数字电子技术仿真实训教程高职全套教学课件

绪论全套可编辑PPT课件绪论裁判表决器电路的设计与调试8路抢答器电路的设计与调试密码电子锁的设计与调试多功能数字钟的设计与调试流水彩灯的设计与调试蔬菜大棚温度报警电路的设计与调试用可编程逻辑器件实现计数器目录一、数字电子技术概述二、电子产品制造技术三、芯片技术四、工匠劳模CONTENTS一、数字电子技术概述二、电子产品制造技术三、芯片技术四、工匠劳模（一）数字电子技术发展史

电子技术是19世纪末到20世纪初发展起来的新兴技术，在20世纪发展最迅速，应用最广泛，成为近代科学技术发展的一个重要标志。电子技术水平是现代化的一个重要标志，是实现现代化、智能化的重要技术基础。电子工业的发展速度和技术水平，直接影响到工业、农业、科学技术和国防建设，关系着社会主义建设的发展速度和国家的安危，也直接影响到人民的物质、文化生活，关系着广大群众的切身利益。01

1883年，美国发明家爱迪生发现了热电子效应。02

1895年，荷兰物理学家洛伦兹假定了电子的存在。03

1897年，英国物理学家汤姆孙通过试验找出电子。04

1904年，英国物理学家弗莱明利用热电子效应制成电子二极管，并证实了电子管具有“阀

门”作用，将其用于无线电检波。05

1906年，美国物理学家福雷斯特在弗莱明的二极管中放进第三电极——栅极而发明了电子

三极管，从而建树了早期电子技术上最重要的里程碑。（二）数字电子技术的应用领域1在国防领域的应用科技的进一步提高，对我国的国防提出了更高的要求，而数字电子技术由于巨大的优势，被普遍应用到国防建设中。数字电子技术是推动国防发展的基础，全面改善了军事装备，在国防顺利发展的基础上，还让国防电子格局发生了改变。对数字电子技术的广泛应用，让国防事业得到了很大的发展。2在电力行业中的应用如果电力系统能够运用数字电子技术，那么系统会变得十分完善，还能提高传送电能的效率，以及系统运行的安全性。同时，采用数字电子技术，能够提高电力系统的传送管控能力，如果在工作期间出现了突发性状况，那么就能有效地采取及时的处理，这样能让电力企业获得更多的经济效益，让电力企业在竞争激烈的市场环境中占据一席之地。3在电子商务领域的应用随着经济全球化和互联网技术的提升，电子商务得到快速发展。其具有非常好的网络环境，很难被地点、时间等因素制约。参加商务活动时，灵活采用数字电子技术，如RFID、人脸识别、指纹识别、数字监控等技术，各类资源也能够完成整合，交易成本下降，效率提高。4在家用电器中的应用在日常生活中，电子产品得到了广泛的应用。例如，利用数字电子技术对温度采取有效控制，对照明装置的照度进行调节，对智能电视的各种操作，自动烟雾报警等。5在汽车行业里的应用将汽车配件和数字化技术进行结合，可以很大程度地加强汽车行驶的安全性，如ASR、VDC等电子系统，加强了汽车的稳定性。另外，采用智能交通系统，还可以给驾驶员提供安全的行车路线，较少交通事故的发生。（三）数字电子技术的发展趋势随着社会的发展，数字化和信息化技术越来越普及，势必促进数字电子技术的迅猛发展，市场对数字电子的需求呈明显上升趋势。如今科技信息更新换代愈发快速，这极大地推动了数字电子技术的更新升级，以满足不断变化的市场环境。1.数字电子技术与模拟电子技术的融合2.大规模3.绿色环保二、电子产品制造技术三、芯片技术四、工匠劳模（一）印制电路板的装配与焊接

印制电路板(PCB)是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，由于它是采用电子印刷技术制作的，故称为印制电路板。印制电路板分为单面印制电路板（单面板）、双面印制电路板（双面板）和多层印制电路板。单面板由基板、导线、焊盘和阻焊层组成，单面板只有一面有铜箔导线，主要应用于低档电子产品。双面板两面都有铜箔导线，应用较为广泛。电子技术的发展要求电路集成度和装配密度不断提高，连接复杂的电路就需要使用多层印制电路板。1印制电路板的装配（1）把各种元器件按照产品装配的技术标准进行复检和装配前预处理，淘汰不合格元器件。（2）对元器件进行整形，使之符合电路板上的位置要求。（3）将元器件插装到印制电路板上。（4）对装配过的电路板进行检查。2印制电路板的焊接

1）波峰焊在电子产品大批量生产的企业里，印制电路板的焊接主要采用波峰焊、浸焊、回流焊等。

波峰焊是指将熔化的软钎焊料，经电动泵或电磁泵喷流成设计要求的焊料波峰，也可通过向焊料池注入氮气来形成，使预先装有元器件的印制电路板通过焊料波峰，实现元器件焊端或引脚与印制电路板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。波峰焊机的内部结构如图所示。波峰焊的工艺流程如下。（1）零件准备。（2）插装元器件。（3）涂助焊剂。（4）干燥和预热。（5）波峰焊。（6）强迫风冷。（7）剪腿和整理。（8）检验和修补。

2）浸焊

浸焊是将插装好元器件的PCB在熔化的锡炉内浸锡，一次完成众多焊点焊接的方法。浸焊分为手工浸焊和自动浸焊。手工浸焊是由专业操作人员手持夹具，夹住已插装好元器件的PCB，以一定的角度浸入焊锡槽内来完成的焊接工艺。手工浸焊机如图所示。其操作过程如下。（1）加热锡炉，锡温控制在250~280℃。（2）在PCB上涂一层(或浸一层)助焊剂。（3）用夹具夹住PCB浸入锡炉中，焊盘表面与PCB接触，浸锡厚度以PCB厚度的1/2~2/3为宜，浸锡的时间为3~5s。（4）以PCB与锡面成5°~10°的角度使PCB离开锡面，略微冷却后检查焊接质量。如有较多的焊点未焊好，要重复浸锡一次。自动浸焊是利用自动浸焊机完成，将已插有元器件的待焊PCB由传送带送到工位时，焊料槽自动上升，待焊板上的元器件引脚与PCB焊盘完全浸入焊料槽，保持足够的时间后，焊料槽下降，脱离焊料，冷却形成焊点完成焊接。自动浸焊主要用于电视机主板等面积较大的电路板的焊接，相对于波峰焊，锡渣量减少，并且板面受热均匀，变形相对较小。自动浸焊机如图所示。其操作过程如下。（1）PCB在浸焊机内运行至锡炉上方。（2）锡炉做上下运动或PCB做上下运动，使PCB浸入锡炉焊料内，浸入深度为PCB厚度的1/2~2/3，浸锡时间3~5s。（3）PCB离开浸锡位，出浸锡机，完成焊接。

3）回流焊

随着电子产品PCB不断小型化，出现了片状元件，传统的焊接方法已不能适应需要。回流焊设备内部有一个加热电路，将空气或氮气加热到足够高的温度后吹向已经贴好元件的PCB，让元件两侧的焊料融化后与主板黏结。回流焊工艺是贴装技术的重要部分。起先，只在混合集成电路板组装中采用回流焊工艺，组装焊接的元件多数为片状电容、片状电感、贴装型晶体管及二极管等。随着表面装配技术发展日趋完善，多种贴片元件和贴装器件的出现，回流焊工艺技术及设备也得到相应发展，其应用日趋广泛，几乎在所有电子产品领域都已得到应用。需要进行表面贴装工艺的电子产品首先施加焊锡膏，然后贴装元器件，最后回流焊接。回流焊机如图所示。其操作过程如下。01

PCB进入140~160℃的预热温区时，焊膏中的溶剂、气体蒸发掉，同时，焊膏中的助焊剂润湿焊盘、元器件焊端和引脚，焊膏软化、塌落，覆盖焊盘，将焊盘、元器件引脚与氧气隔离。02表贴元件充分预热后进入焊接区，温度以2~3℃/s迅速上升时，焊膏达到熔化状态，液态焊锡在PCB的焊盘、元器件焊端和引脚润湿、扩散、漫流和回流混合在焊接界面上生成金属化合物，形成焊锡接点。03

