数字电路-组合逻辑电路1课件

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第第4章章 组合逻辑电路组合逻辑电路数字电子技术 Digital Electronics Technology6/23/20241.组合逻辑电路的特点组合逻辑电路的特点 数字逻辑电路分为类:数字逻辑电路分为类:组合逻辑电路和时序逻辑电路。组合逻辑电路和时序逻辑电路。组合电路逻辑功能特点:组合电路逻辑功能特点:任意时刻的输出仅取决于该时任意时刻的输出仅取决于该时刻的输入,而与信号作用前电路原来的状态无关;刻的输入,而与信号作用前电路原来的状态无关;时序电路逻辑功能特点:时序电路逻辑功能特点:任意时刻的输出不仅取决于该任意时刻的输出不仅取决于该时刻的输入,而与信号作用前电路原来的状态有关。时刻的输入,而与信号作用前电路原来的状态有关。4.1 概述概述6/23/20242.组合电路的分析步骤组合电路的分析步骤 (1)由已知的逻辑图,写出相应的逻辑函数式;)由已知的逻辑图,写出相应的逻辑函数式;(2)对函数式进行化简;)对函数式进行化简;(3)根据化简后的函数式列真值表,找出其逻辑功能。)根据化简后的函数式列真值表,找出其逻辑功能。4.2 组合逻辑电路的分析与设计方法组合逻辑电路的分析与设计方法例:例:试分析图示电路的逻辑功能。试分析图示电路的逻辑功能。解:解:第一步:由逻辑图可以写第一步:由逻辑图可以写输出输出F的逻辑表达式为:的逻辑表达式为:所谓组合逻辑电路的分析,就是根据给定的逻辑电路图,所谓组合逻辑电路的分析,就是根据给定的逻辑电路图,求出电路的逻辑功能。求出电路的逻辑功能。6/23/2024 第二步:可变换为第二步:可变换为 F=AB+AC+BC 第三步:列出真值表。第三步:列出真值表。F真值表真值表 第四步:确定电路的逻辑功第四步:确定电路的逻辑功能。能。由真值表可知,三个变量输由真值表可知,三个变量输入入,只有两个及两,只有两个及两个以上变量取值为个以上变量取值为1时,输出时,输出才为才为1。可见电路可实现多数。可见电路可实现多数表决逻辑功能。表决逻辑功能。4.2 组合逻辑电路的分析与设计方法组合逻辑电路的分析与设计方法6/23/20243.3.组合逻辑电路的设计方法组合逻辑电路的设计方法组合逻辑电路的设计方法组合逻辑电路的设计方法 设计步骤:设计步骤:(1)分析设计要求,设置输入输出变量并逻辑赋值;分析设计要求,设置输入输出变量并逻辑赋值;(2)列真值表;列真值表;(3)写出逻辑表达式,并化简;写出逻辑表达式,并化简;(4)(4)根据所选器件:对逻辑式化简(用门电路)根据所选器件:对逻辑式化简(用门电路)根据所选器件:对逻辑式化简(用门电路)根据所选器件:对逻辑式化简(用门电路)变换(用变换(用变换(用变换(用MSIMSIMSIMSI)(5)画逻辑电路图。画逻辑电路图。与与分分析析过过程程相相反反,组组合合逻逻辑辑电电路路的的设设计计是是根根据据给给定定的的实实际逻辑问题,求出实现其逻辑功能的际逻辑问题,求出实现其逻辑功能的最简单最简单的逻辑电路。的逻辑电路。4.2 组合逻辑电路的分析与设计方法组合逻辑电路的分析与设计方法6/23/2024 例例:一一火火灾灾报报警警系系统统,设设有有烟烟感感、温温感感和和紫紫外外光光感感三三种种类类型型的的火火灾灾探探测测器器。为为了了防防止止误误报报警警,只只有有当当其其中中有有两两种种或或两两种种以以上上类类型型的的探探测测器器发发出出火火灾灾检检测测信信号号时时,报报警警系系统统产生报警控制信号。设计一个产生报警控制信号的电路。产生报警控制信号。设计一个产生报警控制信号的电路。解:解:(1)分析设计要求,设输入输出变量并逻辑赋值;分析设计要求,设输入输出变量并逻辑赋值;输入变量:烟感输入变量:烟感A、温感、温感B,紫外线光感,紫外线光感C;输出变量:报警控制信号输出变量:报警控制信号Y。逻辑赋值:用逻辑赋值:用1表示肯定,用表示肯定,用0表示否定。表示否定。4.2 组合逻辑电路的分析与设计方法组合逻辑电路的分析与设计方法6/23/2024(2)列真值表列真值表 (3)由真值表写逻辑表达式,并化简;由真值表写逻辑表达式,并化简;化简得最简式:化简得最简式:(4)画逻辑电路图:画逻辑电路图:4.2 组合逻辑电路的分析与设计方法组合逻辑电路的分析与设计方法6/23/2024设计举例:设计举例:设计一个监视交通信号灯状态的逻辑电路如果信号灯如果信号灯出现故障,出现故障,Z为为1RAGZ6/23/2024设计举例:设计举例:1.抽象输入变量:红(R)、黄(A)、绿(G)输出变量:故障信号(Z)2.列出真值表3.写出逻辑表达式输入变量输出R AG Z0 0010 0100 1000 1111 0001 0111 1011 1116/23/2024设计举例:设计举例:4.