《数字逻辑门》PPT课件.ppt

第2章数字逻辑门 主讲 成洁 逻辑电路中的几个问题 逻辑值的概念在数字系统中 通常用逻辑真和逻辑假状态来区分事物的两种对立的状态 逻辑真状态用 1 表示 逻辑假状态用 0 来表示 1 和 0 分别叫做逻辑真假状态的值 0 1只有逻辑上的含义 已不表示数量上的大小 数字电路的特点数字电路是一种开关电路 输入 输出量可用 0 l 来表示 输入量和输出量之间的关系是一种逻辑上的因果关系 高 低电平的概念 以两个不同确定范围的电位与逻辑真 假两个逻辑状态对应 这两个不同范围的电位称作逻辑电平 把其中一个相对电位较高者称为逻辑高电平 简称高电平 用H表示 而相对较低者称为逻辑低电平 简称低电平 用L表示 状态赋值和正 负逻辑的概念 状态赋值 数字电路中 经常用符号1和0表示高电平和低电平 我们把用符号1 0表示输入 输出电平高低的过程叫做状态赋值 正逻辑 在状态赋值时 如果用1表示高电平 用0表示低电平 则称为正逻辑赋值 简称正逻辑 负逻辑 在状态赋值时 如果用0表示高电平 用1表示低电平 则称为负逻辑赋值 简称负逻辑 A B Y 1 0 一个楼梯灯控制电路如图所示 两个单刀双掷A和B分别装在楼上和楼下 无论在楼上或楼下都能单独控制开灯和关灯 假设灯的状态用Y表示 而且Y 1为灯亮 Y 0为灯灭 开关A B的位置拨上为1 拨下为0 例 逻辑真值表 TruthTable 采用一种表格来表示逻辑函数的运算关系 其中输入部分列出输入逻辑变量的所有可能组合 输出部分给出相应的输出逻辑变量值 例 优点 能够直观 明了地反映变量取值和函数值的对应关系 一般给出逻辑问题后 比较容易列出真值表 缺点 不便推演变换 变量多时 列表比较繁琐 逻辑函数式按一定逻辑规律进行运算的代数 与普通代数不同 布尔代数中的变量是二元值的逻辑变量 例 从真值表可以看出 使Y为1的条件是 为1或为1 因此可用下面函数式来表示 优点 形式简洁 书写方便 便于推演变换 直接反映变量间的运算关系 便于改用逻辑符号表示该函数 缺点 不能直接反映出变量取值间的对应关系 同一个逻辑函数可以写成多种函数式 算术运算和逻辑运算 算术运算 当二进制数表示不同大小的数值时 数值与数值之间可以进行加 减 乘 除等运算 称算术运算 逻辑运算 当二进制数表示不同状态的代码时 代码与代码之间的运算是一种逻辑因果关系的运算 有与 或 非三种 称逻辑运算 这两种运算有本质的不同 算术运算 加法 1001 0111 0 0 0 1 0 进位1 进位1 进位1 进位1 2 1基本逻辑门 基本逻辑运算有逻辑与 逻辑或和逻辑非 实现这三种逻辑运算的电路 称作基本逻辑门 2 1 1逻辑代数的三种基本运算模型 逻辑与 乘 运算 只有决定一件事情的全部条件具备之后 结果才能发生 这种因果关系为 逻辑与 或 逻辑乘 两个开关必须同时接通 灯才亮 逻辑表达式为 A B都断开 灯不亮 A断开 B接通 灯不亮 A接通 B断开 灯不亮 A B都接通 灯亮 这种把所有可能的条件组合及其对应结果一一列出来的表格叫做真值表 输入 开关合为逻辑 1 开关断为逻辑 0 输出 灯亮为 1 灯灭为 0 功能表 实现与逻辑的电路称为与门 与门的逻辑符号 真值表 逻辑符号 AB Y 逻辑与 乘 运算 逻辑与的逻辑关系表达式写成Y A B 表示 与运算 或 逻辑乘 读作 与 或 乘 可省略不读 与逻辑功能可记成 有0出0 全1出1 与运算规则 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1A 0 0 A 1 A 0 A 0 1 A A逻辑符号 