《数字逻辑电路》PPT课件.ppt

第5章 数字逻辑电路,电子技术基础,目录,5.1 数字电路概述 5.2 数制 5.3 基本逻辑门电路 5.4 组合逻辑电路 5.5 编码器 5.6 译码器 5.7 实例综合分析,5.1 数字电路概述,5.1.1 数字信号与模拟信号 模拟信号:时间和数值上都是连续变化的电信号。 数字信号:时间上和幅值上都是离散的的电信号。,下一页,返回,(a)模拟信号 （b）数字信号,5.1 数字电路概述,5.1.2 数字电路的特点 1数字电路中数字信号是用二值量来表示的，每一位数只有0和1两种状态。 2由于数字电路采用二进制，所以能够应用逻辑代数这一工具进行研究。 3由于数字电路结构简单，又允许元件参数有较大的离散性，因此便于集成化。,下一页,上一页,返回,5.1 数字电路概述,5.1.3 数字电路的分类 1数字电路按组成的结构可分为分立元件电路和集成电路两大类。 2按电路所用器件的不同，数字电路又可分为双极型和单极型电路。 3根据电路逻辑功能的不同，又可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。,下一页,上一页,返回,5.1 数字电路概述,5.1.4 数字电路的应用 由于数字电路的一系列特点，使它在通信、自动控制、测量仪器等各个科学技术领域中得到广泛应用。当代最杰出的科技成果-计算机，就是它最典型的应用例子。,下一页,上一页,返回,5.1 数字电路概述,5.1.5 脉冲信号 1、常见脉冲信号波形 常见的脉冲信号波形，如图所示。,下一页,上一页,返回,5.1 数字电路概述,(1)脉冲幅度Um:脉冲电压的最大变化幅度。 (2)脉冲宽度tw:脉冲波形前后沿0.5Um处的时间间隔。 (3)上升时间tr:脉冲前沿从0.1Um上升到0.9Um所需要的时间。,上一页,返回,2.矩形脉冲波形参数 非理想的矩形脉冲波形是一种最常见的脉冲信号，如图5-3所示。,下一页,5.1 数字电路概述,(4)下降时间tf:脉冲后沿从0.9Um下降到0.lUm所需要的时间。 (5)脉冲周期T:在周期性连续脉冲中，两个相邻脉冲间的时间间隔。 (6)占空比q:指脉冲宽度tw与脉冲周期T的比值。,上一页,返回,下一页,5.2 数制,5.2.1 十进制数 1.每一位数是09十个数字符号中的一个，这些基本数字符号称为数码。 2.每一个数字符号在不同的数位代表的数值不同，即使同一数字符号在不同的数位代表的数值也不同。 3.十进制计数规律是“逢十进一”。,下一页,返回,5.2 数制,十进制数的任意一个n位的正整数都可以用下式表示: 式中i为第i位的系数，它为09十个数字符号中的某一个数；10i为第i位的权；N10中下标10表示N是十进制数。,下一页,上一页,返回,5.2 数制,5.2.2 二进制数 二进制数采用两个数字符号，所以计数的基数为2。各位数的权是2的幂，它的计数规律是“逢二进一”。 N位二进制整数N2的表达式为 式中，N2表示二进制数；i为第i位的系数，只能取0和1的任一个；2i为第i位的权。,下一页,上一页,返回,5.2 数制,5.2.3 八进制数 在八进制数中，有07八个数字符号，计数基数为8，计数规律是“逢八进一”，各位数的权是8的幂。n位八进制整数表达式为,下一页,上一页,返回,5.2 数制,5.2.4 十六进制数 在十六进制数中，计数基数为16，有十六个数字符号:0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。计数规律是“逢十六进一”。各位数的权是16的幂，n位十六进制数表达式为,下一页,上一页,返回,5.2 数制,5.2.5 不同进制数之间的相互转换 1.二进制、八进制、十六进制数转换成十进制数 只要将二进制、八进制、十六进制数按各位权展开，并把各位的加权系数相加，即得相应的十进制数。,下一页,上一页,返回,一个二进制数N210101000，试求对应的十进制数。 