选用小规模SSI器件5.化简6.画出逻辑图6/23/2024 人人们们为为解解决决实实践践上上遇遇到到的的各各种种逻逻辑辑问问题题,设设计计了了许许多多逻逻辑辑电电路路。然然而而,我我们们发发现现,其其中中有有些些逻逻辑辑电电路路经经常常、大大量量出出现现在在各各种种数数字字系系统统当当中中。为为了了方方便便使使用用,各各厂厂家家已已经经把把这些逻辑电路制造成中规模集成的组合逻辑电路产品。这些逻辑电路制造成中规模集成的组合逻辑电路产品。比比较较常常用用的的组组合合逻逻辑辑部部件件有有编编码码器器、译译码码器器、数数据据选选择择器、加法器和数值比较器等等。器、加法器和数值比较器等等。1.1.编码器编码器编码器编码器 4.3 常用组合逻辑电路部件常用组合逻辑电路部件 用用二二进进制制代代码码表表示示文文字字、符符号号或或者者数数码码等等特特定定对对象象的的过过程,称为编码。实现编码的逻辑电路,称为编码器。程,称为编码。实现编码的逻辑电路,称为编码器。6/23/20244.3 常用组合逻辑电路部件常用组合逻辑电路部件 目前经常使用的编码器有普通目前经常使用的编码器有普通编码器和优先编码器两种。编码器和优先编码器两种。若编码状态数为若编码状态数为2n,编码输出,编码输出位数为位数为n,则称之为二进制编码器。,则称之为二进制编码器。(1 1)普通编码器普通编码器普通编码器普通编码器88线线线线-3-3线编码线编码线编码线编码器器器器 特点:任何时刻只允许输入一个编码特点:任何时刻只允许输入一个编码信号。信号。例:例:3 3位二进制普通编码器位二进制普通编码器6/23/2024 I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7Y2Y1Y0任何时刻只允许输入任何时刻只允许输入一个编码请求一个编码请求其它输入取值组合不允许出现,为无关项。其它输入取值组合不允许出现,为无关项。4.3 常用组合逻辑电路部件常用组合逻辑电路部件6/23/20244.3 常用组合逻辑电路部件常用组合逻辑电路部件(2)二进制优先编码器()二进制优先编码器(Priority Encoder)在在优优先先编编码码器器中中,允允许许同同时时输输入入两两个个以以上上的的有有效效编编码码请请求求信信号号。当当几几个个输输入入信信号号同同时时出出现现时时,只只对对其其中中优优先先权权最最高高的的一一个个进进行行编编码码。优优先先级级别别的的高高低低由由设设计计者者根根据据输输入入信信号的轻重缓急情况而定。号的轻重缓急情况而定。6/23/2024二、优先编码器二、优先编码器特点:允许同时输入两个以上的编码信号,但只对其中优先权最高的一个进行编码。例:8线-3线优先编码器(设I7优先权最高I0优先权最低)输 入输 出I0I1I2I3I4I5I6I7Y2Y1Y0XXXXXXX1111XXXXXX10110XXXXX100101XXXX1000100XXX10000011XX100000010X1000000001100000000006/23/2024选选通通信信号号选通信号6/23/2024低电平实例:实例:74HC148附加输出附加输出信号信号使能端6/23/2024附附加加输输出出信信号号为0时,电路工作无编码输入为0时,电路工作有编码输入6/23/2024InputsOutputsS I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7Y2 Y1 Y0 YEX YS 1 x x x x x x x x0 x x x x x x x 00 x x x x x x 0 10 x x x x x 0 1 10 x x x x 0 1 1 10 x x x 0 1 1 1 10 x x 0 1 1 1 1 10 x 0 1 1 1 1 1 10 0 1 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0低电平低电平有效有效允允许许编编码码,但但无无有有效效编编码请求码请求优先权优先权最高最高反反 码码 输输出出4.3 常用组合逻辑电路部件常用组合逻辑电路部件6/23/2024输 入输 出1XXXXXXXX11111011111111111010XXXXXXX0000100XXXXXX01001100XXXXX011010100XXXX0111011100XXX01111100100XX011111101100X011111111010001111111111106/23/2024状态11不工作01工作,但无输入10工作,且有输入00不可能出现附加输出信号的状态及含意附加输出信号的状态及含意 选通输入端选通输入端S:只有在只有在S=0时,编码器才处于工作状态;时,编码器才处于工作状态;而而在在S=1时时,编编码码器器处处于于禁禁止止状状态态,所所有有输输出出端均被封锁为高电平。