第4章 组合逻辑电路1

1、1第四章第四章 组合逻辑电路组合逻辑电路 4.1概述概述 4.2组合电路的分析方法和设计方法组合电路的分析方法和设计方法 4.3若干常用的组合逻辑电路若干常用的组合逻辑电路 （用集成译码器、数据选择器实现组（用集成译码器、数据选择器实现组 合电合电路的设计）路的设计） 4.4组合逻辑电路中的竞争冒险现象组合逻辑电路中的竞争冒险现象2结构特点：结构特点：组合逻辑电路仅仅由门电路组成，电路中无记组合逻辑电路仅仅由门电路组成，电路中无记忆元件，输入与输出之间无反馈。忆元件，输入与输出之间无反馈。 时序逻辑电路电路中有记忆元件，输入与输出时序逻辑电路电路中有记忆元件，输入与输出之间有反馈。之间有反馈。

2、4.1 概述概述数字电路按其完成逻辑功能的不同特点，可划分为组合逻数字电路按其完成逻辑功能的不同特点，可划分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。辑电路和时序逻辑电路两大类。一、一、组合逻辑电路组合逻辑电路特点特点组合逻辑电路（组合逻辑电路（功能特点功能特点）：）：该电路在任一时刻输出的该电路在任一时刻输出的稳定状态，仅取决于该时刻的输入信号，而稳定状态，仅取决于该时刻的输入信号，而与输入信号作用前电路所处的状态无关。与输入信号作用前电路所处的状态无关。时序逻辑电路（时序逻辑电路（功能特点功能特点）：）：任一时刻的输出信号不但任一时刻的输出信号不但取决于当时的输入信号，而且还取决于电路取决于当时

3、的输入信号，而且还取决于电路原来所处的状态。原来所处的状态。3BA ICBAS BACBACIO ICBA 输出信号输出信号S、CO仅仅与输入信号有关系仅仅与输入信号有关系。例如例如：ABCIIC)BA( )BAC)BA(I BA 4 二、组合逻辑电路逻辑功能的描述：二、组合逻辑电路逻辑功能的描述： 真值表、逻辑函数式、逻辑图、卡诺图真值表、逻辑函数式、逻辑图、卡诺图 如上例：逻辑函数式、逻辑图如上例：逻辑函数式、逻辑图 见上页见上页真值表真值表卡诺图卡诺图ABCISCO0000000110010100110110010101011100111111 BCI A0001111000 010 0

4、1110 01 10 0 BCI A0001111000 001 10101 11 11 1SCO功能功能全加器全加器5向量函数形式：向量函数形式： Y=F(A)a ,a ,a(fY)a ,a ,a(fY)a ,a ,a(fYnmmnn2121222111 组合逻辑组合逻辑电路电路a1any1ym对于多输入多输出的逻辑函数的一般形式，如：对于多输入多输出的逻辑函数的一般形式，如：组合电路研究的内容：组合电路研究的内容：分析、设计分析、设计给定逻给定逻辑图辑图得到逻得到逻辑功能辑功能分析分析 给定逻给定逻辑功能辑功能画出画出 逻辑图逻辑图设计设计64.2 组合逻辑电路的分析方法和设计方法组合逻辑

5、电路的分析方法和设计方法 分析组合逻辑电路分析组合逻辑电路,一般是根据已知的逻辑电路一般是根据已知的逻辑电路,找出其逻找出其逻辑函数表达式辑函数表达式,或写出其真值表或写出其真值表,从而了解其电路的逻辑功能从而了解其电路的逻辑功能 有时分析的目的在于检验所设计的逻辑电路是否能实现预有时分析的目的在于检验所设计的逻辑电路是否能实现预定的逻辑功能。定的逻辑功能。分析过程一般包含分析过程一般包含4个步骤个步骤：4.2.1 组合逻辑电路的分析方法组合逻辑电路的分析方法电路电路电路的逻辑功能电路的逻辑功能(真值表真值表)7例例1：分析下图的逻辑功能。分析下图的逻辑功能。 =1011F=A=0101F=B

