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从逻辑图到面包板：用 74HC 芯片搭电路

阅读约 8 分钟 · bitGateLab 团队

在电路图上能工作的电路，到了面包板上可能因为图中看不到的细节而失败：电源轨中间断开、芯片插反、输入悬空，或者 LED 没接电阻。本文将介绍面包板内部是怎样连接的，如何读 14 引脚 DIP 封装 74HC 芯片的引脚排列，如何计算 LED 的电阻，以及如何有条理地调试。

面包板内部是怎样连接的

插孔下面有金属条，把成组的孔连在一起。典型的布局是：

接线区：行有编号（1、2、3…），列有字母（a 到 j）。在每一行中，a、b、c、d、e 五个孔彼此相连，f、g、h、i、j 五个孔也彼此相连，但这两组之间是断开的。
中央凹槽：e 列和 f 列之间的槽。DIP 芯片要跨在它上面插入，这样每个引脚各占一行，并且还有四个空孔可以接导线。
电源轨：两侧标有 + 和 − 的长条，沿面包板的长度方向延伸。在许多较长的面包板上，它们在中间是断开的；如果你看到印刷的线条上有缺口，就用一根导线把两半连起来。

速记规则：两个接线点只有在同一行且位于凹槽同一侧时，或者在同一条电源轨上（如果电源轨中间断开，还要在同一半）时，才是相连的。其他情况都需要用导线连接。

14 引脚 DIP 芯片的引脚排列

从上方看芯片，让缺口（或圆点）朝上或朝左。引脚 1 紧挨着缺口，编号按逆时针方向继续：1 到 7 沿一侧向下，8 到 14 沿另一侧向上。引脚 14 正对着引脚 1。

74HC00（四个 2 输入 NAND 门）俯视图。第 n 个门的输入为 nA、nB，输出为 nY。

大多数 14 引脚逻辑芯片的电源引脚位于对角：引脚 14 = VCC，引脚 7 = GND。内含四个 2 输入门的芯片都采用相同的引脚排列：

芯片	功能	门 1	门 2	门 3	门 4
74HC00	NAND	A=1, B=2, Y=3	A=4, B=5, Y=6	A=9, B=10, Y=8	A=12, B=13, Y=11
74HC08	AND
74HC32	OR
74HC86	XOR

注意例外情况。74HC02（四个 NOR 门）的输出在引脚 1、4、10 和 13；74HC04（六个反相器）使用的输入/输出引脚对是 1→2、3→4、5→6、9→8、11→10 和 13→12。给任何芯片接线之前，都要先在数据手册中确认它的引脚排列。

LED 的限流电阻

LED 如果直接接到输出端，会汲取该输出所能提供的全部电流，从而损坏 LED 或芯片。串联电阻可以把电流限定下来：

R = (V_输出 − V_f) / I

其中 V_f 是 LED 的正向压降（普通的红色、黄色和绿色 LED 约为 2 V；蓝色和白色约为 3 V）。74HC 的输出在保持有效逻辑电平的前提下，规定可提供约 4 mA 的电流；索取更大的电流会使输出电压偏离 VCC 或 GND。

例：红色 LED（V_f = 2 V）接在 5 V 供电的 74HC 输出端，目标电流为 4 mA。

R = (5 − 2) / 0.004 = 750 Ω。
选取紧邻的更大的标称值，820 Ω。
实际电流：I = 3 / 820 ≈ 3.7 mA，在限值之内，也足以让 LED 清晰可见。

如果用 330 Ω，电流将是 3 / 330 ≈ 9.1 mA，比保持有效电平所规定的值高出一倍还多。

对于用逻辑 1 点亮的 LED：输出 → 电阻 → 阳极（长脚）→ 阴极（短脚，有平边的一侧）→ GND。

未连接的输入

CMOS 输入的阻抗极高。如果让它悬空，它读到的既不是“0”也不是“1”：它会因噪声或积累的电荷而处于任意电压，可能停在中间电平，使门电路振荡或消耗比正常情况更多的电流。因此：

