第6章 门电路和组合逻辑电路

1、第第 6 章章门电路和组合逻辑电路门电路和组合逻辑电路第第6章章 门电路和组合逻辑电路门电路和组合逻辑电路第第 1 节节数字电路概述数字电路概述第第 2 节节逻辑代数基础逻辑代数基础第第 3 节节逻辑门电路逻辑门电路第第 4 节节集成逻辑门集成逻辑门第第 5 节节组合逻辑电路的分析和设计组合逻辑电路的分析和设计第第 6 节节常用集成组合逻辑电路常用集成组合逻辑电路第第 7 节节组合逻辑电路的组合逻辑电路的Multisim仿真仿真第6章 重点 各种逻辑门(与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门、传输门、三态门等）的逻辑符号、逻辑表达式和真值表 组合逻辑电路的分析与设计方法 编码器、译

2、码器 TTL电路、MOS电路的特点u正弦波信号正弦波信号tut方波信号方波信号电子电路中的信号电子电路中的信号模拟信号模拟信号数字信号数字信号随时间连续变化随时间连续变化不连续变化不连续变化模拟电路数字电路第第1节节 数字电路概述数字电路概述一、数字信号一、数字信号1、脉冲信号、脉冲信号正脉冲正脉冲前沿后沿负脉冲负脉冲后沿前沿理想的矩形波理想的矩形波实际的矩形波实际的矩形波0.9A0.5A0.1AAptrtftT脉冲周期脉冲周期 T脉冲上升时间脉冲上升时间 tr脉冲幅度脉冲幅度A脉冲宽度脉冲宽度 tp脉冲下降时间脉冲下降时间 tf脉冲频率脉冲频率 f占空比占空比ptT正逻辑正逻辑：用高电平表示

3、逻辑状态用高电平表示逻辑状态1，用低电平表示逻辑状态，用低电平表示逻辑状态0负逻辑负逻辑：用高电平表示逻辑状态用高电平表示逻辑状态0，用低电平表示逻辑状态，用低电平表示逻辑状态12、逻辑电平与正负逻辑、逻辑电平与正负逻辑逻辑电平逻辑电平高电平高电平低电平低电平正逻辑与负逻辑正逻辑与负逻辑TTL电路：电路：高电平：高电平：25 V 低电平：低电平：00.8 V标准高电平：标准高电平：3.6 V 标准低电平：标准低电平：0.2 V二、数字电路的特点二、数字电路的特点1 稳定性好，抗干扰能力强稳定性好，抗干扰能力强2 功耗小，便于构成大规模集成电路功耗小，便于构成大规模集成电路3 信息处理能力强，精

4、度高信息处理能力强，精度高4 可进行自动化设计可进行自动化设计三、数字电路的分类三、数字电路的分类数字电路组合逻辑电路时序逻辑电路电路的输出由当时的输电路的输出由当时的输入决定，与电路原来的入决定，与电路原来的输出无关即没有记忆功输出无关即没有记忆功能。能。电路的输出不仅与当时电路的输出不仅与当时的输入有关，而且与电的输入有关，而且与电路原来的输出有关即具路原来的输出有关即具有记忆功能。有记忆功能。主要由触发器组成主要由门电路组成第第2 2节节 逻辑代数（布尔代数）基础逻辑代数（布尔代数）基础( ,.)Ff A B C 一、基本逻辑一、基本逻辑: 与与、或或、非非1. 逻辑与逻辑与开关开关A，

5、B和和C都闭合时，都闭合时，灯亮。灯亮。所有条件都满足，结果才发生所有条件都满足，结果才发生，这种，这种因果关系称为逻辑与。因果关系称为逻辑与。FA B CABC电路模型电路模型EFABC2. 逻辑或逻辑或开关开关A，B和和C至少有一个闭至少有一个闭合时，灯亮。合时，灯亮。只要有一个条件满足，结果就发生只要有一个条件满足，结果就发生，这种因果关系称为逻辑或。这种因果关系称为逻辑或。FABCA电路模型电路模型EFBC2. 逻辑非逻辑非开关开关A闭合时，灯不亮；闭合时，灯不亮；开关开关A断开断开时，灯亮时，灯亮。条件满足，结果不发生；条件不满足，条件满足，结果不发生；条件不满足，结果发生。结果发生