6、选通电路选通电路M=1时，时，F=AM=0时，时，F=B)BM()MA(F BMMA AB二选一电路二选一电路8 分析组合逻辑电路的一般步骤：分析组合逻辑电路的一般步骤：用文字或符号标出各个门的输入或输出。用文字或符号标出各个门的输入或输出。从输入端到输出端逐级写出输出函数对输入变量的逻辑从输入端到输出端逐级写出输出函数对输入变量的逻辑函数表达式，也可由输出端向输入端逐级推导，最后得函数表达式，也可由输出端向输入端逐级推导，最后得到以输入变量表示的输出逻辑函数表达式。到以输入变量表示的输出逻辑函数表达式。用逻辑代数或卡诺图化简或变换各逻辑函数表达式，或用逻辑代数或卡诺图化简或变换各逻辑函数表达

7、式，或列列 出真值表。出真值表。根据真值表或逻辑函数表达式确定电路的逻辑功能。根据真值表或逻辑函数表达式确定电路的逻辑功能。9例例2：试分析如下图电路的逻辑功能。试分析如下图电路的逻辑功能。 .写出逻辑函数表达式写出逻辑函数表达式DBADCDBADCY )()(2)()()(1ADCBDCCBDADCBDCCBDY )()(0BDCDBDCDY 10.画出逻辑真值表画出逻辑真值表：总结逻辑功能：总结逻辑功能： 可以看出，当可以看出，当DCBA表示的二表示的二进制数小于或等于进制数小于或等于5时时Yo为为1，这个二进制数大于这个二进制数大于5且小于且小于11时时Y1为为1，当这个二进制数大，当这

8、个二进制数大于或等于于或等于11时时Y2为为1。因此，因此，这个逻辑电路可以用来这个逻辑电路可以用来判别输入的判别输入的4位二进制数数值位二进制数数值的范围。的范围。DBADCY 2ADCBDCCBDY 1BDCDY 0114.2.2、组合逻辑电路的设计方法：、组合逻辑电路的设计方法： 根据给出的实际逻辑问题，求出实现这一逻辑功能的根据给出的实际逻辑问题，求出实现这一逻辑功能的最简最简单逻辑电路单逻辑电路。设计步骤如下：。设计步骤如下：1.进行逻辑抽象，将一个实际的逻辑问题抽象为一个逻辑函数。进行逻辑抽象，将一个实际的逻辑问题抽象为一个逻辑函数。首先分析所给实际逻辑问题的因果关系，将引起事件的

9、原因定首先分析所给实际逻辑问题的因果关系，将引起事件的原因定为输入变量，所产生的结果作为输出函数，然后定义逻辑状态为输入变量，所产生的结果作为输出函数，然后定义逻辑状态的含义，再分别以的含义，再分别以0和和1给以逻辑赋值，画出真值表。给以逻辑赋值，画出真值表。2.根据真值表可写出输出逻辑函数的根据真值表可写出输出逻辑函数的“与或与或”表达式。表达式。3.将输出逻辑函数表达式进行化简或变换。将输出逻辑函数表达式进行化简或变换。4.根据化简或变换后的输出逻辑函数表达式，画出其逻辑图。根据化简或变换后的输出逻辑函数表达式，画出其逻辑图。5.选定器件（门、选定器件（门、PLD ）、版图工艺设计。）、版

10、图工艺设计。 包括设计机箱、面板、包括设计机箱、面板、电源、显示电路、控制开关等等。最后还必须完成组装、测试。电源、显示电路、控制开关等等。最后还必须完成组装、测试。基本基本步骤步骤公式法、图形法公式法、图形法12 ABCABCCABBCAY 例例1 1 ：设计设计 三人表决电路，结果按三人表决电路，结果按“少数服从多数少数服从多数”的原则决定的原则决定（3）化简）化简:（2 2）由真值表写出逻辑表达式）由真值表写出逻辑表达式ABCY000001010011100101110111 BC A0001111000 001 10101 11 11 1YACBCABY解：（解：（1）列真值表：）列真

