“任意状态”？
在异或门/同或门配置中，J1和J2开路或短路都不影响输出。说明原因。（提示：观察异或门/同或门配置中J3、J5、J6、J7的状态）
问题5：如果用PNP三极管代替NPN三极管（S8050），电路需要做哪些改动？
问题6：本电路的非门只能实现Y=/A（输入只有A，B未用）。如何修改跳线帽配置使非门也能利用B输入？（例如实现Y=/B）
问题7：如果移除所有基极隔离电阻（R52~R55），在什么输入组合下会出现逻辑错误？请具体举例。
问题8：或门配置（J1=●, J2=●, J3=●, J6=●）中，如果J2被误拔掉了，但J1仍短路，电路会实现什么逻辑功能？为什么？
问题9：与门配置（J3=●, J6=●）中，如果同时误插了J5，会发生什么现象？（提示：分析Q4基极被信号驱动后的状态）
问题10：本电路如果电源电压从5V改为3.3V，哪些参数需要重新计算和调整？（提示：基极偏置、集电极上拉）
问题11：本模块的逻辑门都是用分立三极管实现的。与CMOS逻辑门（如CD4000系列）相比，分立三极管逻辑门有哪些优缺点？
十一、实验结论
本实验通过9个S8050三极管、若干电阻和二极管，构建了一套完整的分立元件逻辑门电路。通过7个跳线帽（J1~J7）的不同短路/开路配置，成功实现了与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门、同或门七种基本逻辑功能。
实验验证了输入缓冲级（Q1/Q2）配合下拉电阻（R46/R47）可将拨码开关状态转换为稳定的高低电平。
基极隔离电阻（R52/R53/R54/R55）有效防止了共用输入节点的多个三极管之间因Vbe钳位而产生的相互干扰，确保各支路独立获得基极驱动电流。
跳线帽矩阵（J1~J7）通过简单的短路/开路操作即可实现逻辑功能的灵活切换，避免了为每种逻辑单独布线。
输出缓冲级（Q3/Q4/LED3）可驱动LED进行直观的0/1指示，方便初学者快速验证逻辑真值表。
测试点（TP1~TP11）为示波器/万用表测量提供了便利，便于深入理解各级信号变化。
通过本实验，学生应能掌握：
分立元件基本逻辑门电路的原理与构成
跳线帽配置在实际电路调试中的应用
真值表的验证方法与逻辑功能测试流程
三极管数字电路中的常见设计技巧（偏置、隔离、上拉/下拉）
实验零 完 |