解:N2101010002 127+125+12310 128+32+810 16810 即:10101000216810,5.2 数制,下一页,下一页,上一页,返回,求八进制数N8217所对应的十进制数。 解:N82178 282+181+78010 128+64+710 19910 即:217819910,5.2 数制,下一页,上一页,返回,求十六进制数N16A816所对应的十进制数。 解: N16A816 10161+816010 160+810 16810 即 A81616810,5.2 数制,下一页,上一页,返回,5.2 数制,2.十进制数转换成二进制数 将十进制数转换成二进制数可以采用除2取余法，步骤如下: 第一步:把给出的十进制数除以2，余数为0或1就是二进制数最低位0 第二步:把第一步得到的商再除以2，余数即为1 第三步及以后各步:继续相除、记下余数，直到商为0，最后余数即为二进制数最高位。,下一页,上一页,返回,5.2 数制,将十进制数1010转换成二进制数。 解:,所以10103210 10102,下一页,上一页,返回,5.2 数制,3.二进制与八进制、十六进制的相互转换 （1）二进制与八进制之间的相互转换 因为三位二进制数正好表示07八个数字，所以一个二进制数转换成八进制数时，只要从最低位开始，每三位分为一组，每组都对应转换为一位八进制数。若最后不足三位时，可在前面加0，然后按原来的顺序排列就得到八进制数。 反之，如将八进制数转换成二进制数，只要将每位八进制数写成对应的三位二进制数，按原来的顺序排列起来即可。,下一页,上一页,返回,5.2 数制,试将二进制数101010002转换成八进制数。 解: 010 101 000 2 5 0 即:1010100022508,下一页,上一页,返回,5.2 数制,试将八进制数2508转换为二进制数。 解 ： 2 5 0,010 101 000,即:2508101010002,下一页,上一页,返回,5.2 数制,（2）二进制数与十六进制数之间的相互转换 因为四位二进制数正好可以表示OF十六个数字，所以转换时可以从最低位开始，每四位二进制数分为一组，每组对应转换为一位十六进制数。最后不足四位时可在前面加0，然后按原来顺序排列就可得到十六进制数。 反之，十六进制数转换成二进制数，可将十六进制的每一位，用对应的四位二进制数来表示。,上一页,返回,下一页,5.2 数制,试将二进制数101010002转换成十六进制数。 解: 1010 1000,A 8,即:101010002A816,上一页,返回,下一页,5.2 数制,试将十六进制数A816转换成二进制数。 解: A 8,1010 1000,即: A816 101010002,上一页,返回,下一页,5.3.1 基本逻辑关系,与逻辑举例： 设1表示开关闭合或灯亮； 0表示开关不闭合或灯不亮;,5.3 基本逻辑门电路,1.与逻辑当决定某一事件的各个条件全部具备时，这件事才会发生，否则这件事就不会发生，这样的因果关系称为“与”逻辑关系。,若用逻辑表达式 来描述，则可写为,上一页,返回,下一页,若用逻辑表达式来描述，则可写为： FA+B,上一页,返回,下一页,或逻辑举例：,5.3 基本逻辑门电路,2或运算当决定一件事情的几个条件中，只要有一个或一个以上条件具备，这件事情就发生。我们把这种因果关系称为或逻辑。,非逻辑举例：,若用逻辑表达式来描述， 则可写为：,3.非逻辑:决定事件只有一个条件，当这个条件具备时事件就不会发生； 条件不存在时，事件就会发生。这样的关系称为“非”逻辑关系。,F,5.3 基本逻辑门电路,上一页,返回,下一页,4.其他常用逻辑运算,(2)或非 由或运算和非运算组合而成。,(1)与非 由与运算和非运算组合而成。,F,F,5.3 基本逻辑门电路,上一页,返回,下一页,(3)异或,异或是一种二变量逻辑运算，当两个变量取值相同时，逻辑函数值为0；当两个变量取值不同时，逻辑函数值为1。 