11、值表：（4 4）画出逻辑图。）画出逻辑图。0001011113画出逻辑图画出逻辑图用与非门实现：用与非门实现：将表达式转换成与非将表达式转换成与非与非表达式与非表达式 ACBCABY )ACBCAB( )AC()BC()AB( 用与或非门实现：用与或非门实现： BC A0001111000 001 10101 11 11 1C ACBB AY )C ACBB A(Y 解解：设红、绿、黄灯分别用设红、绿、黄灯分别用A、B、C表示，且灯亮为表示，且灯亮为1，灯灭为，灯灭为0。 结果用结果用Z表示，出故障表示，出故障Z=1，正常，正常Z=0。例例2：设计一个监视交通信号灯工作状态的电路。正常工作状态

12、：设计一个监视交通信号灯工作状态的电路。正常工作状态下，红、绿、黄灯必须有一盏、而且只允许有一盏灯点亮。下，红、绿、黄灯必须有一盏、而且只允许有一盏灯点亮。ABCZ00010010010001111000101111011111真值表真值表 BC A0001111001 101 10101 11 11 1卡诺图卡诺图表达式表达式ACBCABCB AZ 逻辑图逻辑图)(ACBCABCBAZ 与非与非表达式与非与非表达式ACBCABCBAZ )()()()(ACBCABCBA 与或非表达式与或非表达式 BC A0001111001 101 10101 11 11 1CABBCACBAZ )(CAB

13、BCACBAZ ABCABC164.3 若干常用的组合逻辑电路若干常用的组合逻辑电路4.3.1 4.3.1 编码器编码器 二进制编码二进制编码将特定的逻辑信号编为一组二进制代码。将特定的逻辑信号编为一组二进制代码。 编码器编码器能够实现编码功能的逻辑电路称为编码器。能够实现编码功能的逻辑电路称为编码器。 2 2个信号个信号 用用1 1位二进制信号进行编码位二进制信号进行编码 4 4个信号个信号用用2 2位二进制信号进行编码位二进制信号进行编码 8 8个信号个信号用用3 3位二进制信号进行编码位二进制信号进行编码 一般而言，一般而言，N个不同的信号，至少需要个不同的信号，至少需要n位二进制数编码

14、。位二进制数编码。N和和n之间满足下列关系之间满足下列关系: 2 2n nN N 编码器、译码器、数据选择器、数值比较器、加法器等等编码器、译码器、数据选择器、数值比较器、加法器等等17N=2n n 位二进制普通编码器位二进制普通编码器N=10 二二-十进制普通编码器十进制普通编码器编编码码器器普通普通编码器编码器优先优先编码器编码器任何时刻只允许输入一个编码信号任何时刻只允许输入一个编码信号任何时刻可输入多个编码信号，但任何时刻可输入多个编码信号，但编码器只对其中优先级别最高的信编码器只对其中优先级别最高的信号进行编码。号进行编码。N=2n n 位二进制优先编码器位二进制优先编码器N=10

15、二二-十进制优先编码器十进制优先编码器18一、普通编码器一、普通编码器 2位二进制普通编码器：位二进制普通编码器： 4个输入，个输入，2个输出个输出可列出真值表：可列出真值表：I0I1I2I3Y1Y010000100001000010000001101010110011110011010101111001101111011110 00 11 01 1 I0I1I2I3Y0Y1编编码码器器19 I2I3I0I100011110001101011 100 I2I3I0I100011110001001111 100Y1=I2+I3Y0=I1+I3电路图：电路图：I0I1I2I3Y1Y01000010

16、0001000010 00 11 01 1I3I2I1Y0Y1I020任何时刻只允许输入一个信号：任何时刻只允许输入一个信号：变量互相排斥的逻辑函数变量互相排斥的逻辑函数变量互相排斥的逻辑函数真值表可以简化。变量互相排斥的逻辑函数真值表可以简化。I0I1I2I3Y1Y01000000100010010100001110000.1111输入输入Y1Y0I000I101I210I311Y1=I2+I3Y1=I2+I3Y0=I1+I3Y0=I1+I3 3 3位二进制编码器有位二进制编码器有8 8个输入端，个输入端，3 3个输出端，所以常称为个输出端，所以常称为8 8线线3 3线编码器。线编码器。3

