数字电子技术及应用_组合逻辑电路

数字电子技术及应用,第4章组合逻辑电路,概述,4.1,基于SSIC的组合逻辑电路的分析与设计,4.2,常用MSIC组合逻辑功能器件,4.3,基于MSIC的组合逻辑电路的分析与设计,4.3,4.4,组合逻辑电路的竞争冒险,4.3,4.5,4.1概述,从功能上：电路任一时刻的输出仅仅取决于该时刻的输入，与输入信号作用前电路的状态无关。,1.组合逻辑电路的特点,从电路结构上：电路中只包含逻辑门电路，没有记忆元件（如触发器），电路中不存在任何形式的反馈通路。,2.组合逻辑电路的描述方法,文字描述真值表逻辑表达式逻辑电路图波形图卡诺图等,4.2基于SSIC的组合逻辑电路的分析和设计,4.2.1基于SSIC的组合逻辑电路分析,分析步骤如下：1由逻辑图写出输出端的逻辑表达式。2化简和变换输出的逻辑表达式。3列出真值表。4根据真值表或逻辑表达式确定电路的逻辑功能。有时功能难以用简练的语言描述，列出真值表即可。,例4.2.1分析图示电路的逻辑功能。,解：（1）写出输出的逻辑表达式,（2）对上式化简与变换：,（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，输出为“1”，所以这个电路称为“不一致电路”。,例4.2.2分析图示电路的逻辑功能。,解：（1）写出输出的逻辑表达式,（2）根据上述式子列出真值表。,（3）确定逻辑功能。,2线4线译码器,4.2.2基于SSIC的组合逻辑电路设计,所谓逻辑电路的设计就是根据给出的实际逻辑问题，求出实现这个逻辑功能的最简逻辑电路。,设计步骤如下：1.进行逻辑抽象，列出真值表分析因果关系，确定输入、输出变量定义逻辑状态的物理意义（规定输入、输出变量取1和0的具体含义）列出真值表2.根据真值表写出输出的逻辑函数式并化简3.将最简的与或表达式变换成需要的形式（取决于用什么功能的门来实现）4.画出逻辑图,例4.2.3设计一个监视交通信号灯工作状态的逻辑电路。每一组信号灯均由红、黄、绿三盏灯组成，如图4.2.3所示。正常工作情况下，任何时刻必有一盏灯亮，而且只允许有一盏灯亮。而当出现其他状态时，电路发生故障，这时要求发出故障信号，以提醒维护人员前去修理。,解：（1）首先进行逻辑抽象。,定义红、黄、绿三盏灯的工作状态为输入变量，分别用R、A、G表示，并规定R、A、G为1时表示灯亮，为0时表示灯不亮。取故障信号为输出变量，用Z表示，并规定正常工作状态下Z为0，发生故障时Z为1。,2.根据真值表写出输出的逻辑函数式并化简,3.画出逻辑图,例4.2.4试用与非门设计一个如图所示的2位二进制编码器。图中，编码器的输入是标有“0”，“1”，“2”，“3”的4个按键，对应的信号分别为I0，Il，I2和I3。输出信号为E，Y1和Y0。编码规则如下：当4个键均未按下或同时按下两个和两个以上按键时，输出信号E=1，这时另外两个输出Y1和Y0是没有意义的；而当按下4个键中的任意一个键时，E=0，此时，Y1和Y0的输出构成按键对应的二进制数。,解：（1）首先进行逻辑抽象,列出真值表。,（2）写出输出的逻辑表达式并化简,(3)将最简逻辑表达式变换成与非与非形式,（4）画出逻辑电路如图4.2.6所示。,4线-2线优先编码器的真值表,例4.2.5有三个班学生上自习，大教室能容纳两个班的学生，小教室只能容纳一个班的学生。设计两个教室是否开灯的逻辑控制电路，要求如下：(1)一个班学生上自习，开小教室的灯。(2)两个班上自习，开大教室的灯。(3)三个班上自习，两教室均开灯。,解：（1）首先进行逻辑抽象,列出真值表。,（2）写出输出的逻辑表达式并化简,（3）根据逻辑表达式画出逻辑电路如图所示。,4.3常用MSIC组合逻辑功能器件,4.3.1编码器,所谓编码就是将具有特定含义的输入信号（文字、数字、符号）转换成二进制代码的过程。实现编码操作的数字电路称为编码器。,普通编码器正常工作时只允许输入一个编码信号，不允许同时输入两个以上的编码输入信号，否则输出将出现错误状态。优先编码器同时有两个以上的编码输入信号时，只对其中优先权最高的一个进行编码。,1.二进制编码器,1.二进制编码器,二进制编码器就是把一般信号编成二进制代码的编码器。,2.二十进制编码器,二十进制编码器是把十进制数的09十个输入代码编成4位输出的10个BCD代码。,74LS147的功能表,例：试用两片74LS148接成16线4线优先编码器，将A0A1516个低电平输入信号编为0000111116个4位二进制代码。其中A15的优先权最高，A0的优先权最低。,解：,由于1片74LS148只有8个编码输入端，所以需要2片74LS148才能对16个输入信号进行编码。,3.编码器的扩展,0,0,1,100,111,011,1,若全为1,1,0,111,0,0,010,101,4.3.2译码器,译码是编码的逆过程。有时也把译码器称做解码器。编码时，每个输入信号代码都被赋予了特定的含义。译码器的作用就是将代码的含义翻译出来，还原为特定的输出信号。译码器同样有二进制译码器和二-十进制译码器两类。,1.二进制译码器,2.二十进制译码器,将输入的10个BCD代码分别译成10个输出端上的高（或低）电平信号。