[课件资料]第四章 组合逻辑电路(1)

第四章组合逻辑电路,4.1概述,数字电路按逻辑功能可分为两类：1.组合逻辑电路2.时序逻辑电路,本章重点：1.组合逻辑电路的分析方法；2.组合逻辑电路的设计方法；3.常用组合电路的功能和使用方法(读懂功能表)。对于具体逻辑电路结构了解一下就可以了。,常用组合电路包括：1.编码器2.译码器3.数据选择器4.加法器5.数值比较器,第四章复习要点基本概念组合逻辑电路的定义和特点、普通编码器、优先编码器、译码器、数据选择器、半加器、全加器、串行进位加法器、超前进位加法器、数值比较器、竞争冒险的定义、产生的原因及判断组合逻辑电路的分析方法与设计方法门电路、译码器、数据选择器,一、组合逻辑电路的特点,逻辑功能：任意时刻的输出仅仅取决于该时刻的输入，与电路原来的状态无关。,结构：只包含门电路，没有存储单元。,二、逻辑功能的描述,逻辑图,逻辑图逻辑函数式逻辑真值表框图,框图,向量函数,不够直观,4.2组合逻辑电路的分析方法和设计方法,4.2.1组合电路的分析方法,逻辑图函数式真值表（功能表）,从输入端到输出端逐级写出每个门的输出逻辑函数式化简或变换逻辑函数式（公式化简法或卡诺图化简法）列出真值表（功能表）,例4.2.1试分析下图所示电路的逻辑功能，指出用途,真值表,功能：判别输入的4位二进制数数值的范围,所做的工作根据给出的实际逻辑问题，求出实现这一逻辑功能的最简单逻辑电路最简单所用的器件数最少，器件的种类最少，而且器件之间的连线也最少,4.2.2组合逻辑电路的设计方法,一、逻辑抽象分析因果关系，确定输入/输出变量定义逻辑状态的含意（赋值）列出真值表二、写出逻辑函数式三、选定器件类型四、将逻辑函数化简或变换成适当的形式五、根据化简或变换后的逻辑函数式，画出逻辑电路的连接图六、工艺设计,组合逻辑电路的设计步骤,组合逻辑电路的设计过程,设计举例：,设计一个监视交通信号灯工作状态的逻辑电路，任何时候有且只有一盏灯亮。电路发生故障时，需要提醒维护人员修理。,设计步骤：,1.逻辑抽象输入变量:红（R）、黄（A）、绿（G）输出变量：故障信号（Z）2.写出逻辑表达式,选用小规模SSI器件4.化简5.画出逻辑图,系统举例-储液罐监测器,系统举例-具有误码探测的数据传输系统,4.3若干常用组合逻辑电路,4.3.1编码器编码：将输入的每个高/低电平信号编成一个对应的二进制代码编码器：实现编码的电路编码器主要分类：二进制编码器优先编码器二-十进制编码器,二进制编码器,输入信号为2n，输出信号为n，称：n位二进制编码器,若输入为8,输出为3-3位二进制编码器(或8线-3线编码器)若输入为16,输出为4-4位二进制编码器(或16线-4线编码器),举例:8线3线编码器输入变量:I0-I7（8线）输出变量:Y2、Y1、Y0（3线）,（1）功能表:,（2）逻辑表达式:,8线3线编码器：,（3）利用无关项化简，得：,3位二进制编码器,（4）由表达式画电路图/逻辑框图：,电路图,逻辑框图,(1)按二进制递增规律编码(2)任何时候只有一个输入信号有效,特点：,普通编码器:,特点：任何时刻只允许输入一个编码信号。例：3位二进制普通编码器,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）,低电平有效,8线-3线优先编码器74HC148,选通输入端,选通输出端,扩展端,反码输出,逻辑框图,选通信号,选通信号,附加输出信号,为0时，电路工作无编码输入,为0时，电路工作有编码输入,附加输出信号的状态及含意,例题1：用74LS148设计一个正码输出的优先编码器,例4.3.1：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,控制端扩展功能举例：,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”,逻辑框图,输入信号为:10位,输出信号为:4位,输入信号为:I0,I1I9输出信号为:D、C、B、A(其中:输出代码中10101111不出现),二十进制编码器逻辑框图,二十进制编码器,将编成01101110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,二十进制优先编码器,二-十进制优先编码器74LS147,反码形式的BCD码,输入低电平,输入0,系统举例-键盘编码器,4.3.2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，或另外一个代码。常用的有：二进制译码器，二-十进制译码器，显示译码器等,一、二进制译码器例：3线8线译码器,真值表逻辑表达式：,用二极管与门阵列组成的3线8线译码器,0,0,0,3.7,0.7,0.7,0.7,0.7,0.7,0.7,0.7,缺点,输入电阻较低，输出电阻较高；输出的高、低电平信号发生偏移；,5V,0V,0V,0V,3V,3V,3V,1,0,0,0,0,0,0,0,应用,大规模集成电路内部；,集成译码器实例：74HC138,低电平输出,附加控制端,中规模集成电路译码器,片选输入端,最小项译码器,集成译码器74HC138作为数据分配器,附加控制端,地址输入端,数据输入端,0,0,0,1,1,0,1,1,1,1,1,1,1,1,反码输出,74HC138的功能表：,门电路输入端反相记号的等效替代,强调低电平有效在输入端处加上小圆圈在信号名称上加非号用小圆圈代替反相器,例题1:74138电路如下图所示,写出Y1、Y2逻辑表达式。