17、3位二进制编码器位二进制编码器真值表：（输入为高电平有效）真值表：（输入为高电平有效）1 0 0 0 0 0 0 00 1 0 0 0 0 0 00 0 1 0 0 0 0 00 0 0 1 0 0 0 00 0 0 0 1 0 0 00 0 0 0 0 1 0 00 0 0 0 0 0 1 00 0 0 0 0 0 0 10 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1输输 入入编编 码码 输输 出出Y1Y0Y2I6I3I7I2I0I4I1I5I0I1I2I3Y0Y2编编码码器器I4I5I6I7Y122简化真值表：简化真值表：Y2Y1Y0I0I1I2I3I4I

18、5I6I776542IIIIY 76321IIIIY 75310IIIIY 表达式表达式电路图电路图0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1I3I2I1I6I5I4I7Y2Y0Y1允许同时输入两个以上信号，不过在设计优先编码器时，允许同时输入两个以上信号，不过在设计优先编码器时，事先要对输入信号按优先顺序排队，当几个信号同时输入时，事先要对输入信号按优先顺序排队，当几个信号同时输入时，只对其中优先权最高的一个进行编码。只对其中优先权最高的一个进行编码。二优先编码器二优先编码器输入信号：输入信号：I3、I2、I1、I0优先级别：高优先级别：高 低低输入信号

19、高电平有效输入信号高电平有效可列出真值表：可列出真值表：I0I1I2I3Y1Y01101001000写出表达式写出表达式:232331IIIIIY 12312330IIIIIIIY 4线线-2线优先编码器：线优先编码器：1 11 00 10 0画出电路图：画出电路图：I3I2Y1I1Y0I0I1I2I3Y1Y0111101010001100000输入信号低电平有效输入信号低电平有效输入信号高电平有效输入信号高电平有效I0I1 I2 I3 Y1 Y0 000010101110011111I3I2Y1I1Y0258个输入个输入I0I7，3个输出个输出Y2、Y1、Y0，输入高电平有效。，输入高电平有

20、效。输入信号以输入信号以I7的优先权最高，的优先权最高，I0的优先权最低。的优先权最低。4567IIII 245345671IIIIIIIIY 12463465670IIIIIIIIIIY 电路图电路图：用与、或门实现：用与、或门实现（略）略）8线线3线优先编码器线优先编码器45675676772IIIIIIIIIIY 0000 0000000问题问题若输入低电平有效若输入低电平有效)(45672IIIIY )(245345671IIIIIIIIY )(12463465670IIIIIIIIIIY 电路图：电路图：用三个与或非门实现。用三个与或非门实现。1111111111176543210I

21、IIIIIII012YYY276421643567054234567145672)()()(SIIIIIIIIIIYSIIIIIIIIYSIIIIY 选通信号选通信号)(245345671IIIIIIIIY )(12463465670IIIIIIIIIIY )(45672IIIIY 加选通信号加选通信号SS = 0时电路工作时电路工作S =1时电路不工作时电路不工作加选通输出端构成加选通输出端构成集成集成8线线优线线优先编码器先编码器集成集成8线线线线优先编码器：优先编码器：74HC148S选通输入选通输入控制端：控制端：SY选通输选通输出端：出端：EXY扩展端：扩展端：附附加加输输出出信信号

22、号29)(SYYSEX SYEXYS选通输入控制端选通输入控制端：选通输出端选通输出端：扩展端扩展端：1 S0 S时，电路工作时，电路工作时，电路不工作时，电路不工作111012 YYY0 SY0 EXY时，电路工作，时，电路工作，有有编码信号输入。编码信号输入。扩展电路功能：扩展电路功能：G门、门、G门、门、G门组成控制电路。门组成控制电路。时，电路工作，但时，电路工作，但无无编码信号输入编码信号输入111012 YYY1 SY时电路不工作或电路工作且时电路不工作或电路工作且有有编码信号输入编码信号输入1 EXY时电路不工作或工作时电路不工作或工作无无编码信号输入。编码信号输入。3074HC148的真值表：的真值表：不工作不工作工作、无编码工作、无编码工工作、作、有有编编码码012YYY76543210IIIIIIIISEXSYY3174HC148集成电路集成电路图形符号图形符号01234567IIIIIIII74LS148集成电路集成电路外引线排列外引线排列74LS1481 2 3 4 5 6 7 816 15 14 13 12 11 10 9GNDVCC127654YYSIIII00123YIIIIYYEXS32例：例：试用两片试用两片74HC1