逻辑或 加 运算 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 结果就会发生 这种因果关系称为 或逻辑 也称 逻辑加 两个开关只要有一个接通 灯就会亮 逻辑表达式为 A B都断开 灯不亮 A断开 B接通 灯亮 A接通 B断开 灯亮 A B都接通 灯亮 实现或逻辑的电路称为或门 或门的逻辑符号 Y A B 真值表 功能表 逻辑符号 逻辑或 加 运算 逻辑或的逻辑关系表达式Y A B 表示 或运算 或 逻辑加 读作 或 或 加 或逻辑功能 有1出1 全0出0 或运算规则 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1A 0 A A 1 1 A A A 逻辑或 加 运算 二进制运算和逻辑代数的区别 二进制运算中的加法 乘法有进位问题 1 1 10 但逻辑代数研究的是 0 1 两种逻辑状态的逻辑加 逻辑乘 逻辑非 是一种逻辑运算 所以1 1 1 1 1 1 1 逻辑符号 逻辑运算 或 1001 0111 1 1 1 1 逻辑非运算 条件具备时结果不发生 条件不具备时结果反而发生 这种因果关系是逻辑非 非也称为取反 实现非逻辑的电路称为非门 非门的逻辑符号 A断开 灯亮 A接通 灯灭 真值表 功能表 逻辑符号 A Y 逻辑非运算 逻辑非的逻辑表达式写成 表示 非运算 或 逻辑非 读作 非 非运算的运算规则 逻辑符号 A Y b 基本逻辑门 2 1 2基本逻辑符号 基本逻辑符号 图2 33输入和8输入与门 图2 43输入或门和8输入或门 逻辑式 Y A B C 逻辑式 Y A B C 基本逻辑符号 AB ABY AB Y 图2 52输入与门及其输入和输出波形 a 输入波形 b 2输入与门 c 输出波形 逻辑式 Y A B AB ABY 图2 62输入或门及其输入和输出波形 a 输入波形 b 2输入或门 c 输出波形 基本逻辑符号 逻辑式 Y A B 图2 7非门及其输入和输出波形 A Y A Y a 输入波形 b 非门 c 输出波形 基本逻辑符号 逻辑式 复合逻辑运算 与 或 非为三种基本逻辑运算 实际逻辑问题要比与 或 非复杂得多 但都可以用简单的与 或 非逻辑组合来实现 从而构成复合逻辑 复合逻辑常见的有与非 或非 异或 同 或 运算等 2 1 3与非门 与非运算的逻辑结论 有0出1 全1出0 2 1 4或非门 或非运算的逻辑结论 有1出0 全0出1 2 1 5异或门 逻辑关系是 相异出1 相同出0 逻辑结论 AB时 Y 1 A B时 Y 0 2 1 6同或门 异或运算和同或运算互为反函数即A B A B逻辑关系 相同出1 相异出0 逻辑结论 A B时Y 1 AB时Y 0 复合逻辑运算 A B 逻辑符号如下图 其中第一行为IEEE84国际标准符号 第二行为惯用符号 第三行为IEEE91国际标准符号 1 已知Y ABC CD 选出下列肯定可以使Y 0的情况 1 A 0 BC 1 2 B 1 C 1 3 C 1 D 0 4 BC 1 D 1 5 AB 1 CD 0 参考 因为在或非逻辑中 只要输入有一个为1 则输出必为0 在5种情况中 仅有 4 符合肯定可使Y 0的要求 因为在 4 中 BC 1 必有B C 1 又因D 1 故CD 1 从而可推出Y ABC CD 0 练习题 2 连续异或985个1的结果是什么 985是奇数 所以异或的结果为1 提示 多变量异或Y A B C D 可通过多个异或门来实现 多变量异或的逻辑特性 奇数个1相异或 结果为1 偶数个1相异或 结果为0 在数字电路中 对电压值为多少并不重要 