,解：,解：,例4.3.2：用74HC138（3线8线译码器）4线16线译码器,利用附加控制端进行扩展,D3=1,D3=0,D3=0时，（1）工作，（2）禁止，00000111Z0Z78个低电平信号D3=1时，（1）禁止，（2）工作10001111Z8Z158个低电平信号,二、二十进制译码器,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：74HC42,拒绝伪码的功能,三、显示译码器,1.七段字符显示器半导体数码管（LED数码管）,液晶显示器,半导体数码管（LED数码管，LED七段显示器）,优点,工作电压低、体积小、寿命长、可靠性高、响应时间短、亮度高；,缺点,工作电流比较大，10mA左右；,液晶显示器,液晶显示器的结构及符号,优点,工作电压低功耗极小；,缺点,亮度差；响应速度较低；,未加电场时,加电场以后,符号,白色,暗灰色,2.BCD-七段显示译码器,功能,BCD代码数码管所需要的驱动信号；使数码管用十进制数字显示出BCD代码所表示的数值。,BCD-七段显示译码器的真值表,真值表,卡诺图,逻辑表达式,BCD七段显示译码器7448的逻辑图,逻辑图,逻辑表达式,灯测试输入,当时，YaYg全部置为1,7448的附加控制信号（1）,功能,检查数码管各段能否正常发光；平时应置LT为高电平,0,0,0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,灭零输入,当时，时，则灭灯,7448的附加控制信号（2）,功能,把不希望显示的零熄灭,0,0,0,0,0,0,0,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,7448的附加控制信号（3）,用7448驱动BS201A的连接方法,BI/RBO端,输入端,*7448输出高电平有效（高电平驱动）,*数码管为共阴极接法,例：利用和的配合，实现多位显示系统的灭零控制,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,学会读芯片的datasheet,四、用译码器设计组合逻辑电路,集成译码器实例：74HC138,低电平输出,四、用译码器设计组合逻辑电路（续）,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（+或门，+与非门），可获得任何形式的输入变量不大于n的组合逻辑函数,设计举例设计1、设计2,设计1:用74138实现逻辑函数,设计2:用74138设计三输入的多数表决电路,(2)画电路图,(2)画电路图,解:(1)将表达式整理成最小项形式,解:(1)列真值表并写出逻辑表达式,例4.3.3：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：,系统举例-输入/输出（I/O）接口,数据选择器（复用器）从多路输入数据中选择一路输出的逻辑电路。亦称多路选择器（MUX）。数据分配器一路输入数据通过地址控制，从指定的某一输出端输出。,一般有：2n位数据输入端（D0D2n1）1位输出n位地址控制信号（A0An-1）,一般有：1位输入2n位数据输出端（D0D2n1）n位地址控制信号（A0An-1）,如:其地址信号数据信号2选1124选1248选138,1.2选1数据选择器,电路特点:2个数据输入端,1个输出,地址线1(数据端:D0,D1输出:Y地址控制端:A)描述:*功能表*逻辑表达式*逻辑图与逻辑符号,2.4选1数据选择器,电路特点:4个数据输入端,1个输出,地址线2个(数据端:D0,D1,D2,D3输出端:Y地址控制端:A0,A1)*功能表:*逻辑图与逻辑符号*逻辑表达式,3.8选1数据选择器,电路特点:8个数据输入端,1位输出,地址线3位数据端:D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7输出端:Y地址控制端:A2,A1,A0*功能表:*逻辑表达式*逻辑图与逻辑符号,4.3.3数据选择器一、工作原理,双4选1数据选择器74HC153,地址端,数据输入端,数据输入端,控制端,控制端,功能,从一组输入数据中选出某一个；,数据输出端,0,1,例：“双四选一”，74HC153分析其中的一个“四选一”,输出的逻辑式,例：用两个“四选一”接成“八选一”,“四选一”只有2位地址输入，从四个输入中选中一个“八选一”的八个数据需要3位地址代码指定其中任何一个,输出的逻辑式,数据选择器_应用举例1:,例题1:分析如图所示4选1数据选择器电路,写出其逻辑表达式。解：*由图写表达式并整理得：,二、用数据选择器设计组合逻辑电路,1.基本原理具有n位地址输入的数据选择器，可产生任何形式的输入变量不大于n+1的组合逻辑函数,数据选择器_应用举例2:,例题2:用8选1数据选择器实现三变量多数表决电路。