大学电工课件-门电路.

1、第第20章章 门电路和组合逻辑电路门电路和组合逻辑电路电子电路中的信号电子电路中的信号: 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号 模拟信号：随时间连续变化的信号。模拟信号：随时间连续变化的信号。 数字信号：随时间不连续变化的脉冲信号。数字信号：随时间不连续变化的脉冲信号。信号有两种状态，用符号信号有两种状态，用符号“0”和和“1”表示。表示。将将“ 0” 和和“ 1” 按时间先后组成一定的序按时间先后组成一定的序列，即可表征各种信息。列，即可表征各种信息。tt 数字电路在数字计算机、数字控制、数据采集和数字电路在数字计算机、数字控制、数据采集和处理、数字通讯等领域获得广泛应用。这主要基于以处理、

2、数字通讯等领域获得广泛应用。这主要基于以下优点：下优点： （1） 抗干扰（抗干扰（0和和1易于区别）；易于区别）； （2） 高精度（凭借提高数字信号的位数）；高精度（凭借提高数字信号的位数）； （3） 便于储存和读取；便于储存和读取； （4）基本电路结构简单，适于集成和系列化生产。）基本电路结构简单，适于集成和系列化生产。20.1数制和脉冲信号数制和脉冲信号20.1.1数制数制1.常用数制常用数制（1）十进制）十进制例：例：2101210105104103102101)45.123( 有有09十个数码，进位规则逢十进一，基数是十个数码，进位规则逢十进一，基数是10不同数位的不同数位的“位权位权

3、”值不同值不同整数部分从低位到高位每位的权依次为整数部分从低位到高位每位的权依次为100，101，102等等小数部分从高位到低位每位的权依次为小数部分从高位到低位每位的权依次为10-1，10-2，10-3等等一个多位数表示的数值等于每一位的数码乘以该位的一个多位数表示的数值等于每一位的数码乘以该位的权，然后相加。权，然后相加。（3）八进制）八进制例：八进制数转化为十进制数例：八进制数转化为十进制数101018)5 .26(848283)4 .32( 有有07八个数码，进位规则逢八进一，基数是八个数码，进位规则逢八进一，基数是8（4）十六进制）十六进制例：例：10210116)4 .59(161

4、41661611163)6 .3( EB有有09，A，B，C，D，E，F十六个数码，进位规则十六个数码，进位规则逢十六进一，基数是逢十六进一，基数是16（2）二进制）二进制例：二进制数转化为十进制数例：二进制数转化为十进制数10210123452)25.53(2120212021202121)01.110101( 有有0和和1两个数码，进位规则逢二进一，基数是两个数码，进位规则逢二进一，基数是22.十进制数转换为任意进制数十进制数转换为任意进制数（1）十）十-二进制数转换二进制数转换例如将十进制数例如将十进制数(27.35)10转换为二进制数。转换需要转换为二进制数。转换需要分成整数和净小数两

5、部分进行。分成整数和净小数两部分进行。10)27(201234)ddddd( 2 721 3余余1d06余余1d13余余0d21余余1d3d42)11011( 22220余余1整数部分采用除整数部分采用除2取余数法，直到商等于零为止。取余数法，直到商等于零为止。净小数部分的转换采用乘净小数部分的转换采用乘2取整数法，直到满足规定取整数法，直到满足规定的位数为止，即的位数为止，即7 . 0235. 0 整数整数0（d-1）4 . 127 . 0 整数整数1（d-2）8 . 024 . 0 整数整数0（d-3）6 . 128 . 0 整数整数1（d-4）2 . 126 . 0 整数整数1（d-5）

6、4 . 022 . 0 整数整数0（d-6）两部分转换结果得：两部分转换结果得：226543210123410)010110.11011()dddddd .ddddd()35.27( （2）十）十-八进制数转换八进制数转换例如将十进制数例如将十进制数(27.35)10转换为八进制数。转换为八进制数。先转换为二进制数。先转换为二进制数。210)010110.11011()35.27( 将二进制整数部分从最低位开始每将二进制整数部分从最低位开始每3位划为一组位划为一组将二进制小数部分从最高位开始每将二进制小数部分从最高位开始每3位划为一组位划为一组210)010110.11011()35.27(

