第2单元组合逻辑电路

1、 模拟电路的地位和作用模拟电路的地位和作用 1、在很高工作频率的信号还只能由模拟电路处理，因、在很高工作频率的信号还只能由模拟电路处理，因为数字电路的工作速度不够；为数字电路的工作速度不够； 2、微弱信号的放大数字电路不能完成；、微弱信号的放大数字电路不能完成； 3、与物理世界的接口，我们经常接触的物理量是模拟、与物理世界的接口，我们经常接触的物理量是模拟的，即使采用数字信号处理，也必须经过一定的模拟信的，即使采用数字信号处理，也必须经过一定的模拟信号处理；号处理； 4、与传输介质接口，信号在各种传输介质中的传播，、与传输介质接口，信号在各种传输介质中的传播，因为主要是载波传输，主要应用模拟信

2、号；因为主要是载波传输，主要应用模拟信号； 5、易于实现各种非线性电路，如相乘器等；、易于实现各种非线性电路，如相乘器等； 完整的电子系统是模拟数字混合系统，模拟电路的性完整的电子系统是模拟数字混合系统，模拟电路的性能严重地影响整个系统的性能。能严重地影响整个系统的性能。物理量模拟电量数字信号DSP模拟信号物理量传感器传感器A/D变换器变换器D/A变换器变换器转换器转换器模拟电路设计空间模拟电路设计空间噪声线性功耗输入/输出阻抗速度电压摆幅增益电源电压模拟设计在一个模拟设计在一个多维空间进行，多维空间进行，几乎每两个参量几乎每两个参量间都需要彼此折间都需要彼此折衷。衷。数字设计主要是数字设计主

3、要是速度和功耗之间速度和功耗之间的折衷；的折衷；数字信号处理数字信号处理 DSP数字信号处理数字信号处理(Digital Signal Processing，简，简称称DSP)是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。领域的新兴学科。20世纪世纪60年代以来，随着计算年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，

4、这些信号由数字序列表示。现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。在在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。德州仪器、信等领域得到极为广泛的应用。德州仪器、Freescale等半导体厂商在这一领域拥有很强的实等半导体厂商在这一领域拥有很强的实力。力。 DSP微处理器微处理器 DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息以数字信号来处理大量信息的器件。的器件。其工作原理是接收其工作原理是接收模拟信号，转换为模拟信号，转换为0或或1的数的数字

5、信号，再对数字信号进行字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。最值得称道的两大特色。DSP芯片，也称数字信号处

6、理器，是一种特别适合于进行数字信芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器器，其主要应用是实时快速地实现各种数号处理运算的微处理器器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求，字信号处理算法。根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有芯片一般具有如下主要特点：如下主要特点： （1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； （2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； （3）片内具有快速）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两，通

7、常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；块中同时访问； （4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； （5）快速的中断处理和硬件）快速的中断处理和硬件I/O支持；支持； （6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； （7）可以并行执行多个操作；）可以并行执行多个操作； （8）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。叠执行。 当然，与通用微处理器相比，当然，与通用微处理器相比，DSP芯片的其他通用功能相对芯片的其他通用功能相对较弱些。较弱些。 计算

8、机计算机通信（通信（DSP应用）应用）电视（高清晰度）电视（高清晰度）将来通信的发展趋势：将来通信的发展趋势：软件无线电软件无线电单片机单片机+DSP+FPGA(现场可编现场可编程门阵列程门阵列) 数字电路典型应用数字电路典型应用会议电视会议电视数字移动蜂窝电话数字移动蜂窝电话家庭信息中心家庭信息中心虚拟教育虚拟教育数字相机数字相机自动驾驶汽车自动驾驶汽车视觉感应器视觉感应器数据存储与处理数据存储与处理设计方法的变化设计方法的变化 传统的设计方法：传统的设计方法： 现代的设计方法：现代的设计方法：纯硬件电路逻辑设计，采用试凑法；纯硬件电路逻辑设计，采用试凑法；比较适合分立元件及小规模集成电路比

9、较适合分立元件及小规模集成电路的设计，所设计电路需反复调试，而的设计，所设计电路需反复调试，而且所用的元器件较多，出问题几率较且所用的元器件较多，出问题几率较高，电路的可靠性较差高，电路的可靠性较差从传统的硬件逻辑设计发展为硬件逻从传统的硬件逻辑设计发展为硬件逻辑设计、软件逻辑设计及兼有两者优辑设计、软件逻辑设计及兼有两者优点的集成电路点的集成电路ASIC设计。采用从上设计。采用从上到下或从下到上设计方法，出现了相到下或从下到上设计方法，出现了相应的电子设计自动化技术（应的电子设计自动化技术（EDA）和）和复杂电路的测试技术。复杂电路的测试技术。EDA技术以计算机为基本工具、借助于技术以计算机