PCB进入冷却区，焊点凝固。（二）表面装配技术

表面装配技术（surfacemountedtechnology，SMT）是指在PCB基础上进行贴片加工的系列工艺流程。它是目前电子组装行业里最流行的一种技术和工艺，具有易实现微型化，电气性能大大提高，易于实现自动化、大批量、高效率生产，材料成本、生产成本普遍降低，产品质量提高等优点。1封装方式贴片式集成电路按照封装方式可以分为SO（shortout－line）封装、QFP（quadflatpackage）封装、PLCC（plasticleadedchipcarrier）封装等，如图所示。1）SO封装

引线比较少的小规模集成电路大多采用这种小型封装方式。SO封装又分为几种：芯片宽度小于3.8mm、电极引脚数目少于18的，称为SOP（shortout～linepackage）封装；薄形封装（TSOP封装）；6.35mm宽的，电极引脚数目在20以上的，称为SOL封装。SO封装的引脚大部分采用翼形电极，引脚间距有1.27mm、1.0mm、0.8mm、0～65mm和0.5mm，但SOJ封装的引脚两边向内钩回，称为钩形（J形）电极，引脚数目在12~48。2）QFP封装

矩形四边都有电极引脚的SMT集成电路采用QFP封装，其中，PQFP（plasticQFP）封装的芯片四角有突出（角耳）；薄形TQFP封装的厚度已经降到1.0mm或0.5mm。QFP封装的芯片一般都是大规模集成电路，在商品化的QFP芯片中，电极引脚数目最少为20，最多可能达到300以上。引脚间距最小的是0.4mm（最小极限是0.3mm），最大的是1.27mm。3）PLCC封装

PLCC封装的引脚在芯片底部向内弯曲，呈钩形（J形）电极，电极引脚数目为16~84，间距为1.27mm。在芯片的俯视图中看不到芯片引脚。4）BGA封装

BGA封装的I/O端子以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面，如图所示。BGA封装的优点是I/O引脚数增加，但引脚间距并没有减小反而增加，提高了组装成品率；虽然它的功耗增加，但BGA封装能用可控塌陷芯片法焊接，可以改善芯片的电热性能；厚度和质量都较以前的封装技术有所减小；寄生参数减小，信号传输延迟小，使用频率大大提高；组装可用共面焊接，可靠性高。2工艺流程表面装配技术生产电子设备主要包括锡膏印刷机、贴片机、回流焊机和自动焊接质量检测装置，简单示意图如图所示。其生产工艺流程一般如下。（1）涂膏。（2）贴装。（3）固化。（4）回流焊接。（5）清洗。（6）检测。（7）返修。三、芯片技术四、工匠劳模

芯片是半导体元件产品的统称，也称为集成电路（integratedcircuit，IC）或微电路（microcircuit）、微芯片（microchip）、晶片/芯片（chip）；在电子学中是一种把电路（主要包括半导体设备，也包括被动组件等）小型化的方式，并时常制造在半导体晶圆表面，其外观如图所示。如今，随着科学技术的进一步发展，芯片制造技术的发展趋势主要表现为以下方面。1.集成电路走向系统芯片2.石墨烯有望替代半导体3.微机电技术和生物信息技术将成为下一代半导体的主流技术四、工匠劳模

党的十九大报告明确提出：“建设知识型、技能型、创新型的劳动者大军，弘扬劳模精神和工匠精神，营造劳动光荣的社会风尚和精益求精的敬业风气。工匠精神，是工人在长期岗位工作中形成的对岗位技能的更高要求，对岗位的热爱、对高质量不断追求的态度。在数字电子技术课程培养过程中。倡导工匠精神也是为《中国制造2025》战略目标的实现提供一批具有精益求精、追求完美极致、对社会有强烈责任感的工匠。具体到课程本身，基于工匠精神培养的数字电子技术课程内容学习过程中，需对学生提出以下培养要求。清楚掌握并遵守学校的各种行为规范。上课时仔细倾听老师的讲解、实训任务安排、作业等，不懂就问。制订合理的学习计划、学习笔记与学习总结。主动学习，借助学校的各种资源获取学习机会等。THANKSFORLISTENING

项目一裁判表决器电路的设计与调试目录任务一数字集成电路的识别任务二仿真测试门电路逻辑功能任务三仿真测试逻辑函数的化简任务四仿真设计三人投票表决电路CONTENTS项目分析举重比赛中，运动员的成绩有效与否由裁判判定，裁判共4位，其中主裁判1位，副裁判3位，主裁判有2个票权，每位副裁判有1个票权。当每位裁判认为运动员成绩有效时，投出赞成票。按照多数票有效的原则，当裁判组认为运动员举重成绩有效时，白灯亮；当裁判组认为运动员举重成绩无效时，红灯亮。裁判表决器电路就是为了解决裁判的表决问题而设计的，裁判同意时，只需按下对应的按钮，运动员的成绩有效与否的结果就直观地显示出来。裁判表决器电路设计流程图如图所示。项目分析本项目需要完成下列内容。（1）完成裁判表决器电路的设计。（2）画出裁判表决器电路的逻辑图。（3）完成裁判表决器电路的仿真调试。（4）完成裁判表决器电路的连接。要完成裁判表决器电路的设计，需要从数字电路的基础入手，相应的知识环节如图所示。了解数字集成电路的命名方法；了解逻辑函数的意义，能进行逻辑函数的化简；了解组合逻辑电路的设计流程，能进行简单应用电路的设计。知识目标技能目标掌握数字集成电路的识别；掌握仿真测试集成电路逻辑功能的方法，进而掌握实际数字集成电路的测试；掌握选用数字集成电路芯片的方法，能按照逻辑电路图搭建实际电路；能使用仿真软件进行应用电路的设计。一、数字电路概述二、数字集成电路任务一数字集成电路的识别任务目标在集成技术迅速发展和广泛应用的今天，由半导体元件组成的分立元件门电路已经很少使用，现在的数字电路一般都由集成电路组成。本任务要求学生完成数字集成电路型号、生产厂商的识别，同时掌握查找数字集成电路芯片参数的方法。一、数字电路概述

现代社会中,数字电路有着广泛的应用和高速的发展。数字电子计算机、数字式仪表、数字控制装置和工业逻辑系统等现代电子控制设备都是以数字电路为基础的。数字电路大致包括信号的产生、放大、整形、传送、控制、存储、计数、运算等组成部分。

（一）数字信号与数字电路1概述电子线路中的信号可分为两类。一类是时间连续的信号，称为模拟信号，如温度、速度、压力、磁场及电场等物理量通过传感器转换成的电信号，模拟语音的音频信号和模拟图像的视频信号等。图(a)所示为模拟信号的波形。对模拟信号进行传输、处理的电子线路称为模拟电路，如放大器、滤波器及信号发生器等都是由模拟电路组成的。另一类是时间和幅值都是离散的(即不连续的)信号，称为数字信号。图(b)所示为数字信号的波形。对数字信号进行传输、处理的电子线路称为数字电路，如数字电子钟和数字万用表等都是由数字电路组成的。2脉冲信号和数字信号1）脉冲信号脉冲信号是指在短时间内作用于电路的离散的电流和电压信号。上页图(a)所示是理想矩形脉冲波形，它从一种状态变化到另一种状态不需要时间。而实际矩形脉冲波形与理想波形是不同的，图(b)所示为尖顶脉冲波形。