7、011011.010110( )2 3 3 . 2 6( )8810)26.33()35.27( 得得:（3）十）十-十六进制数转换十六进制数转换例如将十进制数例如将十进制数(27.35)10转换为十六进制数。转换为十六进制数。先转换为二进制数。先转换为二进制数。210)010110.11011()35.27( 将二进制整数部分从最低位开始每将二进制整数部分从最低位开始每4位划为一组位划为一组将二进制小数部分从最高位开始每将二进制小数部分从最高位开始每4位划为一组位划为一组210)010110.11011()35.27( 0001 1011. 0101 1000( )2 1 B . 5 8(

8、)161610)58.B1()35.27( 得得:3.二进制算术运算二进制算术运算（1）加法运算）加法运算例如计算例如计算1001+0101，得，得 1 0 0 1 + 0 1 0 1 1 1 1 0）（进位，高位加（进位，高位加1011101110000 （2）减法运算）减法运算 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0)1( 110000011101借位，高位减借位，高位减 例如计算例如计算1001- 0101，得，得（3）乘法运算）乘法运算 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1111001010000 例如计算例如计算10010101，得，得 1 0 0 1

9、0 0 0 0 1 0 0 10 0 0 020.1.2 脉冲信号脉冲信号1.脉冲信号脉冲信号：是一种跃变信号，持续时间很短（一般为：是一种跃变信号，持续时间很短（一般为几个微秒或几个纳秒）。几个微秒或几个纳秒）。2. 理想脉冲信号理想脉冲信号 例如：矩形波，尖顶波例如：矩形波，尖顶波在数字电路中，所处理的信号在数字电路中，所处理的信号( (电压和电流电压和电流) )是脉冲。是脉冲。tt（1）脉冲幅度）脉冲幅度A: 脉冲信号变化的最大值。脉冲信号变化的最大值。（2）脉冲前沿）脉冲前沿tr：从脉冲幅度的：从脉冲幅度的10%上升到上升到90%所需的时间。所需的时间。（3）脉冲后沿）脉冲后沿tf：从

10、脉冲幅度的：从脉冲幅度的90%下降到下降到10%所需的时间。所需的时间。（4）脉冲宽度）脉冲宽度tp：从脉冲前沿幅度的：从脉冲前沿幅度的50%到后沿到后沿50%所需的时间。所需的时间。（5）脉冲周期）脉冲周期T：周期性脉冲信号相邻两个上升沿的脉冲幅度的：周期性脉冲信号相邻两个上升沿的脉冲幅度的10%两点之间的时间间隔。两点之间的时间间隔。（6）脉冲频率）脉冲频率f： 单位时间的脉冲数，单位时间的脉冲数，f=1/T。A0.9A0.1A0.5AtrtptfT3.实际脉冲信号：实际脉冲信号：例如例如:矩形波矩形波 脉冲信号有正和负之分。如果脉冲跃变后的值脉冲信号有正和负之分。如果脉冲跃变后的值比初始

11、值高，则为正脉冲；反之，则为负脉冲。比初始值高，则为正脉冲；反之，则为负脉冲。4.正脉冲和负脉冲正脉冲和负脉冲0+3V0-3V0+3V0-3V20.2 20.2 基本门电路及其组合基本门电路及其组合门电路门电路的输入信号与输出信号之间存在一定的逻辑的输入信号与输出信号之间存在一定的逻辑关系，所以门电路又称为关系，所以门电路又称为逻辑门电路逻辑门电路。20.2.1 逻辑门电路的基本概念逻辑门电路的基本概念在数字电路中，门电路是最基本的逻辑元件。在数字电路中，门电路是最基本的逻辑元件。“门门”就是一种开关，在一定条件下它能允许信号通过，就是一种开关，在一定条件下它能允许信号通过，条件不满足，信号就

