组合逻辑电路的设计与仿真

1、组合逻辑电路的设计与仿真组合逻辑电路的设计与仿真摘耍：以交通信号灯监控器为例分析了组合逻辑电路设计的过 程，运用ssi、msi为主要元件分别设计了三种实现电路，并总结了 这三种电路的特点，最后利用multisim软件进行了仿真测试，为组 合逻辑电路的设计与仿真提供了借鉴方法。关键词：组合逻辑电路；电路设计；multisim；仿真；交通信 号灯；监控器屮图分类号:tp391文献标识码文章编号：1009-3044(2013) 29-6625-041概述数字电子技术已广泛应用于各个专业技术领域，组合逻辑电路是 数字电路重耍的组成部分，也是时序逻辑电路设计的基础，在实践中 被广泛应用。组合逻辑电路的输

2、出仅与当前的输入状态有关，而与输 入之前的信号状态无关，因此组合逻辑电路没有记忆功能，在其电路 中没有反馈延迟电路1-2 omultisim 的前身是 ewb (electronics workbench)软件，是美 国国家仪器(ni)有限公司推出的以windows为基础的交互式spice 仿真和电路分析软件，专用于原理图捕获、交互式仿真、电路板设计 和集成测试3-5 o multisim软件包含了电路原理图的图形输入、电 路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。本文以交通信号灯监控器为例，分别运用与非门74ls00、中规 模集成数据选择器74ls151和中规模集成译码器74ls138

3、为主耍元件 设计三种实现监控交通信号灯状态的控制电路，并利用multisim 12.0软件进行仿真测试。2组合逻辑电路的设计2.1组合逻辑电路设计的一般步骤组合逻辑电路设计主要是将用户的具体设计要求用逻辑函数加 以描述，再用具体的电路加以实现的过程。组合逻辑电路的设计可分 为小规模集成电路、中规模集成电路、定制或半定制集成电路的设计6 。其设计的一般步骤可用图1来表示：1）首先对命题要求进行分析，确定输入变量、输岀变量的个数 和状态，并以真值表的形式列出；2）根据真值表写出逻辑函数表达式；3）通过逻辑化简，写出最简的逻辑函数表达式；4）根据逻辑功能要求以及实际情况，选择合适的门器件，把最 简的

4、表达式转换为相应的表达式；5）根据表达式画出该电路的逻辑电路图。2.2组合逻辑电路的设计方法组合逻辑电路可以采用分立元件实现，随着微电子技术的迅速发 展和集成电路工艺水平的提高，单块芯片的集成度越來越高，价格越 来越便宜，也可用通过小规模集成电路ssi,中规模集成电路msi、 定制或半定制集成电路等来实现7 o本文以监控交通信号灯工作状态的监控器为例分析组合逻辑电 路的设计方法。交通信号灯是交通信号中的重要组成部分，是道路交 通的基本语言，每一组交通信号灯由红、黄、绿三盏灯组成。正常工 作情况下，任何吋刻必有一盏灯点亮，而且也仅有一盏灯亮。当出现 其他状态吋，电路发牛故障，这吋监控器发出故障信

5、号以提醒维护人 员前去修理。2. 2. 1命题分析根据交通信号灯监控器的工作原理，确定红、黄、绿三盏灯的状 态为输入变量，分别用a、b、c表示；取故障信号为输出变量，用f 表示。假设：a、b、c取1时，表示灯亮，a、b、c取0时，表示灯不 亮；f为1时，表示工作状态正常，f为1时表示发生故障。2.2.2列写真值表根据命题分析列出逻辑真值表，如表1所示。计算机工程应用技术 jxy02. jpg> （1）运用卡诺图化简，可得简化的逻辑函数表达式：2. 2. 4把最简的表达式转换为相应的表达式逻辑电路图是根据逻辑函数表达式得出的，因此画逻辑电路图之 前要根据逻辑功能要求以及实际情况确定元件，将

6、最简的表达式转换 为与所选用元件和对应的表达式。1)选用与非门实现选用集成与非门74ls00、74ls20实现交通信号灯监控器，将输 出与输入z间的逻辑关系转换为与非表达式。通过表达式变换，得到 式3o<d： 2013年学术和海外 2013年学术交流 2013年学术交流 第2)选用数据选择器实现数据选择器是种多路输入、单路输出的逻辑部件。它在控制信 号作用下，从多个输入数据中选个送到输出端。式4给出了数据选 择器输出与输入的逻辑关系，其中，ao、a1、ak表示控制信号， y表示输出信号，di为数据输入信号，mi为控制信号的最小项表示， 2k二 n。从表达式4中可以看出，其输出实际上是数据