端均被封锁为高电平。6/23/2024控制端扩展功能举例:控制端扩展功能举例:例:用两片8线-3线优先编码器16线-4线优先编码器其中,的优先权最高 6/23/2024YSYEX状态11不工作01工作,但无输入10工作,且有输入00不可能出现6/23/2024第一片为高优先权只有(1)无编码输入时,(2)才允许工作第(1)片 时表示对 的编码低3位输出应是两片的输出的“或”6/23/20246/23/20246/23/2024三、二三、二-十进制优先编码器十进制优先编码器 74LS147将 编成0110 1110 的优先权最高,最低输入的低电平信号变成一个对应的十进制的编码同样是反码输出6/23/20244.3.2 译码器译码器译码:将每个输入的二进制代码译成对应的输出高、低电平信号。常用的有:二进制译码器,二-十进制译码器,显示译码器等二进制译码器:输入为 n位二进制代码,输出为2n个状态。一、二进制译码器例:3线8线译码器输 入输 出A2A1A0Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y000000000001001000000100100000010001100001000100000100001010010000011001000000111100000006/23/2024真值表真值表 逻辑表达式:逻辑表达式:用电路进行实现用电路进行实现 用二极管与门阵用二极管与门阵列组成的列组成的3线线8线译码器线译码器6/23/2024集成译码器实例:集成译码器实例:74HC138低电平输出附加控制端 S为控制端(又称使能端),S=1 译码工作;S=0 禁止译码,输出全1。6/23/202474HC138的功能表:的功能表:输输 入入输输 出出S1A2A1A00XXXX11111111X1XXX11111111100001111111010001111111011001011111011100111111011110100111011111010111011111101101011111110111011111116/23/2024利用附加控制端进行扩展例:用74HC138(3线8线译码器)4线16线译码器6/23/2024D3=1D3=06/23/2024三、用译码器设计组合逻辑电路三、用译码器设计组合逻辑电路1.基本原理3位二进制译码器给出3变量的全部最小项;。n位二进制译码器给出n变量的全部最小项;任意函数将n位二进制译码输出的最小项组合起来,可获得任何形式的输入变量不大于n的组合函数6/23/20242.举例举例例:利用74HC138设计一个多输出的组合逻辑电路,输出逻辑函数式为:6/23/2024译码器实现逻辑函数的方法译码器实现逻辑函数的方法1.将被实现的函数变成最小项和的形式,并将函数的输入变量按顺序接到译码器的代码输入端2.译码器输出是低电平有效的用与非门 输出是高电平有效的用或门3.将函数所具有的最小项相应的所有输出连接到与非门(或门)的输入端,与非门的输出就是被实现的函数。6/23/2024二、二二、二十进制译码器十进制译码器将输入BCD码的10个代码译成10个高、低电平的输出信号BCD码以外的伪码,输出均无低电平信号产生例:74HC426/23/2024译中译中为为0拒绝拒绝伪码伪码6/23/20244.3 常用组合逻辑电路部件常用组合逻辑电路部件(3 3)显示译码器)显示译码器)显示译码器)显示译码器 数字显示器件数字显示器件 数数字字显显示示器器件件是是用用来来显显示示数数字字、文文字字或或者者符符号号的的器器件件,常常见见的的有有辉辉光光数数码码管管、荧荧光光数数码码管管、液液晶晶显显示示器器、发发光光二二极极管管数数码码管管、场场致致发发光光数数字字板板、等等离离子子体体显显示示板板等等等等。我们主要讨论发光二极管数码管。我们主要讨论发光二极管数码管。LED数码管数码管 LED数码管又称为半导体数码管,它是由多个数码管又称为半导体数码管,它是由多个LED按按分段式封装制成的。分段式封装制成的。LED数码管有两种形式:共阴型和共阳型。数码管有两种形式:共阴型和共阳型。6/23/2024七段显示七段显示LED数码管数码管(a)外形图外形图 (b)共阴型共阴型 (c)共阳型共阳型公共阴极公共阴极公共阳极公共阳极高电平驱动高电平驱动低电平驱动低电平驱动6/23/2024 发光二极管(发光二极管(LED)的特点及其驱动方式的特点及其驱动方式 LED具具有有许许多多优优点点,它它不不仅仅有有工工作作电电压压低低(1.53V)、体体积积小小、寿寿命命长长、可可靠靠性性高高等等优优点点,而而且且响响应应速速度快度快(100ns)、亮度比较高。