组合逻辑电路分析与设计.ppt

第十二章组合逻辑电路分析与设计 12 1组合逻辑电路的分析 12 2组合逻辑电路的设计 12 3组合逻辑电路中的竞争 冒险现象 概述 一 组合逻辑电路的特点 逻辑电路 组合逻辑电路 时序逻辑电路 功能 输出只取决于当前的输入 组成 门电路 不存在记忆元件 功能 输出取决于当前的输入和原来的状态 组成 组合电路 记忆元件 二 逻辑功能描述 一 组合逻辑电路的分析方法 步骤 例 组合电路如图所示 分析该电路的逻辑功能 12 1组合逻辑电路的分析 解 1 由逻辑图逐级写出逻辑表达式 为了写表达式方便 借助中间变量P 2 化简与变换 3 由表达式列出真值表 4 分析逻辑功能 当A B C三个变量不一致时 电路输出为 1 所以这个电路称为 不一致电路 12 1 2加法器 1 一位加法器 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 一 加法器的电路结构和工作原理 2 全加器 将两个1位二进制数及来自低位的进位相加 合并 0 再求反 CI B A S 74LS183 2 多位加法器 1 串行进位加法器优点 简单缺点 慢 i i i i i i i i i i i i CI B A B A CO CI B A S CO CI 1 2 加法器74LS82 74LS283 74LS183 74LS82 74LS283 74LS283的工作原理 定义为进位生成函数Gi 定义为进位传送函数Pi 一位全加器真值表 74LS283 12 1 3编码器电路分析 1 编码器电路结构和工作原理分析 把二进制代码按一定的规律编排 使每组代码具有一特定的含义称为编码 encode 编码器 encoder 的逻辑功能就是把输入的每一个高 低电平信号编成一个对应的二进制代码输出 普通编码器 在任何时刻只允许输入一个编码信号 优先编码器 当几个输入信号同时出现时 只对其中优先权最高的一个信号进行编码 2 标准编码器74LS148 选通输入端 低电平有效 低电平输出信号表示电路工作 但是无编码输入 低电平输出信号表示电路工作 且有编码输入 3 译码器电路分析 译码器 decoder 的逻辑功能与编码器相反 它是将具有特定含义的不同二进制代码辨别出来 并转换成对应的输出高电平 低电平信号 常用的译码器电路有通用译码器和数字显示译码器两类 1 译码器的电路结构和工作原理 2 标准译码器74LS138 74LS42电路分析 片选输入端 电路工作 3线 8线译码器74LS138逻辑功能表 74LS42则是一个二 十进制译码器 其基本逻辑功能是将输入的10个BCD码译成相应的十个高 低电平信号输出 3 数据选择器 DataSelector 数据选择器又称多路选择器 Multiplexer 简称MUX 每次在地址输入的控制下 从多路输入数据中选择一路输出 其功能类似于一个单刀多掷开关 数据选择器示意图 4选1数据选择器 功能表 4选1数据选择器电路图 4 数字显示译码器 在各种数字系统中 常常需要将数字量以十进制数码直观地显示出来 供人们直接读取结果或监视数字系统的工作状况 因此 数字显示系统电路是许多数字设备中不可缺少的部分 数字显示电路通常由显示译码器和数字显示器两部分组成 常用的数字显示器有多种类型 按显示方式分 有字型重叠式 点阵式 分段式等 按发光物质分 有半导体显示器 又称发光二极管 LED 显示器 荧光显示器 液晶显示器 气体放电管显示器等 1 七段字符显示器 常用的有半导体管显示和液晶显示 2 七段显示译码器 显示译码器是用于驱动数码管显示数字或字符的组合逻辑组件 与七段字符显示器相应的显示译码器有BCD码 七段译码器和BCD码 十进制译码器两类 输出有效电平为低电平的BCD码 七段译码器有 7447 74LS47和74LS247等 输出有效电平为高电平的BCD码 七段译码器有 7448 74LS48和74LS248等 BCD七段字符显示译码器 代码转换器 7448 7448的附加控制信号 1 灯测试输入 当时 Ya Yg全部置为1 灯全亮 7448的附加控制信号 2 灭零输入 当时 时 则灭灯 