异或的逻辑表达式为：,5.3 基本逻辑门电路,上一页,返回,下一页,(4)同或:,同或是一种二变量逻辑运算，当两个变量取值相同时，逻辑函数值为；当两个变量取值不同时，逻辑函数值为。 异或的逻辑表达式为：,B,5.3 基本逻辑门电路,上一页,返回,下一页,一、分立元件门电路 1.与门电路,5.3 基本逻辑门电路,5.3.2 门电路,上一页,返回,下一页,2.或门电路,5.3 基本逻辑门电路,上一页,返回,下一页,3.三极管非门电路,5.3 基本逻辑门电路,上一页,返回,下一页,4.与非门电路,5.3 基本逻辑门电路,上一页,返回,下一页,二、集成逻辑门电路 （一）TTL集成逻辑门电路 TTL集成逻辑门电路是三极管-三极管逻辑门电路的简称，是一种双极型三极管集成电路。 1TTL集成门电路产品系列及型号的命名法,下一页,上一页,返回,5.3 基本逻辑门电路,5.3 基本逻辑门电路,上一页,返回,下一页,TTL器件型号组成的符号及意义,2常用TTL集成门芯片 74X系列为标准的TTL集成门系列。下表列出了几种常用的74LS系列集成电路的型号及功能。,下一页,上一页,返回,5.3 基本逻辑门电路,下一页,上一页,返回,5.3 基本逻辑门电路,（1）74LS08与门集成芯片 常用的74LS08与门集成芯片，它的内部有四个二输入的与门电路，其外引脚图和逻辑图如下图所示。,5.3 基本逻辑门电路,（2）74LS32或门集成芯片 常用的74LS32或门集成芯片，它的内部有四个二输入的或门电路，其外引脚图和逻辑图如下图所示。,下一页,上一页,返回,5.3 基本逻辑门电路,（3）74LS04非门集成芯片 常用的74LS04非门集成芯片，它的内部有六个非门电路，其外引脚图和逻辑图如下图所示。,下一页,上一页,返回,5.3 基本逻辑门电路,（4）74LS00与非门集成芯片 常用的74LS00与非门集成芯片，它的内部有四个二输入与非门电路，其外引脚图和逻辑图如下图所示。,下一页,上一页,返回,5.3 基本逻辑门电路,（5）74LS02或非门集成芯片 常用的74LS02或非门集成芯片，它的内部有四个二输入或非门电路，其外引脚图和逻辑图如下图所示。,下一页,上一页,返回,当EN=1时，输出为高阻状态。 所以，这是一个低电平有效的三态门。,工作原理： 当EN=0时，为正常的非门，输出,3. TTL三态输出与非门电路 TTL与非门电路的系列产品中除了上述的与非门外，其他类型还有集电极开路的与非门(简称OC门)、三态输出门等，可以实现各种逻辑功能和控制作用。,5.3 基本逻辑门电路,上一页,返回,下一页,动画,动画,（二）CMOS门电路 CMOS门电路是由PMOS管和NMOS管构成的一种互补对称场效应管集成门电路。 （1）CMOS与非门 图5-22,下一页,上一页,返回,（2）CMOS或非门 图5-23,（3）CMOS三态门 图5-24,5.3 基本逻辑门电路,CMOS门电路的主要特点是: 功耗低 电源电压范围宽 抗干扰能力强。 制造工艺较简单。 集成度高，宜于实现大规模集成。,下一页,上一页,返回,5.3 基本逻辑门电路,1CMOS门电路系列及型号的命名法,下一页,上一页,返回,5.3 基本逻辑门电路,2.常用TTL、CMOS集成基本门电路见下表。,下一页,上一页,返回,5.3 基本逻辑门电路,对于或非门及或门，一种是直接接地；另一种是与有用的输入端并联使用。,对于与非门及与门，一种是直接接电源正端，或通过一个上拉电阻（13kW）接电源正端；另一种和已使用的输入端并联使用,5.3.3 TTL门电路和MOS门电路的使用 1. TTL门电路的使用 （1）多余输入端的处理,5.3 基本逻辑门电路,上一页,返回,下一页,（2）TTL电路使用注意事项 电路输入端不能直接与高于+5.5V，低于-0.5V的低电阻电源连接，否则因为有较大电流流入器件而烧毁器件。 除三态门和OC门之外，输出端不允许并联使用，否则会烧毁器件。 