下面以图所示的实际矩形脉冲波形为例来说明描述脉冲信号的各种参数。（1）脉冲幅值Um。脉冲幅值Um是脉冲信号从一种状态变化到另一种状态的最大变化幅度。（2）脉冲前沿tr。脉冲前沿tr是脉冲信号由幅值的10％上升到幅值的90％所需的时间。（3）脉冲后沿tf。脉冲后沿tf是脉冲信号由幅值的90％下降到幅值的10％所需的时间。（4）脉冲宽度tW。脉冲宽度tW是脉冲信号由前沿幅值的50％变化到后沿幅值的50％所需的时间。（5）脉冲周期T。脉冲周期T是周期性变化的脉冲信号完成一次变化所需的时间。（6）脉冲频率f。脉冲频率f是单位时间内脉冲信号变化的次数。2）正、负脉冲信号脉冲信号可以分为正脉冲信号和负脉冲信号两种。变化后比变化前的电平值高的脉冲信号称为正脉冲信号，其波形如图(a)所示；变化后比变化前的电平值低的脉冲信号称为负脉冲信号，其波形如图(b)所示。3）数字信号数字信号是指可以用两种逻辑电平0和1来描述的信号。逻辑电平0和1不表示具体的数量，而是一种逻辑值。若逻辑电路中的高电平用逻辑1表示、低电平用逻辑0表示，称之为正逻辑；若高电平用逻辑0表示、低电平用逻辑1表示，称之为负逻辑。在逻辑电路中习惯采用正逻辑，今后如无特殊说明，本书一律采用正逻辑。理想脉冲信号的前沿和后沿可视为零，因此可以用两个离散的电压值来表示脉冲波形，这时数字波形和脉冲波形是一致的，只不过前者用逻辑电平表示，而后者用电压值表示。3数字电路的优点与模拟电路相比，数字电路具有以下显著的优点。(1)结构简单，便于集成化、系列化生产，成本低廉，使用方便。(2)抗干扰性强，可靠性高，精度高。(3)处理功能强，不仅能实现数值运算，还可以实现逻辑运算和判断。(4)可编程数字电路可容易地实现各种算法，具有很大的灵活性。(5)数字信号更易于存储、加密、压缩、传输和再现。

（二）数字电路的特点与分类1数字电路的特点电子器件(如二极管、三极管)的导通与截止两种状态的外部表现是电流的有无或电平的高低，所以数字电路在稳态时，电子器件处于开关状态，即工作在饱和区和截止区。这种有和无、高和低相对立的两种状态，分别用1和0两个数值来表示。数字信号中的1和0没有任何数量的含义，只表示两种不同的状态，所以在数字电路的基本单元电路中，对元件的精度要求不高，允许有较大的误差，电路在工作时只要能可靠地区分开1和0两种状态即可。相应地，组成数字电路的单元结构也比较简单，具有便于集成化和系列化生产、工作准确可靠、精度高、成本低廉、使用方便等优点。在数字电路中，人们关心和研究的主要问题是输出信号的状态(0或1)与输入信号的状态(0或1)之间的逻辑关系，以反映电路的逻辑功能，所以在数字电路中不能采用模拟电路的分析方法，而是以逻辑代数作为主要工具，利用真值表、逻辑表达式、波形图等来表示电路的逻辑功能，所以数字电路又称为逻辑电路。数字电路不仅具有算术运算能力，还具有逻辑推理和逻辑判断能力，所以人们才能够制造出各种数控装置、智能仪表、数字通信设备及数字电子计算机等现代化的科技产品，使数字电路得到广泛的应用。2数字电路的分类最基本的数字电路由二极管、三极管和电阻等元器件组成，实际应用中已很少见到。现在的数字电路一般由集成电路组成。数字电路的种类繁多，其分类方式也较多，大致可以从以下几个方面对数字电路进行分类。(1)由于数字电路由集成电路构成，因而可将数字电路按集成电路芯片的集成度分为小规模(SSI，每片数十器件)、中规模(MSI，每片数百器件)、大规模(LSI，每片数千器件)和超大规模(VLSI，每片器件数大于1万)数字集成电路。(2)按所用器件制作工艺的不同，可将数字电路分为双极型(TTL型)和单极型(CMOS型)两类。双极型电路开关速度快、频率高、信号传输延迟时间短，但制造工艺较复杂。单极型电路输入阻抗高、功耗小、工艺简单、集成密度高，且易于大规模集成。(3)按电路的结构和工作原理的不同，可将数字电路分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两类。组合逻辑电路没有记忆功能，其输出信号只与当时的输入信号有关，而与电路以前的状态无关，如加法器、编码器、译码器、数据选择器等都是典型的组合逻辑电路。时序逻辑电路具有记忆功能，其输出信号不仅和当时的输入信号有关，而且与电路以前的状态有关，如触发器、计数器、寄存器、顺序脉冲发生器等都是典型的时序逻辑电路。组合逻辑电路和时序逻辑电路是各种数字系统和数字设备(如数字电子计算机)的基本组成部件。二、数字集成电路

能实现基本和常用逻辑运算的电子电路称为门电路。集成电路从应用的角度又可分为通用型和专用型两大类型。在集成技术迅速发展和广泛应用的今天，由半导体元件组成的分立元件门电路已经很少使用，但不管功能多么强大、结构多么复杂的集成门电路，都是以分立元件门电路为基础，经过改造演变而来的。本书重点介绍集成逻辑电路。

（一）TTL与CMOS集成电路在数字电路中，应用最为广泛的是TTL集成门电路和CMOS集成门电路。TTL是英文“transistortransistorlogic”的缩写，意为“晶体管晶体管逻辑”。当逻辑门电路的输入级和输出级都采用三极管时，将这种逻辑门电路称为TTL逻辑门电路。CMOS集成电路的许多最基本的逻辑单元都是用P沟道增强型MOS管和N沟道增强型MOS管，按照互补对称形式连接起来构成的，并因此而得名。这种电路具有电压控制、功耗极小、连接方便等一系列优点，是目前应用最广泛的集成电路之一。常用数字集成电路的分类及特点见下表。（二）数字集成电路的命名方法

我国集成电路的型号是按照国家标准（国标）的规定命名的，国标《半导体集成电路型号命名方法》GB3430—1989规定了我国集成电路各个品种和系列的命名方法。集成电路国标命名方法见表。1国产集成电路的型号命名方法

目前电子市场上除国产的集成电路外，还有世界各大半导体器件公司生产的大量产品。集成电路的命名在国际上还没有统一的标准，各制造公司各有自己的一套命名方法，这给识别集成电路带来很大的困难，但各制造公司对集成电路的命名也存在一些规律。下表列出了国外集成电路型号前缀字母与生产公司对照，供参考。2国外集成电路的型号命名方法

需要说明的是，由于集成电路的生产厂家众多，且命名方法各异，即使同一前缀名的集成电路，也有不同的厂家在生产，所以使用者在选择具体集成电路的时候，要查阅相应的集成电路手册，或到相关的网站查询。下图所示为数字集成电路型号举例。3集成电路的使用常识1）常见数字集成电路的封装集成电路就是采用一定的生产工艺将晶体管、电阻和电容等元器件及连接线路都集中在一个很小的硅片上，这个小硅片称为晶片。将晶片用塑料或陶瓷封起来，并引出外部连接线，其外形大小、形状和外部连接线的引出方式、尺寸标准称为集成电路的封装。为满足不同的应用场合，同一型号的集成电路一般都有不同形式的封装，在使用集成电路前一定要查清集成电路的封装，特别是在设计印制电路板时，初学者往往会发生印制电路板制作完成后，在组装器件时因封装不对而造成印制电路板报废的情况。随着集成电路安装工艺技术的发展，封装技术也在不断发展。目前集成电路的封装规格不下数百种，图所示为数字集成电路常见的几种封装形式。

TTL与非门在数字电路中有着广泛的应用。可根据电路的逻辑需要，选用四2输入与非门、三3输入与非门、双4输入与非门、8输入与非门或相应型号的开路门(OC门)。其中四2输入与非门的含义为，在1个集成电路芯片中集成了4个一样的与非门电路，每个与非门电路为2个输入端和1个输出端。其他有关芯片的内容，会在后续章节中结合实际应用陆续介绍。表列出了常用TTL与非门产品的型号和功能。知识拓展——TTL与非门电路的型号及通用性