只要能判断高低电平即可 S开 VO输出高电平 对应 1 S合 VO输出低电平 对应 0 获得高 低电平的基本原理 如何获得高电平或者低电平呢 电子开关 二极管 三极管 MOS管 37 2 2集成逻辑门电路 集成逻辑门电路 是把门电路的所有元器件及连接导线制作在同一块半导体基片上构成的 它属于小规模集成电路 SSI 它是组成一个较大数字系统的基本单元 38 集成逻辑门电路 应用目前 广泛使用的逻辑门有TTL Transistor TransistorLogic 和CMOS两个系列 TTL门电路属双极型数字集成电路 其输入级和输出级都是三极管结构 故称TTL CMOS门电路是由NMOS管和PMOS管组成的互补MOS集成电路 属单极性数字集成电路 双极型晶体管集成门电路 BICMOS门电路 单极型MOS集成门电路 TTL 晶体管 晶体管逻辑 电路ECL 射极耦合逻辑 电路 NMOS PMOSLDMOS VDMOSVVMOS IGT 前二者组合 TTL集成门电路工作速度高 驱动能力强 但功耗大 集成度低 CMOS集成门电路功耗极低 成本低 电源电压范围宽 集成度高 抗干扰能力强 输入阻抗高 扇出能力强 上世纪80年代开始 CMOS逐渐取代TTL 成为集成电路的主导技术 现CMOS集成门电路占80 以上 分类 按其内部有源器件的不同分 集成电路逻辑门 单极型MOS MetalOxideSemiconductor 集成电路分PMOS NMOS和CMOS三种 NMOS电气性能较好 工艺较简单 适合制作高性能的存储器 微处理器等大规模集成电路 而由NMOS和PMOS构成的互补型CMOS电路以其性能好 功耗低等显著特点 得到愈来愈广泛的应用 主要介绍NMOS和CMOS门电路 MOS场效应管的类型及特性 N沟道增强型MOS管 P沟道增强型MOS管 N沟道耗尽型MOS管 P沟道耗尽型MOS管 2 2 1MOS晶体管的结构与工作原理 MOS晶体管的结构与工作原理 NMOS管的开关特性 MOS管和晶体管一样可以当开关用 如图所示 RD为负载电阻 NMOS管的基本开关电路 NMOS管的开关特性 当用增强型NMOS做工作管时 如输入电压vI为高电平 大于开启电压VT 则NMOS管导通 开关闭合 输出电压vO为低电平 UGS UT 0 开启电压 NMOS管的开关特性 输入电压vI为低电平时则NMOS管截止 开关断开 输出电压vO为高电平 UGS UT PMOS管的开关特性 A 1 开关断开 F 0 A 0 开关闭合 F 1 MOSFET开关作用 MOSFET管D S极之间的开关状态受UGS的控制 增强型 N沟道 P沟道 UGS UT 0 开启电压 UGS UT UGS UT 0 开启电压 UGS UT 2 2 2CMOS逻辑门的结构与工作原理 CMOS Complementary SymmetryMetal OxideSemiconductor CMOS反相器 CMOS或非门 CMOS与非门 1 CMOS反相器的工作原理 Complementary SymmetryMOS互补对称式MOS T1 负载管 T2 驱动管 T1 ONT2 OFF OFFON 1 结构 0 0V UGS UT 0导通 UGS UT截止 1 UDD UA 0V 0 0V UGS UT截止 UGS UT 0导通 1 UDD F UA UDD 真值表 F 1导通截止 0 0截止导通 1 逻辑式 F A 2 CMOS或非门工作原理 Y 当输入A B至少有一个高电平时 并联的NMOS管中至少有一个导通 串联的PMOS管至少有一个截止 因此输出为低电平 当输入A B都为低电平时 