2005-05-02：用开关搭电路
说句实在话，咱物理课上也学了电学的，那些习题中最简单的也得有几个电阻吧，而完全用“开关”组成的电路，咱还真是没见着过，确切地说是听都没听说过。一堆开关挤在一起能有什么说道吗？
一直担心 C# 今天不会来了，不过耗到晚上十点多钟，C# 还是跑上来了。
师：“忙什么呢你？你总是比我先跑上来？”
我：“以为你不来了，正想给你写个 MAIL，有几个问题想问一下。”
师：“待会儿再写，我们今天要开始新的内容，用开关组合成几个典型的电路。”
我：“不能先讨论下我的几个问题吗？”
师：“问题 EMAIL 给我，时间不够了。”
我：“好吧，你可真够忙的。”
师：“好了，我们今天要讨论的第一个电路，就是这个图。收一下。（figure0023）”
我：“这还需要讨论吗？太简单了吧？”
师：“你先跟我说说指向右方的那个箭头是什么意思？”
我：“那是个‘标签’？名字是 OUT？”
师：“OUT 是个 LABEL，外面框了一个箭头，组成了一个‘PORT’。”
我：“这你以前没说过。”
师：“今天告诉你。那个箭尖的方向指示了信号传输方向。”
我：“是指电流的流动方向？”
师：“不是电流，是信号的传输方向。”
我：“不解。”
师：“慢慢来吧，再说说尖朝下的那个箭头。”
我：“那是个三角形好吗？是‘接地’，电源的负极。”
师：“这个图里实际包括一个
我：“故弄玄虚！就直接画个电池出来有何不好？”
师：“你慢慢习惯这样的原理图吧，以后的图都是这模样的。”
师：“现在你说一下这个电路开关拨动后 OUT 端的电压会怎样变化？”
我：“天啊！说点别的行吗？这也太低级了吧？”
师：“你先说说看，说完我给你添点高级料。”
我：“灰色框里是个单刀双掷开关，拔到 1 处则 OUT 端有
师：“我们把
我：“这个说法有点新意，要扯到 ‘二进制’ 数上了吗？”
师：“是啊，二进制计数法中就只有两个数字 0 和 1，在电路之中我们用两个不同的电压‘表达’这两个数。”
我：“测量到
师：“这个问题提的好，这个‘1’究竟是多高的电压，这是一种人为约定。既然是人为的，那么怎么约定都是可以的，只要大家都统一在一个标准上就行了。”
我：“要这样说那么 1 节干电池负极可以定为 0，正极
师：“负极
师：“实际上我们常把电源负极做为电路参考点，就是那个‘地’了。当电路中某一点的电压与‘地’ ‘相当’ 时我们就说那一点是 ‘低电平’，而电路中某一点的电压与正电源端‘相当’时我们就说那一点是‘高电平’。”
我：“高电平用来表达 1，低电平用来表达 0。反过来低电平当做 1 高电平当做 0 也可以吧？”
师：“是的。重要的要有两种不同的‘电平’，谁是 0 谁是 1 根据需要来定。”
我：“好吧，这个清楚了。这个图还有什么门道吗？”
师：“呆会儿再说。收这个图先，这个图和前一个图有点类似。（figure0024）”
我：“这也太类似了。上面那个开关 S1 接通下面的 S2 断开，OUT 端就是 1，如果下通上断则 OUT 端就是 0。”
我：“总整这种东东有什么意思吗？”
师：“这个图和前一个图还是有不同之处的，你挑出来说说。”
我：“开关不一样啊， 上个图是一个单刀双掷， 这个图是两个单刀单掷。”
师：“所以这两个图我们要真动手操作一下开关肯定会有所不同的，第一个图（figure0023）开关随便拨，而第二个图（figure0024）得加点小心对吗？”
我：“第二个图中无论如何两个开关是不能同时都通的，那样电源就被直接短路了。”
师：“继续说，比如现在 OUT 端是 1，我想让 OUT 端变 0，怎么动开关？”
我：“那就必须先断上面的开关 S1，再接通下面的开关 S2，不能先接通 S2 后断 S1。”
师：“这是显而易见的。这个图还有一个非常重要的特色。”
我：“就这么个图还有特色呢？”
师：“两个开关全接通是不允许的，但两个开关全断开是允许的。”