10、为基本工具、借助于软件设计平台，自动完成数字系统的逻软件设计平台，自动完成数字系统的逻辑综合、布局布线、仿真等工作。最后辑综合、布局布线、仿真等工作。最后下载到芯片，实现方案。下载到芯片，实现方案。1、设计：、设计：在计算机上利用软件平台进行设计在计算机上利用软件平台进行设计设计方法设计方法原理图设计原理图设计VHDL语言设计语言设计状态机设计状态机设计 EDA技术：技术：2、仿真、仿真3、下载、下载4、验证结果、验证结果实验板实验板下载线下载线 数字电路：数字电路：研究各个基本单元的状态研究各个基本单元的状态（逻辑（逻辑状态）状态） 之间的相互关系之间的相互关系 （逻辑关系）（逻辑关系） -

11、又又称称逻辑电路。逻辑电路。 分析方法分析方法：逻辑代数、真值表、卡诺图、逻辑代数、真值表、卡诺图、时序图时序图等等。等等。 还研究数字电路的功能：逻辑判断、逻辑推理还研究数字电路的功能：逻辑判断、逻辑推理功能、记忆功能、功能、记忆功能、 计数功能等。计数功能等。数字电路的研究对象及分析方法数字电路的研究对象及分析方法 tt 脉冲跃变后的值比初始值高脉冲跃变后的值比初始值高脉冲跃变后的值比初始值低脉冲跃变后的值比初始值低0+3V0-3V0+3V0-3V满足一定条件时，电路允满足一定条件时，电路允 许信号通过许信号通过 开关接通开关接通 。开门开门状态：状态：关门关门状态：状态：条件不满足时，信

12、号通不条件不满足时，信号通不过过 开关断开开关断开 。 门：门：电子开关电子开关 SS 可由可由二极管二极管、三极管三极管或或 MOS 管实现管实现2.1.1 基本门电路基本门电路 实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的电子电路实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的电子电路与与 或或 非非 与与 非非 或或 非非 异或异或与或非与或非与与 门门或或 门门非非 门门与与 非非 门门或或 非非 门门异或门异或门与或非门与或非门分立元件门电路和集成门电路分立元件门电路和集成门电路220V+- Y = A B000101110100ABYBYABY220VA+- Y = A + B000111110110

13、ABY101AY0Y220VA+-R4、高、低电平与正、负逻辑、高、低电平与正、负逻辑负逻辑负逻辑正逻辑正逻辑0V5V2.4V0.8V 高电平和低电平是两个不同的可以截然高电平和低电平是两个不同的可以截然区别开来的电压范围。区别开来的电压范围。010V5V2.4V0.8V10输入输入A、B、C全为高电平全为高电平“1”，输出输出 Y 为为“1”。输入输入A、B、C不全为不全为“1”，输出输出 Y 为为“0”。0V0V0V0V0V3V+U 12VRDADCABYDBC3V3V3V0V00000010101011001000011001001111ABYC0V3V逻辑逻辑即：有即：有“0”出出“0

14、”， 全全“1”出出“1”Y= A B C&ABYC00000010101011001000011001001111ABYC0V0V0V0V0V3V3V3V3V0V00000011101111011001011101011111ABYC3V3V-U 12VRDADCABYDBC输入输入A、B、C全为低电平全为低电平“0”，输出输出 Y 为为“0”。输入输入A、B、C有一个为有一个为“1”，输出输出 Y 为为“1”。3. 逻辑关系逻辑关系：逻辑逻辑即：有即：有“1”出出“1”， 全全“0”出出“0”Y=A+B+CABYC 100000011101111011001011101011111ABYC

15、+UCC-UBBARKRBRCYT 1 0饱和饱和逻辑表达式：逻辑表达式：Y=A“0”10“1”“0”“1”AY逻辑符号逻辑符号1AY有有“0”出出“1”，全，全“1”出出“0”&ABCY&ABC00010011101111011001011101011110ABYCY= A B C1Y有有“1”出出“0”，全，全“0”出出“1”1Y00010010101011001000011001001110ABYCABC 1YABC 1Y=A+B+CABY1有有“0”出出“0”，全全“1”出出“1”有有“1”出出“1”，全全“0”出出“0”&ABY1 1ABY2Y2 T5Y R3R5AB CR4R2R1

16、 T3 T4T2+5V T1E2E3E1BC T5Y R3R5AB CR4R2R1 T3 T4T2+5V T1“1”(3.6V)4.3V钳位钳位2.1V“0”(0.3V)输入全高输入全高“1”,输出为输出为低低“0”1V T5Y R3R5AB CR4R2R1 T3 T4T2+5V T11V(0.3V)“1”“0”输入有低输入有低“0”输出为高输出为高“1” 流过流过 E结的电结的电流为正向电流流为正向电流VY 5-0.7-0.7 =3.6V5V00010011101111011001011101011110ABYCY=A B CY&ABC阈值电压阈值电压Vth=1.4V50%50%tpd1tp