上述的11种与非门(含OC门)均采用双列直插(DIP)式14脚封装形式，如图所示为CT7400和CT7420两种与非门的引脚排列示意图。

TTL门电路是基本逻辑单元，是构成各种TTL集成电路的基础。实际生产的TTL集成电路品种齐全，种类繁多，应用十分普遍。TTL集成电路产品有多个系列，其常用集成逻辑电路参数见表。知识拓展——TTL集成电路的技术参数74LS系列产品具有最佳的综合性能，是TTL集成电路的主流，是应用最广的系列。TTL集成电路参数很多，现以TTL与非门为例介绍一些反映性能的主要参数。1电压传输特性电压传输特性是指输出电压uO随输入电压uI变化的特性。如果将TTL与非门的某输入端电压由0V逐渐增加到5V，其他输入端接5V，测量输出端电压，可以得到一条电压变化的曲线，这就是电压传输特性曲线，如图所示。2其他类型的TTL门电路在实际的数字系统中，为了便于实现各种不同的逻辑函数，在TTL门电路的定型产品中，除了与非门之外，还有或非门、与门、或门、与或非门、异或门和反相器等几种常见的类型。它们尽管功能不同，但输入端和输出端的电路结构均与TTL与非门基本相同，所以前面介绍的各种特性和参数，对这些门电路同样适用。同一系列数字集成电路中逻辑功能相同的数字集成电路，其外部引脚相同，如74系列中四2输入与非门有7400、74LS00（见图）、74HC00、74ALS00、74HCT00等类型。尽管它们有着相同的逻辑功能和外形，但它们的技术参数却不相同，使用中是否能直接互换需要根据技术参数来决定。技能训练——数字集成电路的识别1实训目的学习并掌握数字集成电路的识别方法。2实训器材实训器材如表所示。技能训练——数字集成电路的识别3实训原理及操作根据本任务中有关数字电路芯片的相关知识，结合学生通过网络查找或查阅技术资料的方式，了解掌握集成电路芯片参数的获取方法。（1）根据型号判断出集成电路芯片的生产厂家、引脚数量和芯片的逻辑功能。（2）画出芯片的引脚图和内部逻辑图并标出引脚号。（3）写出芯片的主要技术参数，填写表。一、逻辑代数二、逻辑运算三、逻辑门电路与集成逻辑电路任务二仿真测试门电路逻辑功能任务目标门电路是组成数字电路的基本单元电路，了解了门电路的工作原理和逻辑功能，才能更好地使用集成逻辑门电路。本任务通过仿真测试的方式学习并掌握集成逻辑门电路的功能和特点。一、逻辑代数

所谓逻辑，就是指事物的各种因果关系。就其整体而言，数字电路输出量与输入量之间的关系是一种因果关系，它可以用逻辑表达式来描述，因而数字电路又称为逻辑电路。逻辑代数（布尔代数)是研究逻辑电路的数学工具，它为分析和设计逻辑电路提供了理论基础。逻辑代数用二值函数进行逻辑运算。利用逻辑代数可以将客观事物之间复杂的逻辑关系用简单的代数式描述出来，从而方便地研究各种复杂的逻辑问题。逻辑代数与普通代数一样，也是用字母表示变量，但是变量的取值只有0和1。这里的0和1并不表示数量的大小，而是两种对立的逻辑状态，例如，“是”与“不是”，“通”与“断”，“高电平”与“低电平”等。0和1的含义要根据所研究的具体事件来确定。

（一）基本逻辑关系基本的逻辑关系有三种：与逻辑、或逻辑和非逻辑。下面用图所示的指示灯控制电路来说明逻辑函数的实际意义。首先确定各逻辑值的含义：设开关闭合为1，断开为0；灯亮为1，灯灭为0。用A、B作为开关S1、S2的状态变量，用F作为灯H的状态变量。只有当决定事物结果的所有条件全部具备时，这个结果才会发生，这样的逻辑关系称为与逻辑关系。对于图(a)所示的电路，只有当开关S1与S2都闭合，即A与B均为1时，F才能为1，灯才能亮。所以灯和开关之间的逻辑关系为逻辑与，表示为F=A·B。1与逻辑在决定事物结果的所有条件中，只要具备一个或一个以上的条件，这个结果就会发生，这样的逻辑关系称为或逻辑关系。对于图(b)所示电路，只要开关S1或S2有一个闭合，即A或B有一个为1时，F就能为1，灯就能亮。所以灯和开关之间的逻辑关系为逻辑或，表示为F=A+B。2或逻辑当决定事物结果的条件不具备时，这件事情才会发生，这样的逻辑关系称为非逻辑关系。对于图(c)所示电路，当开关S1断开时灯亮，当开关S1闭合时灯灭。因此，灯和开关之间的逻辑关系为逻辑非，表示为F=A。3非逻辑将上述的与逻辑、或逻辑和非逻辑的因果关系用字母代号和数字0、1的形式，列出所有变化的状态表，即为该逻辑运算的真值表。除了与、或、非三种基本逻辑关系外，还有与非、或非、与或非、异或和同或等复合逻辑关系。

（二）逻辑函数的表示方法任何逻辑函数都可以用逻辑表达式、逻辑符号图(简称为逻辑图)、真值表和卡诺图四种形式来表示。表所示为几种常用逻辑函数的表示方法。

（三）逻辑函数表示形式的转换同一个逻辑函数可以用逻辑表达式、真值表和逻辑图三种形式中的任意一种来表示。其中逻辑表达式又有多种形式，如与或表达式、或与表达式、与非-与非表达式、或非-或非表达式、与或非表达式等。因此，对同一个逻辑函数，根据需要可以采用任意一种形式来表示，各种形式之间也可以相互转换。例如：由真值表转换到与或表达式的方法是：将真值表中每一组使输出函数值为1的输入变量都写成一个乘积项；在这些乘积项中，取值为1的变量，该因子写成原变量，取值为0的变量，该因子写成反变量；将这些乘积项相加，就得到了逻辑函数的与或表达式。1由真值表转换到与或表达式由逻辑表达式转换到真值表的方法是：把函数中变量各种取值的组合有序地填入真值表中(有n个变量时，变量取值的组合有2n个)，再计算出变量各组取值时对应的函数值，并填入表中，就得到了逻辑函数的真值表。由逻辑表达式转换到真值表的转换就是将所有变量对应的所有赋值运算一遍，将变量的赋值与运算的结果以填表的形式表示出来。2由逻辑表达式转换到真值表

3逻辑表达式与逻辑图的转换二、逻辑运算

1基本的逻辑运算

基本逻辑运算的法则见表。

（1）交换律。A+B=B+AA·B=B·A

（2）结合律。A+B+C=A+（B+C）ABC=A（BC）=（AB）C2逻辑代数的基本定律

除了基本的逻辑运算以外，还经常用到与非、或非、异或、同或等逻辑运算来处理逻辑问题。3几种常用的逻辑运算

逻辑代数有三个重要规则，利用这三个规则，可以得到更多的公式，从而使公式的应用范围更为广泛，使用也更为灵活。4逻辑代数运算的基本规则

1）代入规则在任何一个逻辑等式中，如果将等式两边所有出现某一变量的地方都用同一个逻辑函数代替，则等式依然成立。这个规则称为代入规则。

2）反演规则对于任何一个逻辑表达式F，如果将表达式中所有的“·”换成“+”，“+”换成“·”，“0”换成“1”，“1”换成“0”，原变量换成反变量，反变量换成原变量，那么所得到的表达式就是函数F的反函数F。这个规则称为反演规则。需要注意的是，在运用反演规则求一个函数的反函数的时候，必须按照逻辑运算的优先顺序进行，即先算括号，接着与运算，然后或运算，最后非运算，否则容易出错。

3）对偶规则

对于任何一个逻辑表达式F，如果将表达式中所有的“·”换成“+”，“+”换成“·”，“0”换成“1”，“1”换成“0”，而变量保持不变，那么所得到的表达式是一个新函数F′。F′称为函数F的对偶函数。这个规则称为对偶规则。需要注意的是，在求一个函数的对偶函数时，同样需要注意运算的先后顺序。对偶规则的意义在于，如果两个函数相等，则它们的对偶函数也相等。