我：“就这个啊？我还以为是什么高深的东东等着我呢。”
师：“相对于上个图（figure0023）来说，两个开关使得这个电路可以有 4 种不同的情形——上通下断、下通上断、上下都断、上下都通。其中‘上下都通’不允许出现。”
我：“这确实是两个图的差异。这有什么用呢？”
我：“我是说上下都断那个状态有什么用呢？”
师：“这就是我发给你的这个图所要说明的，收一下吧。（figure0025）”
师：“这个图的意思是 A 和 B 两个电路的 OUT 接在一起，两个电路都想控制 OUT 端是 0 还是 1。”
我：“这不可能，如果 A 电路想让 OUT 端是 1，它是上通下断，B 电路想让 OUT 端是 0，它下通上断，那么电源还是被短路了啊。”
师：“是这样的。所以 A 和 B 同时只能有一个电路起作用。当 A 电路要控制 OUT 端时，B 电路就必须上下都断，反过来也是一样。”
我：“有点意思，只用一个单刀双掷的开关确实无法实现这个目标。”
师：“所以由上下两个单刀单掷开关所产生的 4 种状态中，这个‘上下都断’的状态被称为‘输出端浮空态’，也常称为‘输出端高阻态’。”
我：“就是说 OUT 端对 5V 电源和地都呈现出一个很大很大的电阻？”
师：“是的，相当于上下两个开关都换成一个大电阻，比如
我：“
师：“这就是个意思而已。”
我：“明白了，这样来看这个两开关的电路比第一个图（figure0023）那个单开关的有优势。”
师：“我们可以用抽像点的形式总结一下（figure0027）；我们把每个三角框看做一个电路，它内部的具体是什么不去管，框左边标了‘1/3/5’的线就是‘输入’ 端，右边标了 ‘2/4/6’ 的线就是输出端。”
我：“多个电路的输出端如果想直接连在一起，那么这些电路的输出就应该能设置为‘高阻态’才行？怎么设置啊？”
此说法不够完善，下一节的补充说明中会有进一步讨论。
师：“完全正确，当 A/B/C 中任何一个电路要输出 0 或 1 时，其它两个电路就必须设置成‘输出端高阻态’。 怎么设置我们以后再说。”
师：“这些电路所能输出的‘高阻态’，加上这些电路能输出的‘0 状态’和‘1 状态’，我们说三角框中这些电路是‘三态’输出型的。”
我：“那第一个图（figure0023）可以说是‘两态’输出吗？”
师：“两态就不必强调了。”
师：“其实第一个图也具有三态，因为开关由 0 拨到 1 是需要时间的，那把“刀”离开 0 而又没接触到 1 时的状态就是‘高阻态’。”
注意上面对单刀双掷开关的说法只是理论上的，或者说是根据图上的开关符号来说的。实际上如果是单刀双掷的“拨动”开关，它在结构上存在一个小细节导致它的动作完全不是我们上面所说的那样。我们以后会另做讨论。
我：“那么短的时间可以忽略了吧？”
师：“那个时间可不短。我们研究的是‘电路’，对‘电路’来说，1 秒钟实在太漫长了。
我：“我以为‘一眨眼的工夫’是可以忽略不计的，没想到还真要搞清楚‘一眨眼的工夫’到底是几个毫秒？”
师：“其实第一个图也可以把输出端连接在一起，但不是直连，要加个电阻。收个图。（figure0028）”
我：“灯泡是有电阻的，换成电阻器也是没问题的对不？”
师：“对。不是三态输出的两个电路，如果输出端要接在一起的话，就必须加个电阻，避免出现把电源直接短路的情况。”
师：“这个图中我用个灯泡是想体现出这个电路的实用性。”
我：“这么简单还具有有实用性呢？”
师：“好了，我们继续用两个单刀单掷开关来组成电路。为了方便叙述，这些电路都是带个灯泡的。继 续收图。（figure0029） ”
师：“两只开关‘串联’，怎么样？如何才能让那个灯泡亮起来？”
我：“简单，两只开关都接通灯就亮了。”
师：“反过来说呢？”
我：“灯亮是因为两个开关都接通了。”
师：“我不是这个意思。‘反过来说’是‘两个开关中有任何一个不接通灯就不亮’。”
我：“呵呵，我以为是在讨论语文。”