6、。这种因果关系称为逻辑非。这种因果关系称为逻辑非。FA 电路模型电路模型AEF二、基本逻辑运算规则和定律二、基本逻辑运算规则和定律1. 常量与常量与 常量常量2. 常量与常量与 变量变量0 00 11 00 1 11 1001111 000 10 01 000AA 11AAA 0A A A AA 00AAA 111AA 1AA AAA AA （一）（一） 基本运算规则基本运算规则（二）（二） 逻辑代数运算定律逻辑代数运算定律1. 交换律交换律2. 结合律结合律3. 分配律分配律普通代数普通代数不适用不适用!A BB AABBA ()()()A B CA BCAB CA CB()()()ABCA

7、BCABCACB()ABCA BA C() ()AB CABAC3. 吸收律吸收律(1) 原变量的吸收：原变量的吸收：证明：证明：利用运算规则可以对逻辑式进行化简。利用运算规则可以对逻辑式进行化简。例如：例如：被吸收被吸收()ABCDABD EFABCD AAAB (1)1AABABAA (2) 反变量的吸收：反变量的吸收：证明：证明：例如：例如：被吸收被吸收AABAB () ()AABAAABAB AABCCDABCCD 证明：证明：()ABACBCABACAA BCABACABCABCABAC例如：例如：ABACBCDABACBCBCDABACBCABAC1吸收吸收(3) (3) 混合变量

8、的吸收：混合变量的吸收：ABACBCABAC A BABA B ABAB 可以用列真值表的方法证明：可以用列真值表的方法证明：4. 4. 反演定律：反演定律：ABA B第第3节节 逻辑门电路逻辑门电路一、基本逻辑门一、基本逻辑门1. 与门电路与门电路/与门：与门：实现与逻辑的电路。实现与逻辑的电路。&ABF逻辑符号逻辑符号逻辑表达式逻辑表达式F=AB=AB真值表真值表有有0出出0，全，全1出出1ABF000010100111FD1D2AB+VCC=12V2. 或门电路或门电路/或门：或门：实现或逻辑的电路。实现或逻辑的电路。逻辑表达式逻辑表达式F=A+B真值表真值表ABF0000111

9、01111逻辑符号逻辑符号 1ABF有有1出出1，全，全0出出0FD1D2AB-VCC= -12V3. 非门电路非门电路/非门：非门：实现非逻辑的电路。实现非逻辑的电路。真值表真值表逻辑表达式逻辑表达式FA 逻辑符号逻辑符号AF1AF0110+VCC=+5 VFA二、复合门电路二、复合门电路1. 与非门：与非门：实现与非逻辑的电路。实现与非逻辑的电路。真值表真值表ABF001011101110逻辑表达式逻辑表达式FAB 逻辑符号逻辑符号有有0出出1，全全1出出0&ABFAF1&ABF2. 或非门：或非门：实现或非逻辑的电路。实现或非逻辑的电路。真值表真值表ABF00101010

10、0110逻辑表达式逻辑表达式FAB有有1出出0，全全0出出1逻辑符号逻辑符号AF1ABF1 ABF1 3. 异或门：异或门：实现异或逻辑的电路。实现异或逻辑的电路。A B F0 0 00 1 11 0 11 1 0FABABAB A与与B 相同出相同出0 不同出不同出1真值表真值表=1ABF逻辑符号逻辑符号4. 同或门：同或门：实现同或逻辑的电路。实现同或逻辑的电路。A B F0 0 10 1 01 0 01 1 1A与与B 相同出相同出1 不同出不同出0真值表真值表FABABAB=1ABF逻辑符号逻辑符号5. 与或非门与或非门真值表？真值表？ABCDF& 1&FABCDABC

11、DAB CD F0000001000100100100010011010010000101010010110001011101010000011001001101000110110101100100110110011101001111110三、其他门电路三、其他门电路1. 三态门：三态门：0态，态，1态，高阻态态，高阻态& ABFE功能表功能表0E 1E FAB E=1 正常工作正常工作& ABFE& ABFE功能表功能表0E 1E FAB & ABFE正常工作正常工作0E 2. 传输门：传输门：uiuoCC功能表功能表C0 oi,uu C1, iouu C1