对于一个逻辑函数，当用不同电路来实现时，其逻辑表达式的形式也不同，这时就需要将逻辑表达式进行变换。下面的两个例子是常用的变换。5利用逻辑运算的法则进行逻辑表达式的变换三、逻辑门电路与集成逻辑电路

能实现基本和常用逻辑运算的电子电路称为门电路。由于在二值逻辑中，逻辑变量的取值0和1是两种截然不同的逻辑状态，在电路中也需要用两种截然相反的状态来表示，而电路的状态是靠半导体元件的导通与截止来控制和实现的，所以半导体元件称为电子开关。二极管、三极管和场效应管在数字电路中就是构成这种电子开关的基本开关元件。相应地，门电路也称为开关电路。

（一）分立元件门电路在集成技术迅速发展和广泛应用的今天，分立元件门电路已经很少使用，但不管功能多么强大、结构多么复杂的集成门电路，都是以分立元件门电路为基础，经过改造演变而来的。了解分立元件门电路的工作原理，有助于学习和掌握集成门电路。分立元件门电路是由二极管、三极管和MOS管以及电阻等元件组成的门电路。

图(a)所示是由二极管构成的有两个输入端的与门电路，其中A和B为输入端，F为输出端。图(b)所示是与门的逻辑符号。1二极管与门假设二极管是硅管，正向压降为0.7V，输入高电平为3V，低电平为0V。现在来分析这个电路如何实现与逻辑运算。输入A和B的高、低电平共有四种不同的组合，下面分别讨论。（1）VA＝VB＝0V。在这种情况下，二极管DA和DB都处于正向偏置，DA和DB均导通。由于二极管的正向导通压降为0.7V，使VF被钳制在VF=VA(或VB)+0.7V＝0.7V。（2）VA＝0V，VB＝3V。VA=0V，故DA先导通。由于二极管的钳位作用，VF＝0.7V。此时DB反向偏置，处于截止状态。（3）VA＝3V，VB＝0V。显然DB先导通，VF＝0.7V。此时DA反向偏置，处于截止状态。（4）VA＝VB＝3V。在这种情况下，DA和DB均导通，因二极管的钳位作用，VF＝VA(或VB)+0.7V＝3.7V。将上述输入与输出电平之间的对应关系列表，见下表。如果将高电平3V或3.7V代表逻辑1，低电平0V或0.7V代表逻辑0，则可以把上表中输入与输出电平关系表转换为输入与输出的逻辑关系表，见右表，这个表即为与逻辑真值表。

由此可见，输入变量A、B与F之间的逻辑关系是与逻辑。因此，图（a）所示电路是实现与逻辑运算的与门，其逻辑表达式为F=A·B。

图(a)所示是由二极管构成的有两个输入端的或门电路，其中A和B为输入端，F为输出端。图(b)所示是或门的逻辑符号，其电路分析可分为以下两种情况。2二极管或门

（1）VA=VB=0V或VA=VB=3V。显然，二极管DA和DB都导通。当VA=VB=0V时，VF＝VA（或VB）－0.7V＝－0.7V；当VA=VB=3V时，VF＝VA（或VB）－0.7V＝2.3V。

（2）VA、VB任意一个为3V。当VA=3V时，DA先导通，因二极管钳位作用，VF＝VA－0.7V＝2.3V。此时，DB截止。同理，当VB=3V时，VF＝2.3V。

如果将高电平2.3V和3V代表逻辑l，低电平－0.7V和0V代表逻辑0，那么根据上述分析结果，可以得到表所示的逻辑真值表。通过真值表可看出，只要输入有一个1，输出就为1。否则，输出就为0。

图(a)所示是由三极管构成的有一个输入端的非门电路，其中A为输入端，F为输出端。图(b)所示是非门逻辑符号，其电路分析可分为以下两种情况。3三极管非门

（1）VA=0V。由于VA=0V，－5V电压经R1和R2分压后使三极管VT的基极电平VB<0，所以，三极管处于截止状态，输出电压VF将接近于VCC，即VF≈VCC=3V。

(2)VA=3V。由于VA＝3V，三极管VT发射结正向偏置，VT导通并处于饱和状态（可以设计电路使基极电流大于临界饱和基极电流，在这种情况下，三极管为饱和状态），三极管VT为饱和状态时，VCE=0.3V，因此，VF=0.3V。如果将高电平3V代表逻辑1，低电平0V和0.3V代表逻辑0，根据上述分析结果，可得到表所示的逻辑真值表。通过真值表可以看出，输入为1时，输出为0；输入为0时，输出为1。由此可知，输入变量A与输出变量F之间的逻辑关系是非逻辑，其逻辑表达式为F=A。

二极管与门和或门电路简单，缺点是存在电平偏移、带负载能力差、工作速度低、可靠性差。非门的优点恰好是没有电平偏移、带负载能力强、工作速度高、可靠性高。因此，常将二极管与门、或门和三极管非门连接起来，构成与非门和或非门。这种门电路称为二极管－三极管逻辑门电路，简称为DTL电路。无论是分立元件组成的门电路还是集成门电路，只要其逻辑功能相同，在逻辑电路图中都可以用相应的逻辑符号来表示。4复合门电路

（二）TTL集成门电路分立元件门电路体积大、可靠性差，而集成门电路不仅微型化、可靠性高、耗电少，而且运行速度快，便于多级连接。以半导体器件为基本单元，集成在一块硅片上，并具有一定逻辑功能的电路称为逻辑集成电路。输入端和输出端都用双极型晶体管的逻辑电路称为晶体管晶体管逻辑电路，简称为TTL电路。TTL电路的开关速度较快，其缺点是功耗较大（相对CMOS电路而言）。图所示为TTL与非门电路。

图所示为TTL与非门电路，它由输入级、中间级和输出级三部分组成。输入级由多发射极晶体管VT1、二极管VD1和VD2构成。多发射极晶体管中的基极和集电极是共用的，发射极是独立的。VD1和VD2为输入端限幅二极管，限制输入负脉冲的幅度，起到保护多发射极晶体管的作用。中间级由VT2构成，其集电极和发射极产生相位相反的信号，分别驱动输出级的VT3和VT4。输出级由VT3、VT4和VD3构成推拉式输出。1基本TTL与非门的工作原理

在实际的数字系统中，为了便于实现各种不同的逻辑函数，在TTL门电路的定型产品中，除了与非门之外，还有或非门、与门、或门、与或非门、异或门和反相器等几种常见的类型。它们尽管功能不同，但输入端和输出端的电路结构均与TTL与非门基本相同，所以前面介绍的各种特性和参数，对这些门电路同样适用。2其他类型的TTL门电路3集电极开路的门电路和三态门

1）集电极开路的门电路集电极开路的门电路是基于线与逻辑的实际需要而产生的。线与就是将两个以上的门电路的输出端直接并联起来，用以实现几个函数的逻辑乘，这在理论上是可行的，但用普通的门电路实现线与却是不安全的。因为普通门电路的输出级大部分采用互补的工作方式，如果将两个与非门的输出端直接相连，就可能出现一条自VCC到地的低阻通路，则必然有很大的电流流过两个门的输出级，这个电流的数值将远远超过正常工作的电流，从而造成门电路的损坏。为了解决线与问题，在TTL电路中把门电路输出级改为集电极开路的三极管结构，简称为OC门。图(a)和图(b)所示分别为OC门的电路结构和逻辑符号。这种门工作时需要在输出级开路的集电极和电源之间加负载电阻，该负载电阻称为上拉电阻RC，只要RC的数值选择适当，就能做到既保证输出高、低电平符合要求，又保证输出级三极管不过载。线与功能是OC门在应用中的主要特点。两个OC门实现线与的电路如图(c)所示。当两个门的输出F1和F2均为高电平时，电路的输出F为高电平，F1和F2中有一个为低电平时，输出F为低电平，显然完成的是与运算F=F1·F2=AB·CD。这种不用与门而完成的与运算称为线与逻辑。

