《电子技术》-第六章　数字逻辑电路基础

第六章数字逻辑电路基础第一节数字电路概述第二节数制第三节开关元件第四节基本逻辑门电路第五节逻辑代数返回第一节数字电路概述一、数字信号与模拟信号电子电路中有两种不同类型的信号：模拟信号和数字信号。模拟信号是指那些在时间和数值上都是连续变化的电信号。例如，模拟语言的音频信号、热电偶上得到的模拟温度的电压信号等，如图６－１（ａ）所示。数字信号则是一种离散信号，它在时间上和幅值上都是离散的。也就是说，它们的变化在时间上是不连续的，只发生在一系列离散的时间上。最常用的数字信号是用电压的高、低分别代表两个离散数值１和０，如图６－１（ｂ）所示。图中，Ｕ１称为高电平，Ｕ２称为低电平。下一页返回第一节数字电路概述二、数字电路的特点电子电路可分为两大类：一类是处理模拟信号的电路，称为模拟电路；另一类是处理数字信号的电路，称为数字电路。这两种电路有许多共同之处，但也有明显的区别。模拟电路中工作的信号在时间和数值上都是连续变化的，而在数字电路中工作的信号则在时间和数值上都是离散的。在模拟电路中，研究的主要问题是怎样不失真地放大模拟信号，而数字电路中研究的主要问题，则是电路的输入和输出状态之间的逻辑关系，即电路的逻辑功能。上一页下一页返回第一节数字电路概述数字电路有如下特点。①数字电路中数字信号是用二值量来表示的，每一位数只有０和１两种状态，因此，凡是具有两个稳定状态的元件都可用作基本单元电路，故基本单元电路结构简单。②由于数字电路采用二进制，所以能够应用逻辑代数这一工具进行研究。使数字电路除了能够对信号进行算术运算外，还具有一定的逻辑推演和逻辑判断等“逻辑思维”能力。③由于数字电路结构简单，又允许元件参数有较大的离散性，因此便于集成化。而集成电路又具有使用方便、可靠性高、价格低等优点。因此，数字电路得到越来越广泛的应用。上一页下一页返回第一节数字电路概述三、数字电路的分类①数字电路按组成的结构可分为分立元件电路和集成电路两大类。集成电路按集成度（在一块硅片上包含的逻辑门电路或元件数量的多少）分为小规模（ＳＳＩ）、中规模（ＭＳＩ）、大规模（ＬＳＩ和超大规模（ＶＬＳＩ）集成电路。ＳＳＩ集成度为１～１０门／片或１０～１００元件／片，主要是一些逻辑单元电路，如逻辑门电路、集成触发器。ＭＳＩ集成度为１０～１００门／片或１００～１０００元件／片，主要是一些逻辑功能部件，包括译码器、编码器、选择器、算术运算器、计数器、寄存器、比较器、转换电路等。ＬＳＩ集成度大于１００门／片或大于１０００元件／片，此类集成芯片是一些数字逻辑系统，如中央控制器、存储器、串并行接口电路等。ＶＬＳＩ集成度大于１０００门／片或大于１０万元件／片，是高集成度的数字逻辑系统，如在一个硅片上集成一个完整的微型计算机。上一页下一页返回第一节数字电路概述②按电路所用器件的不同，数字电路又可分为双极型和单极型电路。其中双极型电路有ＤＴＬ、ＴＴＬ、ＥＣＬ、ＩＩＬ、ＨＴＬ等多种，单极型电路有ＪＦＥＴ、ＮＭＯＳ、ＰＭＯＳ、ＣＭＯＳ四种。③根据电路逻辑功能的不同，数字电路又可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。四、数字电路的应用由于数字电路的一系列特点，使它在通信、自动控制、测量仪器等各个科学技术领域中得到广泛应用。当代最杰出的科技成果———计算机，就是它最典型的应用例子。上一页下一页返回第一节数字电路概述五、脉冲信号１.常见脉冲信号波形数字信号通常以脉冲的形式出现，“脉冲”是脉动和短促的意思。我们所讨论的脉冲是指在短暂的时间内作用于电路的电压或电流，即电压脉冲或电流脉冲。实际上，一切具有突变部分的周期性或非周期性的电压或电流波形都称为脉冲。所以，从广义来说，我们把各种非正弦电压或电流信号统称为脉冲信号。常见的脉冲信号波形如图６－２所示。上一页下一页返回第一节数字电路概述２.矩形脉冲波形参数非理想的矩形脉冲波形是一种最常见的脉冲信号，如图６－３所示。