12、C0, oiuu 也叫双向模拟开关也叫双向模拟开关第第4节节 集成门电路集成门电路TTL集成电路集成电路CMOS集成电路集成电路一、一、TTL与非门电路与非门电路 有有0出出1，全，全1出出0&ABCFFA B C 真值表真值表1. TTL与非门的工作原理与非门的工作原理ABCF00010011010101111001101111011110+5VFT2T3T4T1T5ABC输入级输入级倒相放大级倒相放大级输出级输出级TTL与非门原理图与非门原理图a、任一输入为低电平（、任一输入为低电平（0.3V）时）时“0”1V不足以让不足以让T2、T5导通导通三个三个PN结结导通需导通需2.1V+

13、5VFT2T3T4T1T5ABCR3R4R5R1R2任一输入为低电平（任一输入为低电平（0.3V）时）时“0”1VuF=5-uR2-ube3-ube4 3.4V高电平！高电平！+5VFT3T4T1ABCR3R5R1R2b、输入全为高电平（、输入全为高电平（3.4V）时）时“1”全导通全导通电位被嵌电位被嵌在在2.1V全反偏全反偏 1V截止截止0.7V+5VFT2T3T4T1T5ABCR3R4R5R1R20.3V输入全为高电平（输入全为高电平（3.4V）时）时全反偏全反偏“1”饱和饱和+5VFT2T1T5ABCR4R1R2F0.3Vu FABC 测试电路测试电路&+5Vuoui电压传输特

14、性电压传输特性ABCDEo/Vui/Vu3.60.30.81.4 1.82. 参数参数(1)、标准输出高电平、标准输出高电平UH 典型值为典型值为3.6V电压传输特性电压传输特性ABCDEo/Vui/VuHUHLULHULUoffUonU(2)、最小输出高电平、最小输出高电平UHL 典型值为典型值为2.4V(3)、标准输出低电平、标准输出低电平UL 典型值为典型值为0.3V(4)、最大输出低电平、最大输出低电平ULH 典型值为典型值为0.8V(5)、关门电平、关门电平Uoff (6)、开门电平、开门电平Uon (7)、扇出系数扇出系数N 带同类型门的数目，带同类型门的数目，N 8(8)、平均延

15、迟时间、平均延迟时间t tpdpd tpd=(tpd1+ tpd2)/2tui0tuo0tpd1tpd250%50%集电极悬空集电极悬空+5VFR2R1T2R3T1T5ABC3. 集电极开路的与非门（集电极开路的与非门（OCOC门）门）符号符号&ABCFOC门的使用门的使用(1). 提高输出高电平的数值，适合不同电平系统之间提高输出高电平的数值，适合不同电平系统之间 的电平转换的电平转换(2). 可直接带动负载，增加了带负载能力可直接带动负载，增加了带负载能力(3). 具有线与功能具有线与功能&+UCCABCDEFFFABC DEF4. TTL门电路使用注意事项门电路使用注意事

16、项P: 159多余输入端的处理多余输入端的处理&ABFNMOS管管1. CMOS非门非门+UCCST1DT2uiuoGSPMOS管管二、二、CMOS门电路门电路ui=0截止截止饱和导通饱和导通uo=1工作原理工作原理+UCCST1DT2uiuoGSui=饱和导通饱和导通截止截止uo=+UCCST1DT2uiuoGS2. CMOS与非门与非门+UCCT3T4T2T1ABFABT1 T2 T3 T4 F00截截止止截截止止饱饱通通饱饱通通101饱饱通通截截止止截截止止饱饱通通110饱饱通通截截止止饱饱通通截截止止111饱饱通通饱饱通通截截止止截截止止0反向器的电压传输特性反向器的电压传输特

17、性o/Vui/VuCCU高电平近似等于高电平近似等于电源电压电源电压UCC低电平近似低电平近似等于等于0 V曲线很陡，接近于曲线很陡，接近于理想波形理想波形3. CMOSCMOS电路的电压传输特性电路的电压传输特性4. CMOSCMOS门电路使用注意事项门电路使用注意事项P: 161多余输入端的处理：不能悬空！多余输入端的处理：不能悬空！&ABF接口技术接口技术：在数字电路中，不同类型的数字集成电：在数字电路中，不同类型的数字集成电路之间的连接问题路之间的连接问题为什么？为什么？TTL门与门与CMOS门之间的接口门之间的接口CMOS门与门与TTL门之间的接口门之间的接口三、三、TTL门