设n个OC门线与，后面带m个负载门，则上拉电阻（外接电阻）RC的取值范围为

2）三态门三态门简称为TSL门，它是在普通门的基础上，加上使能控制电路和控制信号构成的。三态门的输出有三种状态，即高电平、低电平和高阻态（开路状态）。在高阻态时，其输出与外接电路呈断开状态。图所示为三态与非门逻辑图。图(a)所示的三态门是控制端为高电平时有效。当EN=1时，与普通与非门的逻辑功能相同；当EN=0时，不论A、B的状态如何，其输出均为高阻态(与外电路隔断)。图(b)所示的三态门是控制端为低电平时有效。当EN=0时，与普通与非门的逻辑功能相同；当EN=1时，不论A、B的状态如何，其输出均为高阻态。4TTL逻辑门电路使用中的几个实际问题为防止干扰，增强工作的稳定性，与非门多余输入端一般不应悬空（悬空相当于逻辑1），而应将其接正电源或接固定高电平，也可以接至使用端，如图所示。或门和或非门多余输入端可直接接地。

1）多余输入端的处理

2）使用中的注意事项（1）对已经选定的元器件一定要进行测试，参数的性能指标应满足设计要求，并留有余量。要准确识别各元器件的引脚，以免接错造成人为故障甚至损坏元器件。（2）TTL电路的电源电压应满足（5±0.5）V，使用时不能将电源与“地”引线端颠倒接错，否则将会因电流过大造成器件损坏。（3）电路的各输入端不能直接与高于+5.5V、低于-0.5V的低内阻电源连接，因为低内阻电源能提供较大电流，会因过热而烧毁器件。（4）除三态门和OC门外，输出端不允许并联使用，OC门线与时应按要求配好上拉电阻。（5）输出端不允许与电源或“地”短路，否则会造成器件损坏，但可以通过电阻与电源相连，输出高电平。（6）在电源接通的情况下，不要移动或插入集成电路，因为电流的冲击会造成集成电路永久性损坏。（7）一个集成块中一般包括几个门电路，为了降低功耗，可将不使用的与非门和或非门等器件的所有输入端接地，并且将它们的输出端连到不使用的与门输入端上，如图所示。（8）为了防止动态尖峰或脉冲电流通过公共电源内阻耦合到逻辑电路造成干扰，在电源与地线间通常接入10～100μF的低频去耦滤波电容。大电容有分布电感，不能滤除高频干扰，因此每一个芯片电源端还应加接0.1pF的电容，以滤除高频开关噪声。（9）为了减少噪声，应将电源“地”和信号“地”分开,先将信号“地”汇集一点，然后用最短的导线将二者连在一起。如果系统中含有模拟和数字两种电路，同样应将二者的“地”分开，然后选一个合适的公共点接地。必要时可设计模拟和数字两块电路板，各配直流电源，然后将二者恰当的“地”连接在一起。（10）TTL电路通常要求输入信号上升沿或下降沿小于50～100ns/V，当外加输入信号不满足此要求时，必须加施密特触发器整形。

（三）CMOS集成电路

CMOS集成电路的许多最基本的逻辑单元，都是用P沟道增强型MOS管和N沟道增强型MOS管按照互补对称形式连接起来构成的，故称为互补型MOS集成电路，简称为CMOS集成电路。CMOS集成电路具有电压控制、功耗极低和连接方便等一系列优点，是目前应用最广泛的集成电路之一。

CMOS器件的系列较多，有4000、HC、HCT、AC和ACT等。其中4000为普通CMOS，HC为高速CMOS，HCT为能够与TTL兼容的CMOS，AC为先进的CMOS，ACT为先进的能够与TTL兼容的CMOS。

CMOS器件的电源电压：4000系列为3～18V，HC系列为2～6V，HCT、AC和ACT等与TTL系列相同，为5V。1常用CMOS逻辑门图所示是CMOS非门电路，是CMOS电路的基本单元。它由一个P沟道增强型MOS管T1和一个N沟道增强型MOS管T2构成，两管漏极相连作为输出端F，两管栅极相连作为输入端A。T1源极接正电源VDD，T2源极接地，VDD大于T1和T2开启电压绝对值之和。

1）CMOS非门电路图所示是两输入CMOS与非门电路。与CMOS非门电路相比，其增加了一个P沟道MOS管与原P沟道MOS管并接，增加了一个N沟道MOS管与原N沟道MOS管串接。每个输入分别控制一对P、N沟道MOS管。

2）CMOS与非门电路2CMOS传输门图所示为CMOS传输门电路及其逻辑符号，其中N沟道增强型MOS管TN的衬底接地，P沟道增强型MOS管TP的衬底接电源+VDD，两管的源极和漏极分别连在一起作为传输门的输入端和输出端，在两管的栅极上加上互补的控制信号C和C。3CMOS集成电路的特点和TTL集成电路比较，CMOS集成电路具有以下特点。（1）由于CMOS管的导通电阻比双极型晶体管的导通电阻大，所以CMOS集成电路的工作速度比TTL集成电路低。（2）CMOS集成电路的输入阻抗很高，在频率不高的情况下，电路的扇出能力较大，即带负载的能力比TTL集成电路强。（3）CMOS集成电路的电源电压允许范围较大，为3～18V，使电路的输出高、低电平的摆幅大，因此COMS集成电路的抗干扰能力比TTL集成电路强。（4）由于CMOS集成电路工作时总是一管导通，另一管截止，而截止管的电阻很高，这就使在任何时候流过电路的电流都很小，因此CMOS集成电路的功耗比TTL集成电路小得多。门电路的功耗只有几微瓦，中规模集成电路的功耗也不会超过100μW。（5）因为CMOS集成电路的功耗很小，所以其内部发热量小，因此CMOS集成电路的集成度比TTL集成电路高。（6）CMOS集成电路的温度稳定性好，抗辐射能力强，因此CMOS集成电路适合于在特殊环境下工作。（7）由于CMOS集成电路的输入阻抗高，所以其容易受静电感应而击穿，因此在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好，尤其是CMOS集成电路中多余不用的输入端绝对不能悬空，应根据需要接地或接高电平。4CMOS逻辑门电路的正确使用

CMOS逻辑门电路由于输入电阻高，因而极易接收静电电荷。为了防止发生静电击穿，生产CMOS管时，在输入端都加了标准保护电路，但这并不能保证绝对安全，因此使用CMOS集成电路时，必须采取以下预防措施。（1）存放CMOS集成电路时要屏蔽，一般放在金属容器内，也可以用金属箔将其引脚短路。（2）组装、调试时，电烙铁、仪表和工作台应有良好的接地。操作人员服装和手套等应选用无静电材料制作。焊接时电烙铁功率不应超过20W，最好用电烙铁余热快速焊接，也可以将插件座焊在电路板上，而后器件插在座上，这样最安全。（3）多余的输入端绝对不能悬空，否则会因受干扰而破坏逻辑关系。可以根据逻辑功能的需要，分情况对多余输入端加以处理。（四）CMOS电路与TTL电路的连接

在实际应用中，有时需要同时使用CMOS电路和TTL电路。由于两类电路的电平并不能完全兼容，因此存在相互连接的匹配问题。

（1）电平匹配。驱动门输出高电平要大于负载门的输入高电平，驱动门输出低电平要小于负载门的输入低电平。（2）电流匹配。驱动门输出电流要大于负载门的输入电流。1CMOS电路和TTL电路之间的连接条件

只要两者的电压参数兼容，一般情况下不用另加接口电路，仅按电流大小计算扇出系数即可。2CMOS电路驱动TTL电路

因为TTL电路的VOH小于CMOS电路的VIH，所以TTL电路一般不能直接驱动CMOS电路，可采用图所示电路，提高TTL电路的输出高电平，其中RUP为上拉电阻。如果CMOS电路VDD高于5V，则需要电平变换电路。3TTL电路驱动CMOS电路技能训练——用仿真软件Multisim10仿真测试门电路逻辑功能1实训目的（1）掌握基本门电路的逻辑功能及测试方法。（2）熟悉仿真软件Multisim10的使用。2实训器材实训器材如表所示。技能训练——数字集成电路的识别3实训原理及操作