下面以电压波形为例，介绍描述这种脉冲信号的主要参数。①脉冲幅度Ｕｍ：脉冲电压的最大变化幅度。②脉冲宽度ｔｗ：脉冲波形前后沿０.５Ｕｍ处的时间间隔。③上升时间ｔｒ：脉冲前沿从０.１Ｕｍ上升到０.９Ｕｍ所需要的时间。④下降时间ｔｆ：脉冲后沿从０.９Ｕｍ下降到０.１Ｕｍ所需要的时间。⑤脉冲周期Ｔ：在周期性连续脉冲中，两个相邻脉冲间的时间间隔。有时用频率ｆ＝１／Ｔ表示单位时间内脉冲变化的次数。⑥占空比ｑ：指脉冲宽度ｔｗ与脉冲周期Ｔ的比值。上一页返回第二节数制一、十进制数十进制数是人们十分熟悉的计数体制。它用０～９十个数字符号，按照一定的规律排列起来表示数值大小。例如，１８７５这个数可写成：１８７５＝１×１０３＋８×１０２＋７×１０１＋５×１００从这个十进制数的表达式中，可以看出十进制数的特点如下。①每一位数是０～９这十个数字符号中的一个，这些基本数字符号称为数码。②每一个数字符号在不同的数位代表的数值不同，即使同一数字符号在不同的数位代表的数值也不同。各位数所表示的值称为该位的权，它是１０的幂。③十进制计数规律是“逢十进一”。因此，十进制数右边第一位为个位，记作１００；第二位为十位，记作１０１；第三，第四，…，第ｎ位依此类推记作１０２，１０３，…，１０ｎ－１。下一页返回第二节数制二、二进制数二进制是在数字电路中应用最广泛的计数体制。它只有０和１两个符号。在数字电路中实现起来比较容易，只要能区分两种状态的元件即可实现，如三极管的饱和和截止，灯泡的亮与灭，开关的接通与断开等。二进制数采用两个数字符号，所以计数的基数为２。各位数的权是２的幂，它的计数规律是“逢二进一”。上一页下一页返回第二节数制三、八进制数在八进制数中，有０～７八个数字符号，计数基数为８，计数规律是“逢八进一”，各位数的权是８的幂。ｎ位八进制整数表达式为上一页下一页返回第二节数制

四、十六进制数在十六进制数中，计数基数为１６，有十六个数字符号：０、１、２、３、４、５、６、７、８、９、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ。计数规律是“逢十六进一”。各位数的权是１６的幂，ｎ位十六进制数表达式为上一页下一页返回第二节数制五、不同进制数之间的相互转换１.二进制数、八进制数、十六进制数转换成十进制数由例６－１、例６－２、例６－３可知，只要将二进制数、八进制数、十六进制数按各位权展开，并把各位的加权系数相加，即得相应的十进制数。２.十进制数转换成二进制数将十进制数转换为二进制数时，可将此数分成整数与小数两部分分别转换，然后再拼接起来。上一页下一页返回第二节数制①整数部分：采用除２取余法，即将十进制整数不断除以２取余数，直到商为０为止，余数从右到左排列，首次取得的余数排在最右。②小数部分：采用乘２取整法，即将十进制小数不断乘以２取整数，直到小数部分为０或达到所求的精度为止（小数部分可能永远不会得到０），所得的整数从小数点自左往右排列，取有效精度，首次取得的整数排在最左。３.二进制数与八进制数、十六进制数的相互转换（１）二进制数与八进制数之间的相互转换因为三位二进制数正好表示０～７八个数字，所以一个二进制数转换成八进制数时，只要从最低位开始，每三位分为一组，每组都对应转换为一位八进制数。若最后不足三位，可在前面加０，然后按原来的顺序排列就得到八进制数。上一页返回第三节开关元件一、二极管的开关作用由于二极管具有单向导电性，当二极管加上正向电压（大于其导通电压）时，二极管导通，相当于开关接通；当二极管加上反向电压（小于其反向击穿电压）时，二极管截止，不计其反向漏电流则相当于开关断开，故二极管可以构成一个开关，由输入信号ｕｉ控制其开和关。但在实际使用中，要注意两个问题：一是当输入电压ｕｉ突然从＋Ｕ１变到－Ｕ２时，二极管并不立刻截止，而需要一段时间，这段时间称为二极管的反向恢复时间。一般电路可以不计反向恢复时间，但对通断频率高的开关电路，必须选用专门的开关二极管，它的反向恢复时间比较短；二是二极管正向导通时输出电压并不等于输入电压，而要下降一个正向导通电压值（锗管为０.