亮度比较高。一般一般LED的工作电流选的工作电流选在在510mA,但不允许超过但不允许超过最大值(通常为最大值(通常为50mA)。)。LED可以直接由门电路可以直接由门电路驱动。驱动。R为限流电阻为限流电阻6/23/2024 2.BCD2.BCD七段字符显示译码器七段字符显示译码器(代码转换器)(代码转换器)7448 7448 输输 入入输输 出出数字A3A2A1 A0YaYbYc YdYeYfYg字形0000011111101000101100002001011011013001111110014010001100115010110110116011000111117011111100008100011111119100111100111010100001101111011001100112110001000111311011001011141110000111115111100000006/23/2024真值表真值表 卡诺图卡诺图6/23/2024BCD七段七段显示译码器显示译码器7448的逻辑图的逻辑图6/23/20247448的附加控制信号的附加控制信号:(1)灯测试输入 当 时,Ya Yg全部置为16/23/20247448的附加控制信号的附加控制信号:(2)灭零输入当 时,时,则灭灯6/23/20247448的附加控制信号的附加控制信号:(3)灭灯输入/灭零输出输入信号,称灭灯输入控制端:无论输入状态是什么,数码管熄灭输出信号,称灭零输出端:只有当输入 ,且灭零输入信号 时,才给出低电平 因此 表示译码器将本来应该显示的零熄灭了 6/23/20246/23/20241 1 1 1 1 1 00 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 11 1 1 1 0 0 10 1 1 0 0 1 11 0 1 1 0 1 10 0 1 1 1 1 11 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 11 1 1 0 0 1 10 0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 0 10 1 0 0 0 1 11 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 10 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 01 1 1 1 1 1 1a b c d e f g输输 出出1111111111111111001 RI/RBO输入输入/输出输出0123456789101112131415灭灯灭灯灭零灭零试灯试灯功能功能(输入)(输入)1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 00 LT RBI显示显示字形字形输输 入入0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 1 0 0 0 0 A3 A2 A1 A0七段显示译码器七段显示译码器74487448的功能表的功能表6/23/2024例:例:用七段显示译码器用七段显示译码器74LS48驱动共阴型驱动共阴型LED数码管。数码管。6/23/2024例:利用例:利用 和和 的配合,实现多位显示系统的的配合,实现多位显示系统的灭零控制灭零控制 整数部分:最高位是0,而且灭掉以后,输出 作为次高位的 输入信号小数部分:最低位是0,而且灭掉以后,输出 作为次低位的 输入信号6/23/20244.3.3 4.3.3 数据选择器数据选择器 Data SelectorData Selector数据选择器:是指能实现数据选择功能的逻辑电路。它数据选择器:是指能实现数据选择功能的逻辑电路。它的作用相当于多个输入的单刀多掷开关,又称的作用相当于多个输入的单刀多掷开关,又称“多路开多路开关关”MultiplexerMultiplexer。选择端数据输入端6/23/20244.3.3 4.3.3 数据选择器数据选择器工作原理工作原理6/23/2024A1A0Y11XX0000D10001D11010D12011D13例:“双四选一”,74HC153 分析其中的一个“四选一”6/23/2024D7WYEN74LS151D6D5D4D3D2D1D0CB A74LS151功能框图功能框图74LS151引脚图引脚图2、74LS151示意框图和引脚图示意框图和引脚图6/23/20243 3、74LS15174LS151的功能表的功能表的功能表的功能表输 入输 出使 能选 择YWENCBAHXXXLHLLLLD0LLLHD1LLHLD2LLHHD3LHLLD4LHLHD5LHHLD6LHHHD7当当EN=0时,时,Y的表达式为的表达式为:当当EN=1时,时,Y=1。