4.2 组合逻辑电路的设计方法.ppt

第二章组合逻辑电路 掌握要点 1 掌握组合逻辑电路的定义 特点 分析方法和设计方法 2 掌握编码器 译码器 数据选择器 数值比较器 算术电路等常用组合逻辑电路的逻辑功能及应用3 了解组合电路的竞争冒险现象及其消除方法 2 1组合逻辑电路的分析 一 什么是组合逻辑电路 1 引例 观察图1 图2最本质的不同之处 图2 图1 输入 输出 数字电路 组合逻辑电路 时序逻辑电路 2 1组合逻辑电路的分析 2 1组合逻辑电路的分析 二 组合逻辑电路的分析方法 为什么要对组合逻辑电路进行分析 2 1组合逻辑电路的分析 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 引例 试分析下图的逻辑功能 2 2 1组合逻辑电路的分析 逻辑图 组合逻辑电路分析步骤 2 1组合逻辑电路的分析 2 1组合逻辑电路的分析 2 化简逻辑表达式 3 列出真值表 组合逻辑电路分析举例 例1分析所示逻辑电路的功能 2 1组合逻辑电路的分析 4 分析功能 当A B C三个输入变量的取值中有奇数个1时 L为1 否则L为0 三位数奇校验电路 2 化简逻辑表达式 3 列出真值表 式中 画波形图进行分析 根据输入波形 逐级画出输出波形 根据输入 输出波形关系确定电路功能 练习1 分析下图所示电路的逻辑功能 逻辑图 2 1组合逻辑电路的分析 引例 设计一个楼上 楼下开关的控制逻辑电路来控制楼梯上的路灯 使之在上楼前 用楼下开关打开电灯 上楼后 用楼上开关关灭电灯 或者在下楼前 用楼上开关打开电灯 下楼后 用楼下开关关灭电灯 2 2组合电路的设计 4 逻辑电路图 简化函数式 已知逻辑电路可以分析其功能 那么根据所要求的功能怎样来设计电路呢 4 设计步骤 例1 一场举重比赛 设有主裁判一人 副裁判两人 运动员杠铃举上时 按电键表示 1 不按电键表示 0 裁判结果用红绿灯表示 红灯和绿灯都亮表示杠铃完全举上 只有红灯亮表示需要研究录像后决定 红灯和绿灯都不亮表示未举上 1 3个裁判均按下自己的电键 红灯和绿灯全亮 2 两个裁判 其中一个是主裁判 按下自己的按键 红灯和绿灯全亮 3 两个副裁判或主裁判按下自己的电键 只有红灯亮 4 其他情况红灯 绿灯全灭 试用门电路设计满足上述逻辑要求的控制电路 解 1 明确逻辑功能 根据逻辑要求设定输入变量为A B C 分别表示主裁判和两个副裁判 按电键输入取值为 1 否则为 0 输出变量为R和G 分别表示红灯和绿灯 灯亮输出为 1 灯灭输出为 0 2 列写电路的真值表 3 由真值表列写输出端的逻辑表达式 利用公式法进行化简 公式法 4 选择所用的门电路 画出逻辑电路 练习1一火灾报警系统 设有烟感 温感和紫外光感三种类型的火灾探测器 为了防止误报警 只有当其中有两种或两种以上类型的探测器发出火灾检测信号时 报警系统产生报警控制信号 设计一个产生报警控制信号的电路 利用与非门实现 解 1 分析设计要求 设输入输出变量并逻辑赋值 输入变量 烟感A 温感B 紫外线光感C 输出变量 报警控制信号Y 逻辑赋值 用1表示肯定 用0表示否定 2 列真值表 把逻辑关系转换成数字表示形式 3 由真值表写逻辑表达式 公式法化简 4 画逻辑电路图 若用与非门实现 其逻辑图如下 三人表决电路 Y 如果作以下变换 用一个与或非门加一个非门就可以实现 其逻辑电路图如下图所示 练习 设计一个4位偶校验器 当4位数中有奇数个1时输出0 否则为1 利用异或门和非门实现 2 3组合逻辑电路中的竞争昌险 一 竞争昌险现象及产生原因1 引例 4 竞争昌险现象 前面分析组合逻辑电路的功能时 