并联NMOS管都截止 串联PMOS管都导通 于是电路输出为高电平 A 串联开关 并联开关 Y驱动管串联 STP2 STP1STN1 STN2 3 CMOS与非门工作原理VDD负载管并联 B图2 31CMOS与非门 当输入A B都为高电平时 串联的NMOS管都导通 并联的PMOS管都截止 因此输出为低电平 图2 24CMOS与非门的开关模型 a 输入均为高电平 b 输入中有一个高电平 c 输入均为低电平 当输入A B中有一个为低电平时 两个串联的NMOS管中必有一个截止 于是电路输出为高电平 电路的输入和输出之间是与非逻辑关系 F 2 3TTL与CMOS集成电路逻辑门器件 数字集成电路 在一块半导体基片上制作出一个完整的逻辑电路所需要的全部元件和连线 数字集成电路具有体积小 可靠性高 速度快 而且价格便宜的特点 TTL电路 输入和输出端结构都采用了半导体晶体管 称之为 Transistor TransistorLogic 根据制造工艺的不同分 双极型IC 单极型IC TTL门电路的系列分类 高速 低功耗 低功耗 高速度 非标准型 标准TTL 2 3 1逻辑门的器件类型与技术参数 74系列TTL电路 对于每种TTL子系列 要在开关时间短 功耗小和抗干扰性强这三个要求之间作折衷选择 逻辑门的器件类型与技术参数 CMOS门电路 1 MOS门电路的特点 主要指4000 4500系列 是电压控制元件 静态功耗小 3 允许电源电压范围宽 3 18V 4 扇出系数大 抗噪声容限大 优点 工艺简单 集成度高 缺点 工作速度比TTL门电路低 MOS门电路均采用MOS场效应晶体管 MOSFET 制作 MOS场效应管是金属 氧化物 半导体场效应管的简称 工作时 只有一种极性的载流子参与导电 所以又称为单极型晶体管 CMOS门电路系列分类 1 CMOS门电路的系列产品 CC4000 4000B系列 基本的CMOS 54 74HC系列 高速CMOS 54 74HCT系列 与TTL兼容的高速CMOS 54 74BCT系列 与TTL兼容的高速BiCMOS 62 集成逻辑门电路 74系列CMOS数字集成电路型号 2 3 2集成电路门的性能参数 1 器件的工作电源电压 TTL集成电路的标准直流电源电压为5V 最低4 5V 最高5 5V CMOS集成电路的标准直流电源电压为3 8V之间 74系列CMOS集成电路有5V和3 3V两种 标准TTL电路则有 定义为逻辑0的低电平输入电压范围VIL 0 0 8V 定义为逻辑1的高电平输入电压范围VIH 2 5V 定义为逻辑0的低电平输出电压范围VOL 不大于0 3V 定义为逻辑1的高电平输出电压范围VOH 不小于2 4V 5VCMOS电路 定义为逻辑0的低电平输入电压范围VIL 0 0 5V 定义为逻辑1的高电平输入电压范围VIH 2 5 5V 定义为逻辑0的低电平输出电压范围VOL 不大于0 1V 定义为逻辑1的高电平输出电压范围VOH 不小于4 4V 2 逻辑器件的输入 输出逻辑电平 数字集成电路分别有四种不同的输入 输出逻辑电平 逻辑器件的输入 输出逻辑电平 TTL反相器的动态特性 tPHL tPLH 导通传输时间 截止传输时间 波形边沿变坏 有延迟变化 平均传输时间 Propagationdelay 典型值 3 10ns 3 逻辑信号传输延迟时间 4 集成逻辑电路的扇入和扇出系数 图2 27两种逻辑状态中的电流和电压 IOH LowLow 输出高电平 IIH 驱动门 VOH VIH 负载门 IOL HighHigh 输出低电平 IIL 驱动门 VOL VIL 负载门 与非门的输出端接上负载后 