对于开关，用一个 10 kΩ 电阻接到 GND（下拉，pull-down），开关接到 VCC；或者电阻接到 VCC（上拉，pull-up），开关接到 GND。没有这个电阻，开关断开时输入就悬空了。
不用的门，其输入应接到 GND 或 VCC；其输出则空着不接，绝不要接到 GND 或 VCC。

去耦电容

逻辑门在翻转时会汲取一个短暂的电流脉冲，而导线的电感使电源来不及及时提供这个电流，芯片上的电压会瞬间下降。对策是在 VCC 和 GND 之间接一个 100 nF 的陶瓷电容，尽可能靠近每一片芯片的引脚 14 和引脚 7，由它就近提供这一电流。此外，最好在面包板的电源入口处再接一个 10 到 100 µF 的电解电容，并注意它的极性。

从电路图到接线

例：用一片 74HC08 和一片 74HC32 实现 F = A·B + C。

把 74HC08 跨在凹槽上，缺口朝向行号较小的一端。如果引脚 1 位于第 10 行，那么引脚 7 位于第 16 行，引脚 14 位于凹槽另一侧的第 10 行。
把引脚 14 接到 + 电源轨，引脚 7 接到 − 电源轨。对 74HC32 做同样的连接。在每片芯片旁边放一个 100 nF 的电容。
A 接 74HC08 的引脚 1，B 接引脚 2。它的引脚 3（A·B）接到 74HC32 的引脚 1。
C 接 74HC32 的引脚 2。74HC32 的引脚 3 就是 F：把它接到一个 820 Ω 的电阻，再经一个 LED 接到 GND。
在两片芯片上，把多余的门的输入接到 GND：引脚 4、5、9、10、12 和 13。

分步调试

电源：用万用表直接在每片芯片的引脚 14 和引脚 7 之间测量电压，而不是在电源轨上测量。这样可以发现断开的电源轨或没插好的芯片。
方向：检查每片芯片的缺口。插反的芯片会在错误的引脚上得到供电并发热；如果发现芯片发烫，立即断开电源。
输入：确认每个输入都处于你预期的电平，包括未使用的门的输入。
逐门检查：从输入开始，朝输出方向推进，把每个节点与真值表对照。第一个对不上的节点就告诉你问题出在哪里。
机械问题：找一找芯片下面有没有弯折的引脚、插到相邻一行的导线，或者松动的跳线。

常见错误

想当然地认为电源轨贯通整块面包板，而实际上它们在中间是断开的。
放置芯片时没有跨过中央凹槽，结果相对的引脚在同一行里连在了一起。
让断开的开关所接的输入或未使用的门的输入悬空。

在模拟器中试一试

虚拟面包板可以让你在接触真实元件之前先练习布局和接线。

在电路编辑器中搭出 F = A·B + C，并验证它的真值表。
切换到虚拟面包板，把一片 74HC08 和一片 74HC32 跨放在中央凹槽上。
把 VCC 接到每片芯片的引脚 14，GND 接到引脚 7。
按照例子中的清单，连接各输入、芯片之间的连线以及通往 LED 的输出。
改变 A、B 和 C，观察 LED 是否符合真值表。

练习

在 74HC86 中，门 3 使用哪些引脚？它实现什么功能？
答案
输入在引脚 9 和 10，输出在引脚 8。它是 XOR 门。
计算绿色 LED（V_f = 2.1 V）在 5 V 下、电流为 3 mA 时所需的电阻，并选一个标称值。
答案
R = (5 − 2.1) / 0.003 ≈ 967 Ω。选用 1 kΩ，此时 I = 2.9 / 1000 = 2.9 mA。
一个用了三片 74HC 芯片的电路时好时坏，并且在多个门同时翻转时出错。你会先检查什么？
答案
去耦电容：每片芯片的引脚 14 和引脚 7 之间、紧靠芯片处接一个 100 nF 的电容。还要检查在每片芯片引脚上测得的电源电压。
一片芯片的引脚 1 插在第 20 行的 e 侧。引脚 8 位于哪一行、哪一侧？
答案
引脚 7 位于第 26 行的 e 侧，引脚 8 在它正对面：第 26 行，f 侧。