数字电路课件：第2章_组合逻辑电路

第章第章第章第章第章第章 组合逻辑电路组合逻辑电路组合逻辑电路组合逻辑电路组合逻辑电路组合逻辑电路学习要点：学习要点：组合电路的分析方法和设计方法 第第第第第第2 2 2章章章章章章 组合逻辑电路组合逻辑电路组合逻辑电路组合逻辑电路组合逻辑电路组合逻辑电路集成门电路集成门电路获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的导通、截止（即开、关）两种工作状态。逻辑0和1：电子电路中用高、低电平来表示。逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路。简称门电路。基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、与非门、或非门、与或非门和异或门等。TTL系列集成电路及主要参数系列集成电路及主要参数TTL系列集成电路74：标准系列，前面介绍的TTL门电路都属于74系列，其典型电路与非门的平均传输时间tpd10ns，平均功耗P10mW。74H：高速系列，是在74系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd6ns，平均功耗P22mW。74S：肖特基系列，是在74H系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd3ns，平均功耗P19mW。74LS：低功耗肖特基系列，是在74S系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd9ns，平均功耗P2mW。74LS系列产品具有最佳的综合性能，是TTL集成电路的主流，是应用最广的系列。74LS00 的引脚排列图VCC 3A 3B 3Y 4A 4B 4Y 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND 14 13 12 11 10 9 874LS20 1 2 3 4 5 6 7VCC 2A 2B NC 2C 2D 2Y 1A 1B NC 1C 1D 1Y GND74LS20 的引脚排列图 14 13 12 11 10 9 874LS00 1 2 3 4 5 6 774LS00内含4个2输入与非门，74LS20内含2个4输入与非门。与门ABAB&1Y=AB=ABAB&YABA+B11或门AB1YY=A+B=A+B异或门AB&11YBABABABABABABABABAY)()(AB=1YCMOS门电路门电路（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路的低。（2）CMOS带负载的能力比TTL电路强。（3）CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在318V，抗干扰能力比TTL电路强。（4）CMOS电路的功耗比TTL电路小得多。门电路的功耗只有几个W，中规模集成电路的功耗也不会超过100W。（5）CMOS集成电路的集成度比TTL电路高。（6）CMOS电路适合于特殊环境下工作。（7）CMOS电路容易受静电感应而击穿，在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好，尤其是CMOS电路多余不用的输入端不能悬空，应根据需要接地或接高电平。CMOS数字电路的特点与门ABAB&1Y=AB=ABAB&YABA+B11或门AB1YY=A+B=A+B&1&1&1ABCDABCDABCDYYY(a)由与非门和反相器构成(b)由与门和或非门构成(c)逻辑符号CMOS与或非门DCBADCBAYDCBAY数字集成电路的性能参数（1）直流电源电压（2）输入/输出逻辑电平 高电平输入电压UIH低电平输出电压UIL高电平输出电压UOH低电平输出电压UOL（3）扇出系数NO：指一个门电路能带同类门的最大数目，它表示门电路的带负载能力。（4）平均传输时间tpd：信号通过与非门时所需的平均延迟时间。在工作频率较高的数字电路中，信号经过多级传输后造成的时间延迟，会影响电路的逻辑功能。（5）空载功耗：与非门空载时电源总电流ICC与电源电压VCC的乘积。使用集成电路时的注意事项（1）对于各种集成电路，使用时一定要在推荐的工作条件范围内，否则将导致性能下降或损坏器件。（2）数字集成电路中多余的输入端在不改变逻辑关系的前提下可以并联起来使用，也可根据逻辑关系的要求接地或接高电平。TTL电路多余的输入端悬空表示输入为高电平；但CMOS电路，多余的输入端不允许悬空，否则电路将不能正常工作。（3）TTL电路和CMOS电路之间一般不能直接连接，而需利用接口电路进行电平转换或电流变换才可进行连接，使前级器件的输出电平及电流满足后级器件对输入电平及电流的要求，并不得对器件造成损害。利用半导体器件的开关特性，可以构成与门、或门、利用半导体器件的开关特性，可以构成与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等各种逻辑门电非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等各种逻辑门电路，也可以构成在电路结构和特性两方面都别具特色的三态路，也可以构成在电路结构和特性两方面都别具特色的三态门、门、OCOC门、门、ODOD门和传输门。门和传输门。随着集成电路技术的飞速发展，分立元件的数字电路随着集成电路技术的飞速发展，分立元件的数字电路已被集成电路所取代。已被集成电路所取代。TTLTTL电路的优点是开关速度较高，抗干扰能力较强，电路的优点是开关速度较高，抗干扰能力较强，带负载的能力也比较强，缺点是功耗较大。