12、通不过。条件不满足，信号就通不过。基本逻辑关系为基本逻辑关系为三三种。种。下面通过例子说明逻辑电路的概念及下面通过例子说明逻辑电路的概念及的意义。的意义。基本逻辑门电路有基本逻辑门电路有。开关开关A和和B串联，只有当串联，只有当A和和B同时接通时（条件），同时接通时（条件），电灯电灯Y才亮（结果）。才亮（结果）。A B = Y1. 与逻辑与逻辑只有决定事件结果的全部条件同时具备时，结只有决定事件结果的全部条件同时具备时，结果才会发生。这种因果关系就是与逻辑。果才会发生。这种因果关系就是与逻辑。这两个串联开关所组成的就是一个这两个串联开关所组成的就是一个与与门电路，门电路，与与逻辑逻辑关系可用下

13、式表示：关系可用下式表示：ABY如图：如图：2. 或逻辑或逻辑决定事物结果的几个条件中只要有一个或一个以上条件决定事物结果的几个条件中只要有一个或一个以上条件具备时，结果就会发生。这种因果关系就是或逻辑。具备时，结果就会发生。这种因果关系就是或逻辑。A + B = Y 这两个并联开关所组成的就是一个或门电路，或逻辑关这两个并联开关所组成的就是一个或门电路，或逻辑关系可用下式表示：系可用下式表示：开关开关A和和B并联，当并联，当A接通或接通或B接通，或接通，或A和和B同时接通同时接通时，电灯时，电灯Y才亮。才亮。AY+如图：如图：. 非逻辑非逻辑条件具备了，结果不发生；而条件不具备时，结果却发条

14、件具备了，结果不发生；而条件不具备时，结果却发生了。这种因果关系就是非逻辑。生了。这种因果关系就是非逻辑。这个开关所组成的就是一个非门电路，非逻辑关系可用这个开关所组成的就是一个非门电路，非逻辑关系可用下式表示下式表示开关开关A和电灯和电灯Y并联，当并联，当A接通时，电灯不亮；当断接通时，电灯不亮；当断开时，电灯就亮。开时，电灯就亮。ARY+YA 如图：如图： 在分析逻辑电路时只有两种相反的工作状态，并用在分析逻辑电路时只有两种相反的工作状态，并用 1 和和0来代表。来代表。例如：例如：开关接通为开关接通为1，断开为，断开为0；电灯亮为；电灯亮为1，暗为，暗为0；晶体管截止为晶体管截止为1，饱

15、和为，饱和为0；信号的高电位为信号的高电位为1，低电位为，低电位为0，等等。，等等。本书中都采用本书中都采用正逻辑正逻辑系统。系统。门电路的输入和输出信号都用电位门电路的输入和输出信号都用电位(电平电平)的高低来表示。的高低来表示。电位的高低用电位的高低用“1” 和和“0”两种状态来区别。两种状态来区别。若规定：高电位为若规定：高电位为“1”，低电位为，低电位为“0”，称正逻辑系统。称正逻辑系统。高电位为高电位为“0”，低电位为，低电位为“1”，称负逻辑系统。称负逻辑系统。在数字电路中，为了把电路的两个逻辑状态（在数字电路中，为了把电路的两个逻辑状态（ 1 态和态和0态）和二进制的两个数码（态

16、）和二进制的两个数码（ 1 和和0 ）对应起来，采用）对应起来，采用二进制较为方便。二进制较为方便。1. 二极管二极管“与与” 门电路门电路20.2.2 分立元器件基本逻辑门电路分立元器件基本逻辑门电路（1）电路）电路0V0V0V+5VRDAABYDB0V0V3V0V3V3V3V（2）工作原理）工作原理000010100111ABY“与与” 门逻辑状态表门逻辑状态表输入输入A、B全为全为 1，输出输出 Y 为为1。输入输入A、B不全为不全为1，输出输出 Y 为为0。（3） “与与”逻辑关系：逻辑关系： 有有“0”出出“0”， 全全“1”出出“1”（4）逻辑表达式：）逻辑表达式： Y=A B（6