负载有灌电流负载和拉电流负载 灌电流负载增加会使与非门的输出低电平上升 拉电流负载增加会使与非门的输出高电平下降 68 带负载能力 扇出系数 门电路驱动同类门的最大数目 输出高电平时的扇出系数 输出低电平时的扇出系数 一个门的扇出系数只能是一个 若NOH和NOL不一样大时 应取NOH和NOL中小的一个 IOH max 400 A 集成逻辑电路的扇入和扇出系数 例2 1 已知74ALS00的电流参数为IOL max 8mA IIL max 0 1mA IOH max 0 4mA IIH max 20 A 求一个74ALS00与非门输出能驱动多少个74ALS00与非门的输入 解 首先考虑低电平状态 在低电平状态下得到能被驱动的输入个数 8mA0 1mA 80 IOL max IIL max 低电平扇出系数 20 IIH max 20 A 高电平扇出系数 集成电路门的性能参数5 集成逻辑门器件的功耗 功耗 PD VCCICC 2 3 3TTL与CMOS集成电路的传统接口技术 TTL CMOS TTL与CMOS集成电路的传统接口技术 5VR 图2 28TTL驱动门与CMOS负载门的连接 2 3 4器件的封装 图2 29 74LS00引脚配置及DIP封装外形图 74LS04六非门 74LS32四或门 74LS86四异或门 与非门SN74LVC1G00 FPGA CPU 或门SN74AHC1G32 组合逻辑电路在某手持设备中的应用 通过组合逻辑电路实现一些特定功能 因设计问题导致的飞线 为什么要用 与非门 或门 为什么选用上述型号 国外制造商datasheet 芯片说明书都是英文的 TI DSP 三星 ARM Atmel 单片机 ARM ADI AD Philip ARM Linear 电源 MaximXilinx FPGA CPLD Avago 光通信模块 与非门SN74LVC1G00的Datasheet共计15页说明 全英文 概况 操作参数 电气特性 操作时序 型号命名 信号调理电路 AD转换器 4 风机振动在线监测装置中核心处理板 模拟电路数字电路微机原理EDA技术 FPGA ARM9 SDRAM 风机振动在线监测 通过分析转速 加速度 位移等数据来判断电机的工作状态 风机全貌 安装的传感器 风机振动在线监测装置 风机是钢铁 矿山等企业的关键设备 电子技术的应用领域 Communication Control Computer Culturelife 电视 雷达 通信 电子计算机 自动控制 电子测量仪表 航天 核物理 生物 医疗和日常生活 门铃 游戏 家电 生活管理 等 无处不存在 4C 较低层的IT产品 对数字电路要理解很好 比如板卡 显卡 声卡 81 2 4 1三态门 TS门 是在一般门电路的基础上增加控制电路和控制端构成的 2 4其他辅助门电路 ThreeState 三种输出状态 高电平 低电平 高阻状态 禁止状态 图2 16三态门 b 低电平使能 Y ENA A Y a 高电平使能 其他辅助门电路三态门EN 逻辑功能可表达为 当EN 1时 EN输入为高电平时 Y A 即Y直接输出来自A的信号 而当EN 0时 Y呈高阻态 即等同于断开状态 可表述为 Y Z 逻辑功能可表达为 当EN 0时 EN输入为低电平时 三态门工作 即Y A 而当EN 1时 Y Z 接低电平时为工作状态 三态门 图2 31三态与非门的逻辑符号 a 控制端高电平有效 b 控制端低电平有效 ABEN Y ABEN Y 三态门的应用 在总线传输中的应用 利用三态门向同一个总线上轮流传输信号不会互相干扰 工作条件是 在任何时间里只能有一个三态门处于工作状态 