18、电路与门电路与CMOS门电路之间的接口电路门电路之间的接口电路TTLTTL电路电路: :电压大于电压大于2.4V2.4V为高电平，小于为高电平，小于0.8V0.8V为低电平。为低电平。CMOSCMOS电路电路: :电压大于电压大于7V7V为高电平，小于为高电平，小于3V3V为低电平。为低电平。一、逻辑电路分析一、逻辑电路分析已知逻辑电已知逻辑电路图路图分析其逻辑分析其逻辑功能功能第第5节节 组合逻辑电路的分析和设计组合逻辑电路的分析和设计基本步骤：基本步骤：1 1、根据已知的逻辑电路，写出逻辑表达式、根据已知的逻辑电路，写出逻辑表达式2 2、根据写出的逻辑表达式，化简该逻辑表达式、根据写出的逻

19、辑表达式，化简该逻辑表达式3 3、根据化简的逻辑表达式，列出真值表、根据化简的逻辑表达式，列出真值表4 4、根据真值表，分析逻辑功能、根据真值表，分析逻辑功能分析下图的逻辑功能。分析下图的逻辑功能。 ABABA B A B A B FA B A BA BA BA BA BABF001010100111真值表真值表相同为相同为1不同为不同为0同或门同或门=1FA BA BAB 例例1：&ABF11分析下图的逻辑功能。分析下图的逻辑功能。 &ABFA B AB A AB B FAB A AB BAB AAB BABAABBABAB（）（）ABF000011101110真值表真值表相

20、同为相同为0不同为不同为1异或门异或门=1FABABAB 例例2：分析下图的逻辑功能分析下图的逻辑功能F2F1F3例例3：F3& 1ABF1F211ABABAB1FAB 3FAB 2()()FABABAB ABABABABAB已知逻辑已知逻辑要求要求画出最简单的画出最简单的逻辑电路图逻辑电路图二、二、 逻辑电路的设计逻辑电路的设计基本步骤：基本步骤：1 1、定义、定义1 1和和0 0，用逻辑语言描述具体实际问题，用逻辑语言描述具体实际问题2 2、根据已知的逻辑要求，列出真值表、根据已知的逻辑要求，列出真值表3 3、根据列出的真值表，写出逻辑表达式、根据列出的真值表，写出逻辑表达式4 4

21、、根据、根据写出的逻辑表达式写出的逻辑表达式，化简该逻辑表达式化简该逻辑表达式5 5、根据化简的逻辑表达式，画出相应的逻辑电路图、根据化简的逻辑表达式，画出相应的逻辑电路图例例1：设计三人表决电路（：设计三人表决电路（A、B、C）。每人一个按键，如果同意）。每人一个按键，如果同意则按下，不同意则不按。结果用指示灯表示，多数同意时指示灯则按下，不同意则不按。结果用指示灯表示，多数同意时指示灯亮，否则不亮。亮，否则不亮。解：解：1、0和和1的定义。的定义。输入：同意为输入：同意为1，不同意为，不同意为0； 输出：通过为输出：通过为1，未通过为，未通过为0。3、写出逻辑代数表达式并化简、写出逻辑代数

22、表达式并化简()()()FABCABCABCABCABCABCABCABCBC AAAC BBAB CCABBABCABCCACABCF000000100100011110001011110111112、列真值表、列真值表写成与非门形式：写成与非门形式：FABBCCAAB BC CA4、根据逻辑表达式画出逻辑图。、根据逻辑表达式画出逻辑图。FABBCCA& 1&ABCF标准标准FAB BC CA&ABCF例例2：举重比赛有：举重比赛有1个主裁判和个主裁判和3个副裁判，按照举重比赛规则：当个副裁判，按照举重比赛规则：当主裁判判定成绩有效时，运动员得主裁判判定成绩有效时，运

23、动员得2分；分；副裁判判定成绩有效时，副裁判判定成绩有效时，运动员得运动员得1 1分；运动员得到分数大于或等于分；运动员得到分数大于或等于3 3分时，成绩就有效。分时，成绩就有效。设计一个表决举重比赛成绩有效的逻辑电路设计一个表决举重比赛成绩有效的逻辑电路解：解：1、0和和1的定义。的定义。 输入：输入：三个副裁判分别为三个副裁判分别为A、 B、 C，主裁判为，主裁判为D。判定成绩有效为。判定成绩有效为1，判定成绩无效为判定成绩无效为0 0。 输出：输出：为为F F，成效有效为，成效有效为1 1，成绩无效为，成绩无效为0 0A B C D F A B C D F0 0 0 0 0 1 0 0

