在本文中，我们将讨论QSPICE的逻辑门，这是一种功能强大的仿真工具，可让用户设计和分析数字电路。逻辑门是数字电子技术的基本组件，用于执行基本逻辑运算，例如AND、OR、NOT、NAND、NOR、XOR和XNOR。了解它们的工作原理以及如何正确仿真它们，对于所有从事电子工程和数字电路设计的人来说都是必不可少的。
逻辑门是对一个或多个输入信号进行逻辑运算以产生单一输出的数字电路。每种类型的逻辑门都根据真值表执行特定的功能。以下是主要逻辑门的简要说明：
QSPICE逻辑门必须通电才能正常工作，就像实际逻辑电路一样。通常，QSPICE逻辑门具有以下引脚，如图1所示：
对于每个门，QSPICE都提供了标准模型、具有负输出的模型和具有两个输出的模型。设计人员可以选择最适合仿真的模型以及所需的输入数量(2、3、4、5)。将逻辑门插入电路图后，将其引脚连接到电路的其他部分并开始仿真。
图1：三输入AND逻辑门及其引脚
使用QSPICE，可以构建包含逻辑门的电路图，并在不同条件下仿真其操作。以下示例对五输入AND逻辑门进行仿真。根据以下公式，对五种逻辑状态的所有可能组合进行处理，从而产生32种不同的配置：
因此，我们创建一个新项目(参见图2中的电路图)，并从“行为”和“门”组中添加逻辑门“5输入AND门”。定位逻辑门后，需要定义电路的输入和输出以及电源触点。输入可以连接到代表逻辑信号(0和1)的方波电压源。逻辑门的输出可以连接到负载电阻上，在负载电阻上测量电压。五个信号发生器可产生电位为0V(L)和5V(H)的方波。分析刚刚创建的系统的逻辑运算，我们可以查看输入和输出信号的波形，从而验证逻辑运算的正确性。如图所示，生成了所有可能的信号组合，然后将其输入到逻辑门的相应输入中。
图2：在AND逻辑门中，仅当所有输入都具有高逻辑值时，输出才具有高逻辑值
使用真值表，可以立即读取两个或多个命题的结果，从而方便逻辑值的计算。如果输入的数量增加，与输出的逻辑状态相关的最终组合的数量也会增加。在这种类型的逻辑门中，只有当所有输入都具有高逻辑值时，输出才会呈现高逻辑值，如以下真值表所示。
当然，您也可以根据逻辑门的其他配置和输入的数量来测试电路图。请记住，无论采用何种解法模型，始终只有一个输出。
下一个例子涉及的解决方案是，当通过一个假想的模拟传感器测量的环境温度超过某个阈值时，该解决方案就会打开冷却系统。当温度降至阈值以下时，同一冷却系统(由一个简单的电阻器表示)将关闭，该示例不考虑滞后问题。如图3所示，该系统由电源系统、负载驱动器电路、温度传感器和代表实际冷却系统的电气负载组成。发生器B1是通过一个复杂的数学公式仿真温度传感器在24小时内记录的电压。
从电路图中可以看出，温度传感器的仿真信号介于0V和5V之间，进入数字缓冲器的输入端，将输出平方为0V或5V的数字值。通过此平方操作，信号不再具有仿真分量，而只有由两个不同电压值(0V和5V)形成的数字响应。为了更好地实现信号平方，可以使用施密特触发器，然后，数字缓冲器的输出驱动晶体管来控制冷却系统。该图显示了温度传感器测量的信号电平(红色图)和流过负载的电流的完美平方(蓝色图)。
图3：仿真系统原理图由电源、控制电路、温度传感器、风扇组成
组合电路是包含不同类型逻辑门的数字逻辑电路。换句话说，不同类型的逻辑门(如AND、OR、NOT、NAND、NOR、XOR和XNOR)组合在一起，形成一个执行特定操作的逻辑网络。其输出的逻辑状态取决于输入的每个逻辑电平，根据各种条件的精确组合确定最终结果。这些电路没有内存，这意味着输出仅由当前输入决定，而不是由先前的状态决定。有时，根据所用逻辑门的数量及其互连的复杂程度，会产生极其复杂的配置。
由于电路的复杂性，我们需要专门的数字仿真器和逻辑分析仪来分析和解决这些逻辑网络问题。这些工具使我们能够验证电路是否正常运行、识别所有设计错误并优化性能。图4中的逻辑图显示了由三个输入组成的组合逻辑网络，这会产生8种不同的输入信号组合。它由一个NAND门、一个NOR门和一个AND门组成，所有可能的输入信号的组合产生了以下真值表。
该图显示了组合电路的输出如何根据输入的不同状态而发生显著变化。电路中的每个逻辑门都执行特定的功能，对整体结果产生影响。例如，NAND门仅在所有输入都为高电平时才产生低电平输出，而NOR门仅在所有输入都为低电平时才产生高电平输出。另一方面，AND门仅在所有输入都为高电平时才产生高电平输出。
图4：组合电路
分析组合逻辑网络需要全面了解逻辑门之间的相互作用以及这些相互作用对电路输出的影响。随着输入和逻辑门数量的增加，复杂性也呈指数级增长，因此先进的设计和验证工具必不可少。使用数字仿真器，可以仿真各种场景中电路的行为，确保它们在所有预期条件下都能正常工作。组合电路是数字逻辑的基本组成部分，对于实现各种电子应用至关重要。在此示例中，除了逻辑门假设值A=0、B=0和C=1时，输出始终等于逻辑0。
如今，设计数字系统和电路比设计模拟系统和电路要简单得多。数字电路非常强大且可靠，而且设计不复杂，更容易检测故障并确保更安全、更稳定的运行。设计人员需要了解，任何系统都可以通过两个不同的逻辑层(真逻辑(1)和假逻辑(0))之间的交互来创建。二进制系统的知识不容小觑，因为它被广泛应用于电子学、软件开发以及最重要的微控制器和微处理器编程中。
真值表也是数字系统设计中极其有用的工具。正如我们所见，逻辑门是电子电路设计中的基本元素，其多功能性和可靠性使它们在创建从工业安全到控制系统的复杂电子系统时不可或缺。重要的是要记住，单个逻辑门无法驱动功率负载，需要实现功率电路才能运行，例如电动机、大型灯具和高能耗设备。掌握逻辑门和真值表的基础知识对于任何想要设计和构建现代电子电路的人来说都是必不可少的，加深这方面的知识，可以让用户成功解决电子设计的挑战，开发出创新的高性能系统。
(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News，参考链接：QSPICE: Logic Gates (Part 14)，由Ricardo Xie编译。)
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