其余的门处于高阻态 主要作为与总线 BUS 间的接口电路 公用总线 用公用总线分时传送不同数据 G1门工作 G2门工作 G3门工作 三态门的应用 实现数据双向传输 EN 1 G1高阻 B经G2向A送数据 EN 0 G2高阻 A经G1向B送数据 0 2 4 2集电极开路逻辑门 图2 20OC与非门的开关级描述 F AB 图2 21OC与非门的逻辑符号 上拉电阻 逻辑功能 几个OC门的输出端直接并联后可共用一个集电极负载电阻RL和电源VCC 只要恰当地选择电源电压和负载电阻 就可以保证输出电平的高 低要求 而又有效地防止输出管电流过大 OC门的应用 D2个OC与非门构成的线与逻辑电路 F RP ABC F1F2 1 实现线与功能逻辑表达式 F F1 F2 AB CD 5V ABCDEF 5V1K Y GH四个2输入OC与门线与 四个OC与门线与的输出表达式 Y A B C D E F G H 将几个OC门的输出直接并联在一起 然后通过一RP接到电源VCC上 OC门的应用 实现电平转移在数字系统的接口 与外部设备相联系的电路 需要有电平转换的时候 常用OC门实现 如图所示电路 要把高电平转换为10V时 可将外接的上拉电阻接到10V电源上 这样OC门的输入端电平与一般与非门一致 而输出的高电平就可以变为10V 达到了电平转换的目的 OC门的应用 3 用做驱动器 用OC门驱动指示灯 继电器和脉冲变压器等 当用于驱动指示灯时 上拉电阻由指示灯代替 指示灯的一端与OC门的输出相连 另一端接上电源 如果电流过大 可串入一个适当的限流电阻 OC门的应用 3 用做驱动器 例试用74LS系列逻辑门 驱动一只VD 1 5V ID 6mA的发光二极管 解 与非门74LS00的IOL为4mA 不能驱动ID 6mA的发光二极管 集电极开路与非门74LS01的IOL为6mA 故可选用74LS01来驱动发光二极管 其电路如图所示 限流电阻 92 TTL逻辑门多余输入端的处理 多余输入端是指输入端个数多出实现逻辑函数所需个数的那些输入端 对多余输入端的处理 必须以不影响逻辑功能又能保证电路稳定可靠工作为原则 一般多余端不允许悬空 对于与 与非 与或非中的与 根据A与1为A A与A为A 可以将多余输入端通过电阻接电源 或与有用输入端并接 对于或 或非 与或非中的或 根据A或0为A A或A为A 可以将多余输入端接地 或与有用输入端并接 93 集成TTL和CMOS门的结构和特点 TTL门的输入端为多发射极晶体管的发射极 TTL门的输入端悬空时 不可能有发射极电流从发射极流出 这与TTL门输入端接高电平时 没有发射极电流从发射极流出的效果一样 故认为TTL门输入端悬空在逻辑上为1 94 集成TTL和CMOS门的结构和特点 而CMOS门的输入端为NMOS管和PMOS管的栅极 接在一起 当CMOS门的输入端悬空时 不可能在栅一源之间加上电压 当然MOS管就不会导通 故不能认为CMOS门输入端悬空逻辑上为l CMOS门输入端悬空在输入端既末加高电平 也未加低电平 NMOS门输入端悬空可以认为逻辑上是0 95 集成TTL和CMOS门的结构和特点 开门电阻 关门电阻 及输入负载特性只适用于TTL门 而不适用于CMOS门 TTL门的输入端为多发射极晶体管的发射极 当有发射极电流从发射极流出 并通过接在TTL门输入端的电阻RI到地时 就会在RI上产生压降 即在TTL门输入端加上了电压 便出现了 输入端接大电阻 大于开门电阻 相当于接高电平 输入端接小电阻 小于关门电阻 相当于加低电平 一说 T4000系列与非门的ROFF较其他系列大很多 96 集成TTL和CMOS门的结构和