24、0 00 0 0 1 0 1 0 0 1 10 0 1 0 0 1 0 1 0 00 0 1 1 1 1 0 1 1 10 1 0 0 0 1 1 0 0 00 1 0 1 1 1 1 0 1 10 1 1 0 0 1 1 1 0 10 1 1 1 1 1 1 1 1 12、列真值表、列真值表3、写出逻辑代数表达式并化简、写出逻辑代数表达式并化简FCDBDBCDADACDABDABCABCD (1)(1)FCDBAABADBBDABCCDADBDABCCDADBDABCCD AD BD ABC4、根据逻辑表达式、根据逻辑表达式 画出逻辑图。画出逻辑图。&ABC&FDADBCCD

25、ABC一、编码器一、编码器第第6节节 常用集成组合逻辑电路常用集成组合逻辑电路编码：编码：用二进制代码表示某种特定信号的过程。用二进制代码表示某种特定信号的过程。编码器：编码器：实现编码功能的组合逻辑电路。实现编码功能的组合逻辑电路。M-N线线编码器编码器MN122NNM 编码器的设计：编码器的设计：与一般组合逻辑电路的设计相同。与一般组合逻辑电路的设计相同。首先要列出首先要列出编码表编码表，然后写出逻辑表达式并进行化简，然后写出逻辑表达式并进行化简，最后画出逻辑图。最后画出逻辑图。二进制编码器：二进制编码器： 用用N 位二进制代码表示位二进制代码表示M 个输入信号个输入信号 的组合逻辑电路的

26、组合逻辑电路N 位位二进制代码有二进制代码有2N 种不同的组合，种不同的组合，可以可以表示表示2N个信号个信号 1. 二进制编码器二进制编码器编码表编码表4567CIIII例：例：八线八线-三线编码器三线编码器设八个输入端为设八个输入端为I0 I7，八种信号，与之对应的输出设为，八种信号，与之对应的输出设为A、B、C，共三位二进制数。，共三位二进制数。ICBAI0000I1001I2010I3011I4100I5101I6110I71112367BIIII1357AIIII8-3编码器逻辑图编码器逻辑图 CBA0I1I2I3I4I5I6I7I4567CIIII2367BIIII1357AIII

27、I输入端：十个按键输入端：十个按键 A0A9输出端：输出端： F1F42. 二二-十进制编码器十进制编码器二二-十进制编码器十进制编码器： 用用4 位二进制代码表示十进制的位二进制代码表示十进制的10个数字个数字09的组合逻辑电路的组合逻辑电路编码表编码表11357913579FAAAAAA A A A A 22367FA A A A 34567FA A A A 489FA A AF4F3F2F1A00000A10001A20010A30011A40100A50101A60110A70111A81000A91001113579FA A A A A 22367FA A A A 34567FA A

28、 A A 489FA A 当有键按下时，当有键按下时，S=1：灯亮：灯亮没有键按下时，没有键按下时，S=0：灯不亮灯不亮01234SAFFFF975311AAAAAF 76322AAAAF 76543AAAAF 489F = A A01234S = A + F +F + F + F &G4&G1&G3&G2V5 4F3F2F1F 1G50A1A2A3A4A5A6A7A8A9A1 1 6G7G二二- -十进制十进制编码器编码器逻辑图逻辑图1译码器：译码器：实现译码功能的组合逻辑电路实现译码功能的组合逻辑电路二、二、 译码器和数字显示译码器和数字显示译码译码：与编码相反，将具有特定含义的二进制代码翻：与编码相反，将具有特定含义的二进制代码翻译成它表示的信号译成它表示的信号N-M线线译码器译码器NM例例： N=2 的译码器的译码器输入端输入端：A1、A2 使能端使能端：E 输出端输出端：F0、F1 、F2 、F3真值表：真值表：012FE A A112FE A A212FE A A312FE A A1. 二进制译码器二进制译码器二进制译码器：二进制译码器：将一组将一组N 位二进制代码翻译成其对位二进制代码翻译成其对应的应的 2N 个信号个信号EA1A2F0F1F2F31 11110000111001101101011010111110012FE A A