17、）逻辑符号：）逻辑符号：&ABYB（5） 波形图波形图ABY000010100111ABY“与与” 门逻辑状态表门逻辑状态表2. 二极管或门电路二极管或门电路（1）电路）电路0V0V0V3V3V3V0V3V3VRDBAYDAB（2） 工作原理工作原理000011101111ABY“或或” 门逻辑状态表门逻辑状态表输入输入A、B全为全为0，输出输出 Y 为为0。输入输入A、B有一个为有一个为1，输出输出 Y 为为1。（3）“或或”逻辑关系：逻辑关系： 有有“1”出出“1”， 全全“0”出出“0”Y=A+B（4）逻辑表达式：）逻辑表达式： （5）逻辑符号：）逻辑符号：ABYB 1（5）波形

18、图：）波形图： ABY（2） 工作原理工作原理000011101111ABY“或或” 门逻辑状态表门逻辑状态表3. 晶体管非门电路晶体管非门电路 1 0截止截止饱和饱和0V10UCC（1）电路）电路0V3VAY“非非” 门逻辑状态门逻辑状态表表（2）工作原理）工作原理+UCC-UBBARKRBRCYT 晶体管非门电路不同于放大电路，管子的工作状态晶体管非门电路不同于放大电路，管子的工作状态或从截止转为饱和，或从饱和转为截止。或从截止转为饱和，或从饱和转为截止。（3）逻辑表达式：）逻辑表达式：（5）逻辑符号）逻辑符号1AYYA（4）波形图）波形图AY 20.2.3基本逻辑门电路的组合基本逻辑门电

19、路的组合1.与非门电路与非门电路（1）逻辑图）逻辑图1Y&AB（2）逻辑符号）逻辑符号&ABYB（3）逻辑功能）逻辑功能当输入变量全为当输入变量全为1时，输出为时，输出为0；当输入变量有一个或；当输入变量有一个或几个为几个为0时，输出为时，输出为1。即全即全1出出0，有，有0出出1。（4）波形图）波形图ABY（5）逻辑状态表）逻辑状态表001011101110ABY“或或” 门逻辑状态表门逻辑状态表全全1出出0，有有0出出1。2.或非门电路或非门电路（1）逻辑图）逻辑图1Y1AB（2）逻辑符号）逻辑符号1ABYB（3）逻辑功能）逻辑功能当输入变量全为当输入变量全为0时，输出为时

20、，输出为1；当输入变量有一个或；当输入变量有一个或几个为几个为1时，输出为时，输出为0。即全即全0出出1，有，有1出出0。ABY（4）波形图）波形图（5）逻辑状态表）逻辑状态表001010100110ABY全全0出出1，有有1出出0。3.与或非门电路与或非门电路（1）逻辑图）逻辑图（2）逻辑符号）逻辑符号（3）逻辑关系式）逻辑关系式1Y1ABCD1BYBADCDCBAY 20.3 TTL门电路门电路 TTL为为Transistor- Transistor Logic(晶体管晶体管-晶晶体管体管-逻辑）的简称。逻辑）的简称。 CMOS为为Complementary-Metal-Oxide-Sem

21、iconductor(互补对称互补对称-金属金属-氧化物氧化物-半导体）半导体）的简称。的简称。 集成门电路，集成门电路，具有高可靠性和微型化等优点具有高可靠性和微型化等优点，在数字电路中最常用的是与非门电路。在数字电路中最常用的是与非门电路。门电路包含：分立元件门电路门电路包含：分立元件门电路集成门电路（分为两大类集成门电路（分为两大类TTL和和CMOS） LM741 1 2 3 4 5 6 714 13 12 11 10 9 8&YBA20.3.1 TTL“与非与非”门电路门电路1.外形、逻辑符号外形、逻辑符号输入级输入级中间级中间级输出级输出级2. 电路电路E2E3E1B等效电路