都假定输入信号处于稳定状态 静态 若输入信号处于跳变状态 动态 且门电路的传输延迟时间tpd不能忽略时 组合逻辑电路就有可能产生竞争冒险 现象 5 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 6 竞争 冒险 由于竞争而在电路输出端可能产生尖峰脉冲的现象 干扰信号 产生竞争冒险的原因 主要是门电路的延迟时间产生的 二 检查竞争 冒险现象的方法 1 化简法 对于简单的逻辑函数 例4 5判断下图所示电路是否存在竞争冒险 2 实验法 用示波器观察电路输出端有无尖峰脉冲 3 用计算机辅助分析的手段检查复杂的数字系统 略 三 消除竞争 冒险现象的方法 常用的方法 1 增加乘积项以避免互补项相加 2 变换逻辑式 消去互补变量 选通脉冲使得静态时电路工作 动态时电路封锁 4 在电路的输出端接入滤波电容 3 在电路的输入端引入选通脉冲 2 4若干典型的组合逻辑集成电路 引言 人们为解决实践上遇到的各种逻辑问题 设计了许多逻辑电路 然而 我们发现 其中有些逻辑电路经常 大量出现在各种数字系统当中 为了方便使用 各厂家已经把这些逻辑电路制造成中规模集成的组合逻辑电路产品 比较常用的有编码器 译码器 数据选择器 算术电路和数值比较器等等 下面分别进行介绍 实例1键控8421BCD码编码器 输入10个互斥的数码输出4位二进制代码 真值表 8421BCD码编码器 2 4 1编码器 生活中常用十进制数及文字 符号等表示事物 数字电路只能以二进制信号工作 一 编码与编码器的概念 用二进制代码表示文字 符号或者数码等特定对象的过程 称为编码 实现编码的逻辑电路 称为编码器 思考 n位二进制代码可以表示多少个信号 对m个信号编码时 应如何确定位数n 编码原则 n位二进制代码可以表示2n个信号 则对m个信号编码时 应由2n m来确定位数n 例 对101个键盘编码时 采用了7位二进制代码ASC 码 27 128 101 目前经常使用的编码器有普通编码器和优先编码器两种 8 4 1编码器 1 普通编码器定义 任何时刻只允许输入一个有效编码请求信号 否则输出将发生混乱 二 普通编码器原理 输入 八个病房呼叫请求 输出 对病房编码 引例 一个三位二进制普通编码器 输入 八个信号 对象 I0 I7 二值量 输出 三位二进制代码Y2Y1Y0称8线 3线编码器 2 8线 3线普通编码器真值表设输入信号为1表示对该输入进行编码 任何时刻只允许输入一个编码请求 其它输入取值组合不允许出现 为无关项 识别这类请求信号的优先级别并进行编码的逻辑部件成为优先编码器 普通编码器定义 任何时刻只允许输入一个有效编码请求信号 否则输出将发生混乱 此类编码器存在什么缺陷 但是在实际情况中 会遇到两个 或者两个以上的输入同时为1的情况 必须根据轻重缓急 规定好这些控制对象允许操作的先后次序 即优先级别 三 优先编码器 以CD4532为例说明 1 特点 允许输入端同时有多个编码信号 编码器给所有的输入信号规定了优先顺序 当多个输入信号同时出现时 电路只对优先权较高的一个进行编码 2 CD4532引脚图 1 I0 I7为编码输入端 高电平有效 Y0 Y2为编码输出端 引脚图 5 EO为使能输出端 以便组成更多输入端的优先编码器 高电平有效 3 优先顺序为I7 I0 即I7的优先级最高 然后是I6 I5 I0 CD4532 逻辑图 四 编码器的应用 例 用两片CD4532组成16线 4线优先编码器 其逻辑图如下所示 试分析其工作原理 74LS148电路的功能表 例 八线 三线优先编码器74LS148 低电平有效 禁止状态 工作状态 图3 574LS148的逻辑符号 