无效无效输出输出。6/23/2024例:用两个例:用两个“四选一四选一”接成接成“八选一八选一”“四选一”只有2位选择输入,从四个输入中选中一个“八选一”的八个数据需要3位选择代码指定其中任何一个6/23/2024二、用数据选择器设计组合电路二、用数据选择器设计组合电路1.基本原理 具有n位选择输入的数据选择器,可产生任何形式的输入变量不大于n+1的组合函数MUX实现逻辑函数时,应将函数的变量接到MUX的选通变量端。如果函数变量个数为k,MUX的选通变量个数为n,则可能有以下几种情况:k=n;kn;kn。6/23/2024(1)K=n时时步骤:1.将逻辑函数的输入变量按次序接至MUX的数据选通端。2.选择器Y=m0D0+m1D1+m2D2+m3D3+m4D4+m5D5+m6D6+m7D73.逻辑函数包含的最小项,把对应数据输入变量接1,否则接0.例如:用八选一设计。6/23/2024(2)kn步骤:1.采用分离出多余变量,将变量和MUX的选择端一一对应连接。2.将分离出来的变量按一定的规则接到MUX的数据输入端。例如:用四选一设计6/23/2024例如:例如:6/23/2024(3)kn步骤:将MUX多的选择端接逻辑1或者逻辑0。由原来的2n选一的选择器变为2n-1选一的MUX使用。思考:用八选一设计6/23/20244.3.4 加法器加法器一、1位加法器1.半加器,不考虑来自低位的进位,将两个1位的二进制数相加输 入输 出ABS CO000 0011 0101 0110 16/23/20242.全加器:将两个1位二进制数及来自低位的进位相加 输 入输 出ABCISCO000000011001010011011001010101110011111174LS18374LS18374HC18374HC1836/23/2024二、多位加法器二、多位加法器串行进位加法器优点:简单缺点:慢6/23/20242.超前进位加法器优点:快,每1位的和及最后的进位基本同时产生。缺点:电路复杂。74LS28374LS2836/23/2024用加法器设计组合逻辑电路用加法器设计组合逻辑电路8421BCD码0011余3码例:将8421BCD码转换成余3码。余3码8421BCD码3(即0011)6/23/20244.3.5 数值比较器数值比较器用来比较两个二进制数的数值大小一、1位数值比较器 A,B比较有三种可能结果6/23/2024二、多位数值比较器二、多位数值比较器原理:从高位比起,只有高位相等,才比较下一位。例如:74LS856/23/20242.集成电路集成电路74LS85 实现实现4位二进制数的比较位二进制数的比较6/23/2024(3)数值比较器的位数扩展)数值比较器的位数扩展串联方式串联方式 用用2片片7485组成组成8位二进制数比较器。位二进制数比较器。6/23/20244.3 常用组合逻辑电路部件常用组合逻辑电路部件并联方式:并联方式:并联方式比串联方式的速度快。并联方式比串联方式的速度快。用用5片片7485组成组成16位二进制数比较器位二进制数比较器6/23/20244.4 组合逻辑电路中的竞争组合逻辑电路中的竞争-冒险现象冒险现象4.4.1 竞争-冒险现象及成因一、什么是“竞争”竞争:是指门电路的两个输入信号同时向相反的逻辑电平跳变的现象。二、因“竞争”而可能在输出产 生尖峰脉冲的现象,称为 “竞争-冒险”。6/23/2024三、2线4线译码器中的竞争-冒险现象6/23/20244.4.2*检查竞争检查竞争-冒险现象的方法冒险现象的方法 如果输出端门电路的两个输入信号A和A是输入变量A经过两个不同的传输途径来的,那么当A的状态发生突变的时候就可能产生尖峰脉冲。因此:只要输出端的逻辑函数在一定的条件下能简化为Y=A+A或者Y=AA,则可判定存在竞争-冒险现象。6/23/2024例例4.4.1 判断下面电路是否存在竞争冒险判断下面电路是否存在竞争冒险Y=AB+AC当B=C=1时Y=A+A所以该电路存在竞争冒险所以该电路存在竞争冒险6/23/20244.4.3 消除竞争-冒险现象的方法一、接入滤波电容尖峰脉冲很窄,用很小的电容就可将尖峰削弱到 VTH 以下。二、引入选通脉冲取选通脉冲作用时间,在电路达到稳定之后,P的高电平期的输出信号不会出现尖峰。6/23/2024三、修改逻辑设计例:6/23/2024本章小结本章小结1.门电路构成的组合逻辑电路的分析与设计;2.几种常用中规模器件的应用方法(要求会看功能表)编码器、译码器、数据选择器、数值比较器、加法器。3.利用中规模器件实现逻辑函数的方法:
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