17、d22 2p pt t2 2p pt t1 1p pd dttt 输入波形输入波形ui输出波形输出波形uO“1”控制端控制端 DE T5Y R3R5AB R4R2R1 T3 T4T2+5V T1“0”控制端控制端 DE T5Y R3R5AB R4R2R1 T3 T4T2+5V T11V1V&YEBA逻辑符号逻辑符号 0 高阻高阻0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 11 1 1 0ABEY1E0EABY 功能表功能表“1”“0”“0”A1 B1&YCBA T5Y R3AB CR2R1T2+5V T1RLU Y&CBAKA+24VKA220&A1B1C1Y1&A2B2C2Y2&A3B3C3

18、Y3URLY“1”“0”“0”“0”“0”Y&CBAKA+24VKA220&A1B1C1Y1&A2B2C2Y2&A3B3C3Y3URLY“1”“0”“0”“1”0附附: 门电路的常见逻辑符号门电路的常见逻辑符号与门与门 或门或门 非门非门F=AB F=A+BAF &ABFABFABFABF 1ABFABF A1FAFAFAF有有 0 出出 0,全全 1 出出 1有有 1 出出1,全全 0 出出 0与非门与非门 或非门或非门 与或非门与或非门 BAF BAF &ABFABFABF 1ABFABF ABF+ABCDFFABCD 1&CDAB 有有 0 出出 1,全全 1 出出 0有有 1 出出0,

19、全全 0 出出 1 异或门异或门 BAF 同或门同或门F=A B=1ABABF ABF=AB 不同出不同出 1相同出相同出 1 三态门三态门 (两输入与非两输入与非) &ABABABF 国标国标 OC 门门 (两输入与非两输入与非) ABE&ABE&ABE国家标准国家标准40111413121110891234567VDDVSSCBDAKJFGEHLMAAAA100011AAAAAAAAAA 01AAAAABBAABBACBABCAAA)()(CBACBA )()(CBACBACABACBA)()()()(CABACBA)()(CABABCBCAA)(BCBCA)(1BCAA+1=1 A A=

20、A.110011111100BABABABA列状态表证明：列状态表证明：AB0001101111100100ABBABABABA0000（长中含短，留下短）（长中含短，留下短）B+A=BA+A)2(（长中含反，去掉反）（长中含反，去掉反）摩根定律摩根定律(2)应用应用“与非与非”门构成门构成“或或”门门电路电路(1) 应用应用“与非与非”门构成门构成“与与”门电路门电路AY&B&BAY&由逻辑代数运算法则：由逻辑代数运算法则：ABABY由逻辑代数运算法则：由逻辑代数运算法则：BABABAY&YAYBA&AY 由逻辑代数运算法则：由逻辑代数运算法则：BABABAY例例1：化简化简CABCBACB

21、AABCY)()(BBCABBACCAAC ABABAACBCBA)(CBCBACBABAABCBACBAY例例2：化简化简例例3： 化简化简DBCDCBADABABCYDBABCDCBAABCDBCDCBAABDBCDCBAB)(DCBCDABCDBCDAB)(DADBCDCBAABCBCDABCDBBA0101BABABABABCA00100m01 11 101m3m2m4m5m7m6mAB000m01 11 101m3m2m4m5m7m6mCD0001111012m12m15m14m8m9m11m10mABC001001 11 101111 0 0 0 0 C 0 0 1 10 1 0

22、10 1 1 01 0 0 11 0 1 01 1 0 01 1 1 1ABC001001 11 101111ABCCBACBACBAYABC001001 11 101111ABCCABCBABCAY用卡诺图表示并化简。用卡诺图表示并化简。解：解：1.卡诺图卡诺图2.合并最小项合并最小项3.写出最简写出最简“与或与或”逻辑式逻辑式ABC001001 11 101111解：解：三个圈最小项分别为：三个圈最小项分别为：合并最小项合并最小项ABCCBAABCBCACABABC BCACABABACBCY00ABC1001 11 101111解：解：CACBYAB0001 11 10CD0001111

23、01111DBY CBABCACBACBAY(1)(2)DCBADCBADCBADCBAY解：解：DBAYAB0001 11 10CD000111101DBDBCBAAY111111111确定确定Y = Y2 Y3= A AB B AB.A B.A B.A. .A BBY1.AB&YY3Y2.反演律反演律反演律反演律ABY001 100111001=A B.A B.Y = AB AB .AB.BAYA B = AB +AB=A B =1ABY逻辑符号逻辑符号=A BABY001 100100111Y&1.BA&C=AC +BCY=AC BC ACCCBB=Y0=CA=Y1=C时，时，Y&1.B