防止从电源连线引入的干扰信号，一般在每块插板上电源线接去藕电容，以防止动态尖锋电流产生的干扰。 系统连线不宜过长，整个装置应有良好的接地系统，地线要粗、短。,下一页,上一页,返回,5.3 基本逻辑门电路,2. M0S门电路的使用 （1）多余输入端的处理 MOS电路的多余输入端绝对不允许处于悬空状态，否则会因受干扰而破坏逻辑状态。 MOS与非门、或非门多余输入端的处理方法与TTL与非门、或非门多余输入端的处理方法相同,下一页,上一页,返回,5.3 基本逻辑门电路,（2）MOS电路使用注意事项 要防止静电损坏。 操作人员应尽量避免穿着易产生静电荷的化纤物，以免产生静电感应。 焊接MOS电路时，一般电烙铁容量应不大于20W，烙铁要有良好的接地线，焊接时利用断电后余热快速焊接，禁止通电情况下焊接。,上一页,返回,5.3 基本逻辑门电路,下一页,5.4 组合逻辑电路,5.4.1 逻辑代数 1.逻辑代数的基本定律,下一页,返回,上一页,证明反演律,证明吸收律,证：,5.4 组合逻辑电路,上一页,返回,下一页,2逻辑代数的代入规则 在任何一个逻辑等式中，将等式两边相同的部分用一个新的变量代替，等式仍然成立。这个规则就称为代入规则。,下一页,上一页,返回,例如，已知,，利用代入规则将等式中的B用新变量BC代替，则等式将变成,5.4 组合逻辑电路,5.4 组合逻辑电路,3逻辑函数的化简 一个逻辑函数可以有许多种不同的表达式 例: FABC 与或表达式 (AC)( B) 或与表达式 与非与非表达式 对于逻辑代数中的基本运算，都可用相应的门电路实现，因此一个逻辑函数式，一定可以用若干门电路的组合来实现。逻辑电路，按其列出的逻辑函数表达式越简单，也越有利于简化对电路逻辑功能的分析，所以必须对逻辑函数进行化简。,上一页,返回,下一页,5.4 组合逻辑电路,例5.10 化简 解 : =A,上一页,返回,下一页,5.4 组合逻辑电路,例5.11 化简,解：,=,=,=,=,上一页,返回,下一页,5.4 组合逻辑电路,例5.12 化简,=,=,=,=,解：,上一页,返回,下一页,5.4 组合逻辑电路,例5.13 将 变为与非与非式。,解：,=,=,上一页,返回,下一页,5.4 组合逻辑电路,4逻辑图、逻辑表达式及逻辑状态表的相互转换 (1)将逻辑图变换成逻辑函数表达式 (2)根据逻辑函数表达式填写逻辑状态表 (3)将逻辑状态表变换成逻辑函数表达式 (4)将逻辑函数式转换为逻辑图,下一页,上一页,返回,5.4 组合逻辑电路,例5.14 写出图5-30所示逻辑电路的逻辑函数表达式。,图5-30 例5.14 逻辑电路,解：,上一页,返回,下一页,5.4 组合逻辑电路,例5.15 写出图5-31 所示的逻辑电路的逻辑函数表达式。,解：,图5-31 例5.15 逻辑电路,利用反演律可将上式化为,上一页,返回,下一页,5.4 组合逻辑电路,例5.16 列出 的逻辑状态表。,0,1,1,0,上一页,返回,下一页,5.4 组合逻辑电路,例5.17 某逻辑关系的逻辑状态表如表5-7所示，用逻辑函数式表达该逻辑关系。,表5-7,步骤:,首先写出状态表中对应于Fl 的输入变量组合。对于每一种变量 组合用逻辑乘法将输入变量连接起来,逻辑加法将各个Fl的输入变量 组合连接起来,按照上述步骤写出表5-7所 对应的逻辑函数式为:,上一页,返回,下一页,5.4 组合逻辑电路,例5.18将逻辑表达式 转换为逻辑图。,解：逻辑乘法用与门实现，逻辑加法用或门实现，非运算用非门实现， 与非与非式用与非门实现，即可得到逻辑函数表达式相对应的逻辑图。,上一页,返回,下一页,5.4 组合逻辑电路,5.4.2 组合逻辑电路的分析 一般分析步骤如下: 1.写出已知逻辑电路的函数表达式。方法是直接从输入到输出逐级写出逻辑函数表达式。 2.化简逻辑函数，得到最简逻辑表达式。 3.列出真值表。 4.根据真值表或最简逻辑表达式确定电路功能。