7、输入与地址输入的 最小项相与的关系，所以数据选择器可以实现各种组合逻辑功能。选 用中规模集成数据选择器74ls151可实现交通信号监控器。74ls151 是八选一数据选择器，对式1进行变换，可得式5：f =abc+abc+abc+abc+abc =m0+m3+m5+m6+m7二 m0? 1 +m 1 ?0+m2?0+m3?l +n)4?0+ni5? 1 +m6? 1 +m7? 1 (5)由式5可以看出，选用74ls151实现交通信号监控器需使f二y, a二a2, b=a1, c=ao,则有 d0=d3=d5=d6=d7=l, d1=d2=d4 二0。3)选用变量译码器实现变量译码器是组合逻辑电

8、路中一个重要的器件，它是一个将n个 输入变为2n个输出的多输出端的组合逻辑电路。变量译码器的输出 与输入z间的逻辑关系可用式6表示：<d： 2013年学术和海外 2013年学术交流2013年学术交流 第29期 77篇 7计算机工程应用技术 jxy06. jpg> (6)其中，yi是输出端，mi是关于输入变量an-1, an-2,a0 的最小项，0int。<!-endprint-> <!-startprint->由 于译码器电路的输出列出了该电路的所有最小项表达式，而任何一个 组合逻辑电路都可以写成故小项表达式的形式，因此我们可运用译码 器电路实现各种组合逻辑

9、电路。选用屮规模集成译码器74ls138来实 现交通信号灯监控器。由于74ls138的输出是反变量形式，低电平有 效，因此变换式1得：f 二 abc+abc+abc+abc+abc 二 m0+m3+ni5+ni6+ni7=m0+m3+m5+m6+m7=m0?m3?m5?m6?m7(7)使74ls138的三个数据输入端分别为：a二a2, b二al, c二a0,且三 个使能端有效，则74ls138中的8个输出可分别与交通信号灯监控器 输出的最小项 对应。2.2.5根据表达式画出逻辑电路图为了便于逻辑电路图的验证，利用multisim 12. 0设计逻辑电路 图。根据2.2. 4小节中三种设计方法的

10、相应表达式：式3、式5、式 7画出逻辑电路图，分别如图2、图3、图4所示。图2图4屮的xlc1为逻辑转换仪，它是multisim软件的一种 虚拟装置，可以接入交通信号灯监控器的输入与输出端，测试与验证 其逻辑功能。通过逻辑转换仪中的“逻辑电路转换为真值表”的功能 分别验证了图2图4的逻辑功能，得到的真值表相同，如图5所示， 该电路真值表及逻辑函数表达式与设计的要求一致。2. 3设计方法分析比较选用不同的元件最后设计出的电路形式虽然差别很大，但是实现 的逻辑功能却相同。选用如本文选用的74ls00、74ls20等ssi來实 现电路，所用的集成电路芯片数量多，线路复杂，通用性不强，仅能 够适应某一

11、特殊的函数要求。在用ssi设计电路时，要力求逻辑门电 路的数量、种类以及输入端的数量均应达到最少。选用msi设计组合逻辑电路,如本文选用的74ls15k 74ls138, 可以减少元件的数目，具有较强的通用性，可靠性高，易于设计、生 产、调试和维护8。3组合逻辑电路的仿真对于设计好的组合逻辑电路，不仅可以通过multisim中的逻辑 转换仪來验证，还可以在multisim窗口中搭建电路來仿真。从multisim元件库在已经绘制好的逻辑电路图中添加电源、地、电阻、 发光二极管等电器元件并进行连线，得到仿真电路图。由于篇幅有限, 文屮只给出了用74ls138实现交通信号灯监控器的仿真屯路图，如图

12、6所示。在仿真过程中，si、s2、s3三个开关在全部打开、全部闭合以 及任意两个闭合的情况下，发光二极管就会亮，此吋表示交通信号灯 出现故障。4结束语本文以交通信号灯监控器为例分析了组合逻辑电路设计的过程 并进行了 multisim仿真测试。可以看出组合逻辑电路设计中，要实 现相同的逻辑功能可根据实际情况选用不同的设计方法；同时，借助 于eda软件multisim,可以显著提高电路设计工作的效率，为组合 逻辑电路的设计仿真提供了一定的借鉴方法。参考文献：1 王毓银数字电路逻辑设计m北京：高等教育出版社， 2002.2 魏淑桃计算机电路基础m北京：高等教育出版社,2008.3 周润景，郝晓霞.multisim&labview虚拟仪器设计技术m. 北京：北京航空航天大学出版社，2008.4 石嘉顺基于multisim环境下的电路设计与仿真j计算 机仿真，2007, 24 (12)： 306-308.5 王延才基于multis