以上通过对74LS148编码器逻辑功能的分析 介绍了通过MSI器件逻辑功能表了解集成器件功能的方法 要求初步具备查阅器件手册的能力 不要求背74LS148的功能表 图3 6用74LS148接成的16线 4线优先编码器 仿真 74HC148 优先编码器 2 4 2译码器 译码 编码的逆过程 将编码时赋予代码的特定含义 翻译 出来 译码器 实现译码功能的电路 2线 4线译码器真值表 1 二进制译码器的基本原理 思考 1 使能控制端 2 译码器的工作原理 2线 4线译码器输出表达式 2线 4线译码器逻辑图 2 集成电路译码器及其应用 常用二进制译码器 74x139 双2线 4线译码器 的引脚 功能图 真值表 74HC138 3线 8线译码器 的引脚 功能图 真值表 74HC138 74HC138 n线 2n线的译码器 可产生不多于n个变量的任意逻辑函数 用译码器产生任意逻辑函数 译码器应用之一 例1试用74HC138译码器实现逻辑函数 解 因为 则 画出实现连接图 例用一片74HC138实现函数 数据分配 将公共数据线上的数据根据需要送到不同的通道上去 数据分配器 实现数据分配功能的逻辑电路 数据分配器 译码器应用之二 用74HC138真值表可得上述结论不同的输入地址可以选择不同的输出通道 例如用3线 8线译码器作数据分配器 功能 二 十进制译码器的逻辑功能是将输入的BCD码译成十个输出信号 引脚图 二 十进制译码器74HC42 输入 十进制数的4位二进制编码 BCD码 分别用A3 D A2 C A1 B A0 A 表示输出 与10个十进制数字相对应的10个信号 用Y9 Y0 9 0 表示由于二 十进制译码器有4根输入线 10根输出线 所以又称为4线 10线译码器 从二 十进制译码器74HC42的真值表可得 数字显示电路的组成方框图 3 七段显示译码器 用来驱动各种显示器件 从而将用二进制代码表示的数字 文字 符号翻译成人们习惯的形式直观地显示出来的电路 称为显示译码器 液晶显示器 数码显示器 显示器 b 共阴极 1 七段数码显示器 公共阴极 公共阳极 共阴极 a b c d e f g 1 共阴极 b c f g 1 a d e 0时 七段数码管字形显示方式 七段显示译码器的逻辑功能 2 七段显示译码器 常用七段显示译码器74HC4511 逻辑符号 引脚图 D C B A 8421BCD码输入信号 a g 译码输出 高电平有效 功能表 熄灭 锁存 实际的电路图 练习 这种连接下 输出为多少 正常工作下 常用七段显示译码器74247 驱动共阳极 定义 在多路数据传送过程中 能够根据需要将其中任意一路挑选出来的电路 叫做数据选择器 也称为多路选择器 其作用相当于多路开关 常见的数据选择器有四选一 八选一 十六选一电路 2 4 3数据选择器 一 数据选择器的定义与功能 二 集成电路数据选择器 1 八选一数据选择器74HC151 74HC151 功能表 2 数据选择器的应用 数据选择器的扩展 位的扩展 字的扩展 逻辑函数产生器 比较可知 表达式中都有最小项mi 利用数据选择器可以实现各种组合逻辑函数 8选1 数据选择器的扩展 例试用8选1数据选择器74HC151实现下式 实现并行数据到串行数据的转换 2 4 4数值比较器 一 1位数值比较器 1 真值表 2 输出逻辑表达式 3 逻辑图 二 多位数值比较器 常用多位数值比较器有74HC85 它能进行两个4位二进制数的比较 电路结构不同 扩展端的用法就可能不同 使用时应加以注意 不进行片接时 其扩展输入端应满足 加法器是构成计算机中算术运算电路的基本单元 一 1位加法器 1 1位半加器 2 4 5