带负载的能力也比较强，缺点是功耗较大。CMOSCMOS电路具有制造工艺简单、功耗小、输入阻抗高、电路具有制造工艺简单、功耗小、输入阻抗高、集成度高、电源电压范围宽等优点，其主要缺点是工作速度集成度高、电源电压范围宽等优点，其主要缺点是工作速度稍低，但随着集成工艺的不断改进，稍低，但随着集成工艺的不断改进，CMOSCMOS电路的工作速度已电路的工作速度已有了大幅度的提高。有了大幅度的提高。本节小结组合逻辑电路的分析与组合逻辑电路的分析与设计方法设计方法组合电路组合电路：输出仅由输入决定，与电路当前状：输出仅由输入决定，与电路当前状态无关；电路结构中态无关；电路结构中无无反馈环路（无记忆）反馈环路（无记忆）组合逻辑电路I0I1In-1Y0Y1Ym-1输入输出),(),(),(110111101111000nmmnnIIIfYIIIfYIIIfYABCY&组合逻辑电路的分析方法组合逻辑电路的分析方法逻辑图逻辑图逻辑表逻辑表达式达式 1 1 最简与或最简与或表达式表达式化简 2 ABY 1BCY 2CAY 31Y2Y3YY 2 CABCABY从输入到输出逐级写出ACBCABYYYY 321A B CY0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 100010111最简与或最简与或表达式表达式 3 真值表真值表CABCABY 3 4 电路的逻电路的逻辑功能辑功能当输入A、B、C中有2个或3个为1时，输出Y为1，否则输出Y为0。所以这个电路实际上是一种3人表决用的组合电路：只要有2票或3票同意，表决就通过。4 Y31111ABCYY1Y21逻辑图逻辑图BBACBABYYYYBYXYBAYCBAY213321逻辑表逻辑表达式达式BABBABBACBAY最简与或最简与或表达式表达式真值表真值表A B CY0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 111111100ABCY&用与非门实现用与非门实现电路的输出Y只与输入A、B有关，而与输入C无关。Y和A、B的逻辑关系为：A、B中只要一个为0，Y=1；A、B全为1时，Y=0。所以Y和A、B的逻辑关系为与非运算的关系。电路的逻辑功能电路的逻辑功能ABBAY真值表真值表电路功电路功能描述能描述组合逻辑电路的设计方法组合逻辑电路的设计方法：设计一个楼上、楼下开关的控制逻辑电路来控制楼梯上的路灯，使之在上楼前，用楼下开关打开电灯，上楼后，用楼上开关关灭电灯；或者在下楼前，用楼上开关打开电灯，下楼后，用楼下开关关灭电灯。设楼上开关为A，楼下开关为B，灯泡为Y。并设A、B闭合时为1，断开时为0；灯亮时Y为1，灯灭时Y为0。根据逻辑要求列出真值表。A BY0 00 11 01 10110 1 穷举法 1 2 逻辑表达式逻辑表达式或卡诺图或卡诺图最简与或最简与或表达式表达式化简 3 2 BABAY已为最简与或表达式 4 逻辑变换逻辑变换 5 逻辑电路图逻辑电路图ABY&ABY=1用与非门实现BABAYBAY用异或门实现真值表真值表电路功电路功能描述能描述：用与非门设计一个举重裁判表决电路。设举重比赛有3个裁判，一个主裁判和两个副裁判。杠铃完全举上的裁决由每一个裁判按一下自己面前的按钮来确定。只有当两个或两个以上裁判判明成功，并且其中有一个为主裁判时，表明成功的灯才亮。设主裁判为变量A，副裁判分别为B和C；表示成功与否的灯为Y，根据逻辑要求列出真值表。1 穷举法 1 A B CYA B CY0 0 00 0 10 1 00 1 100001 0 01 0 11 1 01 1 10111 2 ABCCABCBAmmmY765 2 逻辑表达式逻辑表达式 ABC0001111001ABACY&3 卡诺图卡诺图最简与或最简与或表达式表达式化简 4 5 逻辑变换逻辑变换 6 逻辑电逻辑电路图路图 3 化简 4 111Y=AB+AC 5 ACABY 6 组合电路中的竞争冒险组合电路中的竞争冒险1、产生竞争冒险的原因、产生竞争冒险的原因在组合电路中，当输入信号的状态改变时，输出端可能会出现不正常的干扰信号，使电路产生错误的输出，这种现象称为竞争冒险。产生竞争冒险的原因：主要是门电路的延迟时间产生的。AA1&Y1AAY1(a)(b)11Y2AAY2(a)(b)干扰信号01AAY12AAY2、消除竞争冒险的方法、消除竞争冒险的方法BCBAYY1 ABC000111100000110111ABC12314&有圈相切，则有竞争冒险有圈相切，则有竞争冒险ACBCBAY增加冗余项，增加冗余项，消除竞争冒险消除竞争冒险Y1ABC125341&本节小结组合电路的特点：在任何时刻的输出只取决于当组合电路的特点：在任何时刻的输出只取决于当时的输入信号，而与电路原来所处的状态无关。实现时的输入信号，而与电路原来所处的状态无关。实现组合电路的基础是逻辑代数和门电路。组合电路的基础是逻辑代数和门电路。组合电路的逻辑功能可用逻辑图、真值表、逻辑组合电路的逻辑功能可用逻辑图、真值表、逻辑表达式、卡诺图和波形图等表达式、卡诺图和波形图等5种方法来描述，它们在本种方法来描述，它们在本质上是相通的，可以互相转换。质上是相通的，可以互相转换。组合电路的设计步骤：逻辑图组合电路的设计步骤：逻辑图写出逻辑表达式写出逻辑表达式逻辑表达式化简逻辑表达式化简列出真值表列出真值表逻辑功能描述。逻辑功能描述。组合电路的设计步骤：列出真值表组合电路的设计步骤：列出真值表写出逻辑表写出逻辑表达式或画出卡诺图达式或画出卡诺图逻辑表达式化简和变换逻辑表达式化简和变换画出逻画出逻辑图。辑图。在许多情况下，如果用中、大规模集成电路来实现在许多情况下，如果用中、大规模集成电路来实现组合函数，可以取得事半功倍的效果。组合函数，可以取得事半功倍的效果。