解：*三变量多数表决真值表（见前略）*由真值表写表达式得,*画出电路连接图,*将表达式整理成8选1的形式,数据选择器_应用举例3:,例题3:用4选1数据选择器实现三变量多数表决电路。解：*三变量多数表决真值表（见前略）*由真值表写表达式得,*画出电路连接图,*将表达式整理成4选1的形式,例4.3.5试用4选1数据选择器实现例4.2.2（P165）的交通信号灯监视电路,例4.3.6(P190)试用8选1数据选择器产生三变量逻辑函数,4.3.4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,构成算术运算器的基本单元,2.全加器：将两个1位二进制数及来自低位的进位相加,74LS183,双全加器74LS183,二、多位加法器,串行进位加法器（行波进位加法器）优点：结构简单缺点：速度慢,4位串行进位加法器,产生进位输出信号的两种情况AB=1时,S=CI,CO=1A+B=1且(CI)=1时，S=0,CO=CI,进位生成函数,进位传送函数,2.超前进位加法器基本原理：加到第i位的进位输入信号是两个加数第i位以前各位（0i-1）的函数，可在相加前由A,B两数确定。,74LS283,三级门电路的传输延迟时间,一级反相器和一级与或非门的传输延迟时间,优点：速度快缺点：结构复杂,中规模集成器件加法器74LS283:,功能：四位全加器逻辑符号应用,4位输入信号,4位输入信号,低位来的进位信号,向高位的进位信号,输出信号,例1：分析下图所示74LS283逻辑电路的输出结果。,10001,例2：设计一个8位全加器。,图2,10001,三、用加法器设计组合逻辑电路,基本原理：逻辑函数可变换成输入变量与输入变量相加或者输入变量与常量相加的形式例：将十进制代码的8421码转换为余3码,思考：用一片4位并行加法器74LS283将余3代码转换成8421码。,系统举例-投票系统,功能：用来比较两个二进制数的数值大小一位数值比较器比较A、B大小*功能表:*逻辑表达式,1,1,0,0,1,0,0,0,1,0,0,0,4.3.5数值比较器,一位数值比较器的逻辑图与逻辑符号：,一位数值比较器比较A、B大小*逻辑表达式*逻辑图与逻辑符号,逻辑框图,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。,来自低位的比较结果,来自低位的比较结果,4位数值比较器74LS85,来自低位的比较结果,可扩展至多位数值比较器,多位数值比较器74LS85的框图,用两片74LS85组成一个8位数值比较器，比较D7D6D5D4D3D2D1D0和C7C6C5C4C3C2C1C0的大小。,低4位片,高4位片,解:1.设定片(1)为输入低位:0-3;片(2)为输入高位:4-7,2.分别设置高、低位的数据端和扩展端，画电路图.,4.4组合逻辑电路中的竞争-冒险现象,4.4.1竞争-冒险现象及成因一、什么是“竞争”门电路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”。,尖峰脉冲,考虑了门电路的传输延迟时间,三、2线4线译码器中的竞争-冒险现象,原因：门G4和G5的传输延迟时间不同；A、B在变化过程中到达VIL(max)的时刻不同。,4.4.2检查竞争-冒险现象的方法,A和A的传输途径不同只要输出端的逻辑函数在一定条件下能简化成Y=A+A或Y=A*A则可判定存在竞争-冒险现象,同一输入变量经不同途径到达输出门的情况,4.4.3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。,优点：简单易行；缺点：增加上升时间和下降时间，波形变坏；应用：对波形的前、后沿无严格要求的场合,二、引入选通脉冲取选通脉冲的高电平出现在电路到达稳定状态之后，输出信号也将变成脉冲信号，宽度与选通脉冲相同。,选通脉冲,优点：简单易行，不需要增加电路元件；缺点：对脉冲的宽度和作用时间要求高；,三、修改逻辑设计例：,冗余项,优点：运用得当，可收到满意效果；缺点：解决的问题有限；,本章小结,本章重点：1.组合逻辑电路的分析方法；2.组合逻辑电路的设计方法；3.常用组合电路的功能和使用方法(读懂功能表)。对于具体逻辑电路结构了解一下就可以了。,常用组合电路包括：1.编码器2.译码器3.数据选择器4.加法器5.数值比较器,107,习题类型与解题方法,108,一、分析用小规模集成门电路组成的组合逻辑电路,1.从输入端到输出端依次写出每一级门电路输出的逻辑式；2.在输出端得到了表示整个电路输出与输入之间关系的逻辑函数式；例如：题4.1,109,题4.1分析图P4.1电路的逻辑功能，写出输出的逻辑函数式，列出真值表，说明电路逻辑功能的特点。,110,二、分析用中规模集成常用组合逻辑电路组成的组合逻辑电路,1.根据器件本身的逻辑功能，写出表示输入与输出之间关系的逻辑函数式；2.用加到输入端的变量名称和加到输出端的变量名称代替上述逻辑函数式中对应端的名称，即可得到电路的逻辑函数式；例如：题4.10，题4.16，题4.17,111,题4.10写出图P4.10中Z1,Z2,Z3的逻辑函数式，并化简为最简的与或表达式。,112,113,114,题4.16分析图P4.16电路，写出输出Z的逻辑函数式。