,4线-10线译码器74LS42的功能表,3.译码器的扩展,例4.3.1试用74HC139中的2个2线4线译码器连接成一个3线8线译码器。,0,1,1,0,4.显示译码器,为使数码管能将数码所代表的数显示出来，必须将数码经译码器译成七段显示码，然后经驱动器点亮对应的段。,显示译码器的真值表,74LS48的功能表,灭零输出端。,4.3.3数据选择器,数据选择器又称多路选择器（Multiplexer，MUX）、多路复用开关等。它是一种多输入单输出的组合逻辑部件。它在地址（选择）信号作用下，可从多路输入数据中选出所需要的一路送至输出端。它的作用相当于多个输入的单刀多掷开关，如图所示。,1集成数据选择器,（1）双4选1数据选择器74LS253,双4选1数据选择器74LS253的功能表,（2）8选1数据选择器74LS151,8选1数据选择器74LS151的功能表,2数据选择器的扩展,0,1,0,2数据选择器的扩展,1,0,0,4.3.4数值比较器,数值比较器就是能对两个二进制数的大小进行比较的逻辑电路。,1.集成数值比较器,4位数值比较器74LS85的功能表,2.比较器的扩展,4.3.5加法器,1一位加法器,表4.3.13加法器真值表,2多位加法器,4位串行进位加法器(A3A2A1A0+B3B2B1B0),0,S0,C0,S1,C1,S2,C2,S3,C3,4.4基于MSIC的组合逻辑电路的分析和设计,4.4.1基于MSIC的组合逻辑电路分析,对于以MSIC为主要组件构成的组合逻辑电路，其分析方法与基于SSIC的组合逻辑电路的分析方法基本相似。但由于MSIC器件的控制功能较多，在分析过程中，必须首先根据各MSIC器件的功能表及其控制端使用情况确定其操作功能；然后再根据各MSIC器件之间的连接关系确定整个电路的逻辑功能。,例4.4.1试分析图4.4.1所示电路的逻辑功能。,解：,EN=0,EN=1,例4.4.2试分析图4.4.2所示电路的逻辑功能。,解：,74LS283为4位超前进位加法器，74LSl57为四2选1数据选择器。,S=0,S=1,本例电路是一个带符号4位二进制数的补码发生器。,4.4.2基于MSIC的组合逻辑电路设计,1用译码器设计组合逻辑电路,例4.4.3试用74LS138译码器和门电路实现逻辑函数：,解：,例4.4.4某组合逻辑电路的真值表如表4.4.3所示。试用74HC138译码器和最少的门电路实现该逻辑电路。,解：,2用数据选择器设计组合逻辑电路,例4.4.5试用8选1数据选择器74HC151实现逻辑函数:,。,解：,例4.4.6试用4选1数据选择器74LS153实现逻辑函数:,解：,3用加法器设计组合逻辑电路,例4.4.8试用74LS283设计一个代码转换电路，将8421BCD码转换为余3码。,解：,4综合设计,例4.4.9为某宾馆设计一个客房服务呼叫系统。已知该宾馆有19号共9个房间。每间房内设置一个呼叫开关，分别为KlK9。其中，K9的优先级别最高，K1的优先级别最低。也就是说，当9号房间的呼叫开关K9闭合时，无论其他房间里的呼叫开关K1K8是否闭合，服务员值班室的数码显示器应显示数字9。依此类推，只有当K2K9全未闭合而K1闭合时，才显示数字1。,解：,例4.4.10试设计一个输血指示器，其输入是一对要求“输送-接受”的血型，当符合下述规则时，电路输出为1。在人类4种基本血型中，O型血可输给任意血型的人，而他自己只能接受O型；AB型可接受任意血型，却只能输给AB型；A型能输给A型或AB型，可接受O型和A型；B型能输给B型或AB型，可接受B型和O型。,解：,为了区分4种不同血型，需用2位二进制数来表示。分别用00，01,10,11代表O型，AB型，A型和B型。,所要设计的输血指示器就需要4个输入变量来表示“输送-接受”血型对，设为A，B，C，D，其中，AB代表输送血型，CD代表接受血型。,同时，用Y表示输出变量，并设Y=1表示“可输血”；Y=0表示“不可输血”。,（1）只要血型相同即可输，即只要AB=CD，则Y=1；,（2）只要输送的是O型血，便可输，即AB=00时，Y=1；,（3）只要接受方是AB型血，便可输，即CD=01时，Y=1；而其他情况均不可输血。,4.5组合逻辑电路中的竞争冒险,通常把门电路两个输入信号同时向相反的状态变化的现象称为竞争。,把由于竞争而在输出端出现不应有的尖峰干扰信号或短脉冲信号的现象称为冒险。,1.“1”冒险,2.“0”冒险,4.5.2竞争-冒险的识别,写出组合逻辑电路的逻辑表达式，当某些逻辑变量取特定值（0或1）时，如果表达式能转换为：,则存在1冒险；,则存在0冒险。,例4.5.1判断图4.5.5所示电路是否存在冒险，如有，指出冒险类型，画出输出波形。,解：,A=B=1时,存在“0”冒险。,例4.5.2判断下列函数是否存在冒险？,解：,A=C=0时,存在“1”冒险。,4.5.3竞争-冒险的消除方法,1修改逻辑设计,（1）增加冗余项,A=B=1时，L=1,不会产生冒险现象。,（2）变换逻辑式，消去互补变量,A=C=0时，L=0,不会产生冒险现象。,2采用封锁法,所谓封锁法，是指在可能出现“冒险脉冲”的输出端加一个封锁电路，用一个负脉冲P1（也称封锁