24、A&C101AA设：设：C=1封锁封锁打开打开选通选通A信号信号Y&1.BA&C001设：设：C=0选通选通B信号信号B (取取 Y=“1”( 或或Y=“0” ) 列逻辑式列逻辑式取取 Y = “1”对应于对应于Y=1， 0 0 0 0 C Y0 0 1 10 1 0 10 1 1 01 0 0 11 0 1 01 1 0 01 1 1 1CBACBACBACBAYABCCBACBACBAY BCACBACBACBAABC001001 11 101111 0 0 0 0 C Y0 0 1 10 1 0 10 1 1 01 0 0 11 0 1 01 1 0 01 1 1 1YCBA011001

25、11110&1010 开工为开工为“1”，不开工为，不开工为“0”； G1和和 G2运行为运行为“1”，不运行为，不运行为“0”。0111 0 0 1 0 100011 0 11 0 10 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 01 1 10 0 0A B C G1 G21 0 10 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 01 1 10 0 00111 0 0 1 0A B C G1 G2 100011 0 1ABCCABCBABCA1 GABCCBACBACBA2 GABC001001 11 101111ACBCAB1 GACBCAB1 GACBCAB ABCCB

26、ACBACBA2 GABCCBACBACBA2 G ABC00100111101111A BCA BC&G1G2 n 位二进制代码有位二进制代码有 2n 种组合，可以表示种组合，可以表示 2n 个信息。个信息。编码器编码器 0 0 01 0 0I0I1I2I3I5I6I输入输入输输 出出Y2 Y1 Y0Y2 = I4 + I5 + I6 +I7 = I4 I5 I6 I7.= I4+ I5+ I6+ I7Y1 = I2+I3+I6+I7 = I2 I3 I6 I7. . .= I2 + I3 + I6+ I7Y0 = I1+ I3+ I5+ I7 = I1 I3 I5 I7.= I1 + I3

27、+ I5 + I710000000111I7I6I5I4I3I1I2Y2Y1Y0表示十进制数表示十进制数10个个编码器编码器 00011101000011110001101100000000111Y3 = I8+I910000000011101101001& 1 1 1 1 1 1 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 I998983.IIIIY 765476542IIIIIIIIY 763276321IIIIIIIIY 97531975310IIIIIIIIIIY 7I十键十键84218421码编码器的逻辑图码编码器的逻辑图+5V&Y3&Y2&Y1&Y0I0I1I2I3I4I5I6

28、I7I8I91K 10S001S12S23S34S45S56S67S78S89S9例如：有一个例如：有一个网络家电产品，网络家电产品，可以按优先权可以按优先权自动处理输入自动处理输入同时出现的险同时出现的险情。情。优优先先编编码码器器电电路路火灾火灾小偷小偷煤气泄漏煤气泄漏电视电视空调空调处处理理电电路路119110传呼业主传呼业主其它其它其它其它GND 1287654YYIIIII091233CC NYIIIIYU16 15 14 13 12 11 10 91 2 3 4 5 6 7 8 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0

29、0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 A B C D 输输 出出 输入输入9876543210YYYYYYYYYY 返回目录返回目录返回目录返回目录40281615141312119

30、1012345687VDDVSSK3BCDAK8K6K9K5K7K4K1K2K0CSR/WA9A0D2D1D0D3CSR/WA9A0D2D1D0D3CSR/WA9A0D2D1D0D374138A11A10A0A9D3D2D1D02114 (1)2114 (2)2114 (4)R/WY0Y3用四片用四片 RAM 2114( 1024RAM 2114( 10244) 4) 构成构成409640964 4 的存储容量的存储容量A A2 2A A1 1A A0 0Y2CSR/WA9A0D2D1D0D32114 (3)Y1二二 十十进进制制代代码码数字设备中用得较多的为七段数码显示器，又称数数字设备中用

31、得较多的为七段数码显示器，又称数码管。常用的有半导体数码显示器码管。常用的有半导体数码显示器( (LED) )和液晶显示器和液晶显示器( (LCD) )等。它们由七段可发光的字段组合而成。等。它们由七段可发光的字段组合而成。 gfedcba 由七段发光二极管构成由七段发光二极管构成例：例： 共阴极接法共阴极接法a b c d e f g 0 1 1 0 0 0 01 1 0 1 1 0 1低低电电平平时时发发光光高高电电平平时时发发光光共阳极接法共阳极接法abcgdefdgfecbagfedcba共阴极接法共阴极接法abcdefgQ3 Q2Q1Q0agfedcb译译码码器器二二 十十进进制制代代码码100101111117个个4位位gfedcbaQ3 Q2 Q1 Q0a b c d e f g 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 00 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 10 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 20 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 30 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 40 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 50 1 1 0 1 0 1 1