1.测试与非门集成电路74LS00的逻辑功能（1）按图连线，灯泡作为输出的指示，同时接有虚拟万用表XMM1进行电平数值的测定。（2）自行设计真值表并将测试结果填入。（3）查阅集成电路74LS00的引脚图及其逻辑功能的相关资料。技能训练——数字集成电路的识别

2.测试与非门集成电路74LS20的逻辑功能（1）按图连线，灯泡作为输出的指示，同时接有虚拟万用表XMM1进行电平数值的测定。（2）自行设计真值表并将测试结果填入。（3）查阅集成电路74LS２0的引脚图及其逻辑功能的相关资料。实训操作一、元器件清单元器件清单如表所示。二、实训电路图实物安装图分别如图1和图2所示。三、实训步骤（1）按照元器件清单，识别准备元器件。（2）查阅集成电路74LS00和74LS20的数据手册，熟悉所用集成电路的引脚图及其逻辑功能。（3）检测电子元器件的好坏。用数字集成电路测试仪测试IC的好坏。如果IC上的字迹模糊，型号显示不清楚，通过自动扫描检测的方式可以检测其型号。（4）根据电路原理图，参照图示，合理布局元器件，并进行电路安装。（5）通电前要认真检查线路，检查无误后方可通电。通电后，分别拨动各拨码开关，观察发光二极管的状态。（6）列表记录拨码开关的位置及其对应的发光二极管的状态。开关闭合或发光二极管亮用“1”表示，开关断开或发光二极管灭用“0”表示。（7）整理表格，分析总结74LS00输出与输入之间的逻辑关系。（8）根据电路原理图，参照图示，合理布局元器件，并进行电路安装。（9）通电前要认真检查线路，检查无误后方可通电。通电后，分别拨动各拨码开关，观察发光二极管的状态。（10）列表记录拨码开关的位置及其对应的发光二极管的状态。开关闭合或发光二极管亮用“1”表示，开关断开或发光二极管灭用“0”表示。（11）整理表格，分析总结74LS20输出与输入之间的逻辑关系。（12）整理元器件，保持桌面地面整洁。一、逻辑函数的公式化简法二、逻辑函数的卡诺图化简法三、逻辑函数门电路的实现任务三仿真测试逻辑函数的化简任务目标逻辑函数的化简关系到实际电路的简单与复杂，在数字电路中，实现同一逻辑功能的逻辑表达式不尽相同，从而选用的集成电路芯片也有所区别，构成的实际电路也会不同。本任务通过仿真的方式，学习逻辑函数的化简方法，为后续实际电路设计时的电路简化打好基础。一、逻辑函数的公式化简法

为了便于了解函数的逻辑功能，或者为了使实现该函数的电路更为简单，常需对函数进行化简。逻辑函数最简式对不同形式的表达式有不同的标准和含义。如与非与非表达式的最简式要求与运算的因子最少，非运算的次数最少。对于与或表达式，最简式是指式中包含的乘积项最少，而且每个与项中变量的个数最少。因为与或表达式比较常见，而且又比较容易转换为其他形式，故在本书中先介绍与或表达式的常用公式化简法。公式化简法简称公式法，其实质是反复使用逻辑代数的基本定律和常用公式，消去多余的乘积项和每个乘积项中的多余的因子，以求得最简式。公式法化简时没有固定的方法可循，能否得到满意的结果，与掌握公式的熟练程度和运用技巧有关。常用的公式化简方法见表。二、逻辑函数的卡诺图化简法

（一）逻辑函数的最小项及最小项表达式

有了最小项的代号形式，逻辑函数表达式就可以用代号的形式来表示。上述逻辑函数F可以表示为

（二）逻辑函数的卡诺图表示方法1卡诺图的画法规则

卡诺图也可以这样理解：将逻辑函数真值表中的最小项重新排列成矩阵形式，并且使矩阵的横向和纵向的逻辑变量的取值按照格雷码的顺序排列，这样的构成图形就是卡诺图。卡诺图是真值表的图形化的表达形式。图（a）、图（b）和图（c）分别给出了二变量、三变量和四变量卡诺图的画法。

2用卡诺图表示逻辑函数具体做法是：如果逻辑函数为最小项和的表达形式，就在卡诺图上把逻辑表达式中存在的各最小项在卡诺图中所对应的小方格内填入1，逻辑表达式不存在的最小项在卡诺图中其余的方格里填入0，这样就得到表示逻辑函数的卡诺图。下面举例说明卡诺图与逻辑函数式的对应关系。

（三）用卡诺图法化简逻辑函数1卡诺图的性质

（1）卡诺图中任意2个标1的相邻最小项，可以合并为一项，并消去1个变量。在逻辑函数与或表达式中，如果两乘积项仅有一个因子不同，而这一因子又是同一变量的原变量和反变量，则两项可合并为一项，消除其不同的因子，合并后的项为这两项的公因子。如将四变量卡诺图中的m14、m15两项相加得

（2）卡诺图中任意4个标1的相邻最小项，可以合并为一项，并消去2个变量。如某四变量函数中包含m6、m7、m14、m15，则用公式法化简时可写为

BC为该四项的公因子，消去2个变量A和D。而在卡诺图中，这四项几何相邻，很直观，可以把它们圈为一个方格群，直接提取其公因子BC，如图所示，这就是几何相邻与逻辑相邻的一致性。2用卡诺图化简逻辑函数的基本步骤根据上述原理，利用卡诺图化简逻辑函数可以按以下步骤进行。(1)将逻辑函数变换为与或表达式。(2)画出逻辑函数的卡诺图。

（4）将整理后的乘积项加起来就是化简后的最简与或表达式。（5）在利用卡诺图进行逻辑函数化简时应注意遵循下列几项原则，以保证化简结果准确、无遗漏。01

02包围圈越大，即方格群中包含的最小项越多，公因子越少，化简结果越简单。03在画包围圈时，最小项可以被重复包围，但每个方格群至少要有一个最小项与其他方格群不重复，以保证该化简项的独立性。04必须把组成函数的全部最小项都圈完。为了不遗漏，一般应先圈定孤立项，再圈只有一种合并方式的最小项。05方格群的个数越少，化简后的乘积项就越少。三、逻辑函数门电路的实现逻辑函数经过化简之后，得到了最简逻辑表达式，根据逻辑表达式，就可采用适当的逻辑门电路来实现逻辑函数。逻辑函数的实现是通过逻辑电路图表现出来的。逻辑电路图是由逻辑符号及其他电路符号构成的电路连接图。逻辑电路图是除真值表、逻辑表达式和卡诺图之外，表达逻辑函数的另一种方法。逻辑电路图更接近于逻辑电路设计的工程实际。由于采用的逻辑门不同，实现逻辑函数的电路形式也不同。例如，逻辑函数F=AB+AC+BC可用3个与门和1个或门，连接成先“与”后“或”的逻辑电路，实现逻辑函数F，如图(a)所示。

一、组合逻辑电路的定义与特点二、组合逻辑电路的分析三、组合逻辑电路的设计四、组合逻辑电路的竞争冒险任务四仿真设计三人投票表决电路任务目标本任务通过仿真设计三人投票表决电路，介绍数字电路设计的简单过程，学习仿真在电路设计过程中的应用，领会组合逻辑电路的分析与设计特点。一、组合逻辑电路的定义与特点

在任何时刻，输出状态只决定于同一时刻各输入状态的组合，而与先前状态无关的逻辑电路称为组合逻辑电路。组合逻辑电路是根据实际需要将逻辑门进行组合，构成具有各种逻辑功能的电路。图所示是组合逻辑电路的框图，A为输入变量，F为输出变量。