组合电路分析的一般步骤，可用图5-43所示框图表示。,下一页,上一页,返回,5.4 组合逻辑电路,下一页,上一页,返回,图5-43,例1 试分析图5-44 电路的逻辑功能,1）从输入到输出逐级写出输出端 的函数表达式,解：,（2）对表达式进行化简,=,=,=,（3）列出函数真值表，见表所示。,由式和表可知，图5-44 是一个同或门,图5-44,5.4 组合逻辑电路,上一页,返回,下一页,例2 试分析图5-45 电路的逻辑功能。,图 5-45,（1）逐级写出输出端的逻辑表达式,（2）上 式已是最简，故可不用化简。,（3）列真值表,(4)确定电路功能,由表可知，当A、B、C的取值组合中， 只有奇数个1时，输出为1，否则为0， 所以图5-45电路为3位奇偶检验器。,5.4 组合逻辑电路,上一页,返回,下一页,5.4 组合逻辑电路,5.4.3 组合逻辑电路的设计 1.将给出的实际逻辑问题进行逻辑抽象。 2.根据给定的因果关系列出真值表。 3.根据真值表写出相应的逻辑表达式，然后进行化简，并转换成命题所要求的逻辑函数表达式。 4.根据化简或变换后的逻辑函数表达式，画出逻辑电路图。,上一页,返回,下一页,上一页,返回,下一页,例1 试用与非门设计一个在三个地方均可对同一盏灯进行控制的组合逻辑电路。并要求当灯泡亮时，改变任何一个输入可把灯熄灭；相反，若灯不亮时，改变任何一个输入也可使灯亮。,（1）因要求三个地方控制一盏灯，所以设A、B、C分别为三个开关，作为输入变量，并设开关向上为1，开关向下为O；Y为输出变量，灯亮为1，灯灭为0。,（3）写表达式、并化简,（2）根据逻辑要求，列真值表,上式已不能化简，即为最简与或表达式。,上一页,返回,下一页,5.4 组合逻辑电路,（4）画逻辑电路图,因题目要求用与非门电路实现，所以先要将表达式变换为与非-与非表达式，然后根据与非-与非表达式再画逻辑图。见图5-47所示。,=,图5-47,上一页,返回,下一页,5.4 组合逻辑电路,5.5 编码器,所谓编码就是用文字、符号或数码表示某一对象或信号的过程。 编码器是能够实现编码的逻辑电路。,编码器是一个多输入、多输出的电路。,通常输入端多于输出端。,n位二进制代码有2n个状态，可以表示2n个信息。,常用的编码器有二进制编码器、二-十进制编码器、优先编码器等,上一页,返回,下一页,5.5 编码器,5.5.1 二进制编码器 二进制编码器是由n位二进制数表示2n个信号的编码电路。 8线3线编码器：8个信号用一组三位二进制数来表示 1分析要求，确定输出二进制位数,下一页,上一页,返回,5.5 编码器,2列真值表,3写表达式,Y2I4I5I6I7,Y1I2I3I6I7,Y0I1I3I5I7,用与非-与非表达式表示为,4画逻辑图,上一页,返回,下一页,上一页,返回,下一页,5.5 编码器,5.5 编码器,5.5.2 二十进制数编码器 将十进制数09编成二进制代码的电路，称为二十进制编码器。 例：8421BCD编码器 1分析要求 要对10个信号进行编码，至少需要4位二进制代码。因为2410，所以二十进制编器有十个输入和4个输出。,上一页,返回,下一页,5.5 编码器,2列真值表,上一页,返回,下一页,上一页,返回,下一页,5.5 编码器,5.6 译码器,译码是编码的反过程，是将给定的二进制代码翻译成编码时赋予的原意 。完成这种功能的电路称为译码器。 5.6.1 二进制译码器 例：2线4线译码器,（2）表达式,（1）真值表,上一页,返回,下一页,5.6 译码器,（3）画逻辑图,上一页,返回,下一页,集成译码器:进制译码器741383线8线译码器,上一页,返回,下一页,5.6 译码器,5.6 译码器,741383线8线译码器符号,上一页,返回,下一页,5.6 译码器,741383线8线译码器应用,两片74LS138组成的4线-16线译码器,上一页,返回,下一页,5.6 译码器,741383线8线译码器应用,YABAC函数发生器,上一页,返回,下一页,5.