22、等效电路C多发射极多发射极晶体管晶体管 T4Y R3AABR4R2R1 T3T2+5V T1D3D1D2+UCC T4Y R3AABR4R2R1 T3T2+5V T1D3D1D2+UCC“1”(3.6V)(1) 输入全为输入全为1(3.6V)时时3. 工作原理工作原理4.3VT2、T4饱和导通饱和导通E结反偏结反偏截止截止“0”(0.3V) 负载电流负载电流（灌电流）（灌电流）输入全高输入全高“1”,输出为低输出为低“0”1V钳位钳位2.1V T4Y R3AABR4R2R1 T3T2+5V T1D3D1D2+UCC1VT2、T4截止截止 负载电流负载电流（拉电流）（拉电流）(2) 输入端不全为

23、输入端不全为1的情况的情况(0.3V)“1”“0”输入有低输入有低“0”输出为高输出为高“1”VY 5-0.7-0.7 =3.6V5V“1”74LS20（4输入输入2门）门）74LS00（2输入输入4门）门）1234567891011121314&1234567891011121314 4.两种两种TTL 与非门引脚排列图和逻辑符号与非门引脚排列图和逻辑符号一片集成电路内的各个逻辑门互相独立，可以单独使一片集成电路内的各个逻辑门互相独立，可以单独使用，但共用一根电源引线和一根地线。用，但共用一根电源引线和一根地线。A1B1 C1D1Y1GNDA2B2 C2D2Y2UCCA1B1 Y1A

24、2B2 Y2GNDA3B3 Y3A4B4 Y4UCC两种两种TTL 与非门与非门逻辑符号逻辑符号B1A1C1D11245910121368Y1UCC:14 GND:774LS20B1A11245910121338Y1UCC:14 GND:761174LS0050%50%tpd1tpd22 2p pt t2 2p pt t1 1p pd dttt 输入输入脉冲脉冲ui输出输出脉冲脉冲uO与非门输入端加上一个脉冲电压，与非门输入端加上一个脉冲电压，则输出电压将有一定时间延迟。则输出电压将有一定时间延迟。上升延迟时间上升延迟时间下降延迟时间下降延迟时间 20.3.2 三态输出与非门电路三态输出与非门

25、电路“1”控制端控制端 DE2.工作原理工作原理截止截止 T4Y R3AB R4R2R1 T3T2+5V T1D31实现实现 “与非与非”逻辑关系逻辑关系 Y=AB当控制端为当控制端为 “1”时，时，1.电路电路“0”导通导通1V1V截止截止截止截止控制端控制端 DE T4Y R3AB R4R2R1 T3T2+5V T1D3截止截止20.3.2 三态输出与非门电路三态输出与非门电路1.电路电路2.工作原理工作原理当控制端为当控制端为 “0”时，时，输出输出 Y处处开路开路，称为称为高阻状态高阻状态。4. 逻辑符号逻辑符号3. 三态输出与非门的逻辑状态表三态输出与非门的逻辑状态表 0 高阻高阻0

26、 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 11 1 1 0 表示任意态表示任意态ABEY&YEBAEN&YEBAEN5. 三态输出与非门应用：三态输出与非门应用：可实现用可实现用一根一根导线导线（称为母（称为母线或总线）线或总线）轮流传送几个不同的数据或控制信号。轮流传送几个不同的数据或控制信号。“1”“0”“0”如图所示：如图所示：总总线线&A1B1E1&A2B2E2&A3B3E3A1 B1ENENEN T4Y R3A BR2R1T2+5V T1RLU &YBA“1”“1”“0”导通导通“0”截止截止“1”T4输出管输出管2.工作原理工作原理“1”“0”“0”“0”“0”YKA+24VKA220&BA&A1B1Y1&A2B2Y2&A3B3Y3URLY“1”“0”“0”“1”0YKA+24VKA220&BA&A1B1Y1&A2B2Y2&A3B3Y3URLY多个输出信号按与逻辑输出。多个输出