目的是为了能把不希望显示的零熄灭 168 2 00168 200 7448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 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 12 2组合逻辑电路的设计 1 组合逻辑电路设计的基本思想 2 组合逻辑电路设计的一般方法 1 组合逻辑电路设计的基本思想 工程上的最佳设计 通常需要用多个指标去衡量 主要考虑的问题有以下几个方面 所用的逻辑器件数目最少 器件的种类最少 且器件之间的连线最少 这样的电路称 最小化 电路 满足速度要求 应使级数最少 以减少门电路的延迟 功耗小 工作稳定可靠 所谓组合逻辑电路设计 就是根据给出的实际逻辑问题 求出实现这一逻辑功能的最佳逻辑电路 逻辑抽象 将文字描述的逻辑命题转换成真值表叫逻辑抽象 首先要分析逻辑命题 确定输入 输出变量 然后用二值逻辑的0 1两种状态分别对输入 输出变量进行逻辑赋值 即确定0 1的具体含义 最后根据输出与输入之间的逻辑关系列出真值表 根据真值表 写出相应的逻辑函数表达式 将逻辑函数表达式化简 并变换为与门电路相对应的最简式 根据化简的逻辑函数表达式画出逻辑电路图 工艺设计 包括设计机箱 面板 电源 显示电路 控制开关等等 最后还必须完成组装 测试 组合逻辑电路的设计一般可按以下步骤进行 2 组合逻辑电路的一般设计方法 例 某工厂有三条生产线 耗电分别为1号线10kW 2号线20kW 3号线30kW 生产线的电力由两台发电机提供 其中1号机20kW 2号机40kW 试设计一个供电控制电路 根据生产线的开工情况启动发电机 使电力负荷达到最佳配置 解 逻辑抽象 输入变量 1 3号生产线以A B C表示 生产线开工为1 停工为0 输出变量 1 2号发电机以Y1 Y2表示 发电机启动为1 关机为0 逻辑真值表 逻辑函数式 卡诺图化简 与或式 与非 与非式 逻辑电路图 与或式 与非 与非式 例 设计一个三人表决电路 结果按 少数服从多数 的原则决定 解 1 逻辑抽象 列真值表 3 利用卡诺图化简 2 由真值表写出逻辑表达式 得最简与 或表达式 4 画出逻辑图 如果 要求用与非门实现该逻辑电路 就应将表达式转换成与非 与非表达式 画出逻辑图如图所示 12 3组合逻辑电路中的竞争与冒险 一 竞争与冒险现象 在组合电路中 某一输入变量经不同途径传输后 由于门电路的传输延迟时间的不同 则到达电路中某一会合点的时间有先有后 这种现象称为竞争 由于竞争而使电路输出出现不符合门电路稳态下的逻辑功能的现象 即出现了尖峰脉冲 毛刺 这种现象称为冒险 正脉冲 1 型冒险 12 3组合逻辑电路中的竞争与冒险 AB 当B C 1时 注意 竞争的存在不一定都会产生冒险 毛刺 由于不同的传输路径的门电路的延迟造成的竞争 自竞争 负脉冲 0 型冒险 12 3组合逻辑电路中的竞争与冒险 由于门电路的两个输入信号同时向相反的电平跳变时有时间差造成的竞争 互竞争 一个变量以原变量和反变量出现在逻辑函数F中时 则该变量是具有竞争条件的变量 如果消去其他变量 令其他变量为0或1 留下具有竞争条件的变量 若函数出现则产生负的尖峰脉冲的冒险现象 0 型冒险 若函数出现则产生正的尖峰脉冲的冒险现象 1 型冒险 二 竞争 冒险现象的检查方法 1 代数识别法 例 用代数识别法检查竞争冒险现象 解 A是具有竞争条件的变量 例 用代数识别法判断电路是否存在冒险现象 解 A和C是具有竞争条件的变量 变量C不存在冒险现象 如果两卡诺圈相切 而相切处又未被其它卡诺圈包围 则可能发生冒险现象 如图 图上两卡诺圈相切 当输入变量ABC由011变为111时 Y从一个卡诺圈进入另一个卡诺圈 若把圈外函数值视为0 则函数值可能按1 0 1变化 从而出现毛刺 2 卡诺图识别法 毛刺很窄 因此常在输出端对地并接滤波电容C 或在本级输出端与下级输入端之间 串接一个积分电路 可将尖峰脉冲消除 但C或R C的引入会使输出波形边沿变斜 故参数要选择合适 一般由实验确定 三 竞争 冒险现象的消除 1 接入滤波电容法 加滤波电路排除冒险