师：“两个开关同样是 4 种状态： 左通右断、 左断右通、全断和全通。灯只有两种状态：亮和灭。你再收图。（figure0030）”
我：“一块儿都发给我不行吗？这一张一张的，比空姐 MM 还能钓胃口。”
师：“这是用表格总结了开关的 4 种状态与灯的两种状态的对应关系。右边的表最重要。”
我：“就是那个有字母
师：“如果仍然以自然语言来说这个表，我们可以说‘
我：“你真能绕弯子。
师：“你真机灵，就是这个意思。这个电路实现了‘与’逻辑关系。”
我：“那俺的天份是不是可以加上
师：“说你胖你就喘。再收图。（figure0031）”
我：“来点名词解释吧，这个 ‘与逻辑’ 仨字儿应该怎么理解？”
师：“首先‘与’这个字表示两个开关‘都’要接通，或者说
我：“这不是推理探案的那种逻辑啊？”
师：“其实输入和输出之间就是一种 ‘因’ 和 ‘果’ 的关联，所以借用‘逻辑’这个字眼比较贴切。”
我：“总算是一块发过来了。这个我自己总结一下：两个开关并联，只要有一个开关接通，灯就亮了。”
我：“反过来说是 ‘两个开关都不接通灯就不亮’。用语言表述这个表是‘
师：“这是个什么逻辑关系？”
我：“这个还是‘与’逻辑关系啊？”
师：“这个不是‘与’逻辑。你应该说‘
我：“总是对应着‘输入 1’说啊？”
师：“不是总对应着‘输入 1’说，你不能前一个图（figure0030）对应着‘输入 1’说而这个图又对应着‘输入 0’说，前后得一致啊。”
师：“最后还有一个图，这是我们今天讨论的最后一个电路。（figure0032）”
我：“我还以为所有的图都发了呢，还有存货？”
我：“这个图完全的不好使，开关
师：“先不去管图的合理性，配的那个表能明白不能？”
我：“表倒是好理解，开关断开则灯亮，接通则灯灭，这是个‘反’逻辑对吗？”
师：“学名叫‘非’逻辑，其实就是‘反’，输入1 则输出 0，输入 0 则输出 1。”
我：“这些就是我们今天讨论的电路？怎么感觉这么弱啊？”
师：“一点也不弱，至少那个 ‘三态’ 输出你是从来没想到过？”
我：“这倒是，怎样把多个电路的输出端连在一起也是从没接触过的内容。不过我仍然觉得比我们物理考试要容易得多。”
师：“容易点也好，省点脑细胞挑逗空姐用。”
我：“嘿嘿，空姐 MM 还没来呢。我们下回要讨论些什么？”
师：“下回说一些用开关和电阻共同组成的电路。我先撤了，你想一下那个实用电路（figure0028） 究竟是怎么回事。”
我：“就是那个两个单刀双掷开关控制一个灯的？”
没等我说完，C# 这家伙便以迅雷不及掩耳盗铃之速度冲下 MSN。这个图要怎么 GOOGLE 呢？盯着这个电路看了会儿，实在想不出应该搜什么关键字比较好。要不咱也试着画个表格来分析一下？
我仿照 C# 发来的图画了一个表（figure0033），两个开关仍然有 4 种状态组合，灯亮为 1，灯灭为 0。表格填好后我仔细地对比了一下 C# 发来的表格，这个电路似乎实现的是‘或’逻辑，然而又不完全是‘或’，因为当两个开关都接‘1’时，灯却是输出了‘0’。
看来通过这个表发现不了什么“实用性”。再仔细思考一下这两个开关对灯的影响，我发现这两个开关并没有确定“开灯状态”和“关灯状态”，更细致地说，当左边开关为 1 时，右边开关为 0 则灯亮，为 1 则灯灭；而如果左边开关为 0，那右边开关的行为就反过来了。
如果左右手分别控制两个开关呢？左手拔开关灯亮，右手拔灯灭，左手再拔灯又亮......
师：“想一下一条走廊中间只有一个灯，怎样避免长明灯。”
我：“你怎么又冒上来啦？”
C# 这家伙竟然冷不丁地又上来了，可是只说了一句话又溜了下去。“搞什么搞？还神龙见首不见尾了？”不过这句话还是让我恍然大悟：如果这灯装在一条走廊中间而开关装在走廊两个门口，那么一个人进走廊时拔下开关灯亮，从另一端出走廊时拔下那边的开关灯就灭，这不会浪费电，而且其它的人不论从哪个门进入哪个门出去总是可以开关灯的。有点意思啊。