组合逻辑电路的特点如下。（1）输出与输入之间没有反馈延迟通路。（2）电路中不含记忆元件。二、组合逻辑电路的分析

组合逻辑电路分析的主要任务是根据给出的逻辑图确定逻辑功能。其一般步骤如下。（1）写出逻辑图输出端的逻辑表达式。（2）化简和变换逻辑表达式。（3）列出真值表。（4）根据真值表和逻辑表达式对逻辑电路进行分析，最后确定电路的逻辑功能。二、组合逻辑电路的分析

组合逻辑电路分析的主要任务是根据给出的逻辑图确定逻辑功能。其一般步骤如下。（1）写出逻辑图输出端的逻辑表达式。（2）化简和变换逻辑表达式。（3）列出真值表。（4）根据真值表和逻辑表达式对逻辑电路进行分析，最后确定电路的逻辑功能。三、组合逻辑电路的设计

组合逻辑电路设计的任务是根据给定的逻辑问题，设计出能实现其逻辑功能的逻辑电路，最后画出实现逻辑功能的逻辑图。用逻辑门实现组合逻辑电路时，要求使用的芯片最少，连线最少。组合逻辑电路的设计与组合逻辑电路的分析过程相反。用小规模集成电路设计组合逻辑电路的一般步骤如下。（1）分析设计任务，确定输入变量和输出变量，找到输出与输入之间的逻辑关系，列出真值表。（2）由真值表写出逻辑表达式。（3）化简变换逻辑表达式。（4）根据表达式画出逻辑图。四、组合逻辑电路的竞争冒险

先分析图所示电路的工作情况，以建立竞争冒险的概念。在图(a)中，与门G2的输入是A和A两个互补信号。由于G1的延迟，A的下降沿要滞后于A的上升沿，因而在很短的时间间隔内，G2的两个输入端都会出现高电平，从而使它的输出出现一个高电平窄脉冲(按逻辑设计要求不应出现的干扰脉冲)，如图(b)所示。与门G2的两个输入信号A和A在不同的时刻到达的现象，通常称为竞争，由此而产生输出干扰脉冲的现象称为冒险。1产生竞争冒险的原因

2竞争冒险的判断方法

试判断图所示的电路是否存在竞争冒险。2）用实验的方法判断在电路的输入端加入所有可能发生状态变化的波形，观察输出端是否有尖峰脉冲，这个方法比较直观可靠。3）用卡诺图法判断在实际电路应用中，可以用画卡诺图的方式判断竞争冒险是否存在。凡是卡诺图中存在相切（相邻）而不相交的包围圈(方格群)的逻辑函数都存在着竞争冒险现象。例如，已经判断过前面的的两个电路存在竞争冒险，观察它们的卡诺图，可以看到，它们都存在着相切（相邻）而不相交的方格群，如图所示。3竞争冒险的消除1）引入封锁脉冲在输入信号状态转换的时间内，把可能产生尖峰脉冲输出的门封锁，如图中的负脉冲P1。封锁脉冲要与输入信号的状态转换同步，其脉宽要大于电路的状态转换时间。图（a）为电路，图（b）为波形。2）引入选通脉冲如图中的P2，在信号进入稳态时，在选通脉冲高电平期间可使门电路有正常的输出。3）接滤波电容因为尖峰脉冲一般很窄(几十纳秒)，在门的输出端并接一只几百皮法的电容，就可把尖峰脉冲的幅度削弱至门电路的阈值电压以下，如图中的Cf。

技能训练——仿真设计三人投票表决电路1实训目的（1）掌握简单应用电路的设计及测试方法。（2）掌握使用仿真软件Multisim10进行电路的仿真调试。（3）熟悉逻辑电路设计的流程。2实训器材实训器材如表所示。技能训练——仿真设计三人投票表决电路3实训原理及操作

1.设计题目

试设计一个三人投票表决电路，多数人同意，提案通过，否则提案不通过。

2.设计步骤

用小规模集成电路设计组合逻辑电路的一般步骤如下。（1）分析设计任务，确定输入变量、输出变量，找到输出与输入之间的逻辑关系，列出真值表。（2）由真值表写出逻辑表达式。（3）化简变换逻辑表达式。（4）根据表达式画出逻辑图。3.进行仿真（1）根据逻辑图选择集成电路芯片。（2）连接电路，进行仿真。仿真电路如图所示。

4.记录结果自己设计表格，将仿真结果填入表格中。实训操作一、元器件清单元器件清单如表所示。二、实训电路图实物安装图如图所示。三、实训步骤（1）按照元器件清单，识别准备元器件。（2）查阅集成电路74LS00和74LS10的数据手册，熟悉所用集成电路的引脚图及其逻辑功能。（3）检测电子元器件的好坏。（4）根据电路原理图，参照图，合理布局元器件，并进行电路安装。（5）通电前要认真检查线路，检查无误后方可通电。通电后，分别拨动各拨码开关，观察发光二极管的状态。（6）列表记录拨码开关的位置及其对应的发光二极管的状态。开关闭合或发光二极管亮用“1”表示，开关断开或发光二极管灭用“0”表示。（7）整理表格，分析总结电路输出与输入之间的逻辑关系。（8）整理元器件，保持桌面地面整洁。项目制作裁判表决器电路的设计与调试1项目制作目的（1）了解并掌握裁判表决器电路的设计和制作方法。（2）掌握用仿真软件进行实际电路的设计和调试方法。项目制作裁判表决器电路的设计与调试2项目要求（1）设计电路应能完全满足项目要求。（2）绘制裁判表决器电路的逻辑图。（3）完成裁判表决器电路的仿真调试。（4）完成裁判表决器电路的模拟接线安装。项目制作裁判表决器电路的设计与调试3项目步骤（1）根据项目要求列出真值表。设A代表主裁判，B、C、D分别代表副裁判，真值表如图所示。项目制作裁判表决器电路的设计与调试3项目步骤

项目制作裁判表决器电路的设计与调试3项目步骤（3）选择合适的集成电路芯片连接并调试。（4）发现调试中的问题并解决。（5）确定合适的裁判表决器设计电路，如图所示。项目制作裁判表决器电路的设计与调试3项目步骤（6）进行裁判表决器电路的模拟接线安装。打开控制工具栏中的调用面包板按钮，如图所示。模拟接线后的效果，如图所示。实训操作一、元器件清单元器件清单如表所示。二、实训电路图实物安装图如图所示。三、实训步骤（1）按照元器件清单，识别准备元器件。（2）查阅集成电路74LS00、74LS10、74LS20和74LS08的数据手册，熟悉所用集成电路的引脚图及其逻辑功能。（3）检测电子元器件的好坏。（4）根据电路原理图，参照图，合理布局元器件，并进行电路安装。（5）电路调试。通电前要认真检查线路，检查无误后方可通电。首先按表决器功能进行操作，若电路满足要求，说明电路没有故障。若某些功能不能实现，就要设法查找并排除故障。排除故障可从输入到输出查找，也可按由输出到输入查找。（6）电路功能测试。按照表决器的功能，拨动拨码开关，观察发光二极管的状态。记录拨码开关的位置及其对应的发光二极管的状态。整理表格，分析总结电路输出与输入之间的逻辑关系。（7）整理元器件，保持桌面地面整洁。四、思考题（1）什么是逻辑门电路？逻辑门电路有多少种？在实际应用中应该如何选择逻辑门电路？在上述实训任务中能否用其他门电路来实现？（2）输入、输出信号间的逻辑关系应该如何描述？共有多少种方法？（3）在安装与调试过程中，应该如何检验线路的好坏并用相应的设备快速而准确地判断并排除故障？（4）按照实际逻辑控制的要求，设计控制电路有哪些具体步骤？应该如何选择元器件？THANKSFORLISTENING

项目二8路抢答器电路的设计与调试目录任务一仿真测试编码器的逻辑功能任务二仿真测试译码器的逻辑功能CONTENTS项目分析在很多竞赛或娱乐节目的场合，需要有抢答的环节。如何确定抢答者的先后顺序，是主持人较难把握的，抢答器电路可以很好地解决有关抢答的先后问题。

8路抢答器电路应具有以下功