３Ｖ，硅管为０.６Ｖ），当多个二极管组成开关电路时，这个正向导通压降有时不可忽略。下一页返回第三节开关元件二、三极管的开关作用三极管不仅有放大作用，而且还有开关作用。在数字电路中，三极管主要起开关作用，即工作在截止区或饱和区。放大区只是在三极管由饱和变为截止或由截止变为饱和的过渡瞬间经过一下而已。１.放大状态三极管工作于放大状态时（如图６－４所示），其特征是发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置。这时ＩＣ和ＩＢ近似成线性放大关系，即ＩＣ＝βＩＢ。上一页下一页返回第三节开关元件２.饱和状态如果增加ＩＢ，就会使工作点Ｑ向上移动。增加ＩＢ使Ｑ点直至移到特性曲线的弯曲部分，这时随着ＩＢ的增加，ＩＣ已增加得很少，如图６－５所示，也就是说ＩＣ不再受ＩＢ的控制，两者不再符合ＩＣ＝βＩＢ的线性放大关系，即三极管失去电流放大作用，这就是三极管的饱和工作状态。当三极管工作在饱和状态时，有ＩＣ＝ＩＣＳ＜βＩＢ，式中ＩＣＳ是集电极饱和电流，ＵＣＥ＝ＶＣＣＩＣＲＣ减到很小。对ＮＰＮ型硅管来说，ＵＣＥ＝ＵＣＥＳ＝０.３Ｖ，这时称为深度饱和。作开关使用时，必须进入深度饱和区。上一页下一页返回第三节开关元件３.截止状态如果减小ＩＢ，就会使工作点Ｑ向下移动。减小ＩＢ直至ＩＢ＝０，工作点移到特性曲线的Ｑ２处，这时ＩＣ＝ＩＣＥＯ≈０，三极管截止，ＵＣＥ≈ＶＣＣ。对硅管来说，ＵＢＥ＜０.５Ｖ（死区电压）就开始截止了，但三极管作开关管用时，为保证可靠截止，常使ＵＢＥ≤０。三极管截止时的特点是集电结与发射结均为反向偏置，有ＩＢ＝０；ＩＣ＝ＩＣＥＯ≈０；ＵＣＥ≈ＶＣＣ。综上所述，三极管相当于一个由基极电流所控制的无触点开关，它截止时相当于开关断开，饱和时相当于开关闭合。三极管作为开关管时，输出电压与输入电压值大小无关，但三极管的导通与截止也有一个时间响应问题，即开关速度问题。在高频电路中，要选取专用的开关管。上一页返回第四节基本逻辑门电路一、基本逻辑关系在数字电路中，逻辑关系是以输入、输出脉冲信号电平的高低来实现的。如果约定高电平用逻辑“１”表示，低电平用逻辑“０”表示，便称为“正逻辑系统”。反之，如果高电平用逻辑“０”表示，低电平用逻辑“１”表示，便称为“负逻辑系统”，我们讨论时采用正逻辑系统。逻辑关系是渗透在生产和生活中的各种因果关系的抽象概括。事物之间的逻辑关系是多种多样的，也是十分复杂的，但最基本的逻辑关系却只有三种，即“与”逻辑关系、“或”逻辑关系和“非”逻辑关系。下一页返回第四节基本逻辑门电路１.“与”逻辑关系当决定某一事件的各个条件全部具备时，这件事才会发生，否则这件事就不会发生，这样的因果关系称为“与”逻辑关系。例如图６－６中，若以Ｆ代表电灯，Ａ、Ｂ、Ｃ代表各个开关，我们约定：开关闭合为逻辑“１”，开关断开为逻辑“０”；电灯亮为逻辑“１”，电灯灭为逻辑“０”。从图６－６可知，由于Ａ、Ｂ、Ｃ三个开关串联接入电路，只有当开关Ａ、Ｂ、Ｃ都闭合时灯Ｆ才会亮，这时Ｆ和Ａ、Ｂ、Ｃ之间便存在“与”逻辑关系。表示这种逻辑关系有多种方法：①用逻辑符号表示。“与”逻辑关系的逻辑符号如图６－７所示。上一页下一页返回第四节基本逻辑门电路②用逻辑关系式表示。“与”逻辑关系也可以用输入输出的逻辑关系式来表示，若输出（判断结果）用Ｆ表示，输入（条件）分别用Ａ、Ｂ、Ｃ等表示，则记成：Ｆ＝Ａ·Ｂ·Ｃ“与”逻辑关系也叫逻辑乘。③用真值表表示。如果把输入变量Ａ、Ｂ、Ｃ的所有可能取值的组合列出后，对应地列出它们的输出变量Ｆ的逻辑值，如表６－１所示，则这种用“１”、“０”表示“与”逻辑关系的图表称为直值表。从表６－１中可见，“与”逻辑关系可采用“全高出高，有低出低”的口诀来记忆。上一页下一页返回第四节基本逻辑门电路２.“或”逻辑关系“或”逻辑关系是指：当决定事件的各个条件中有一个或一个以上具备时，事件就会发生，这样的因果关系称为“或”逻辑关系。图６－８中，由于各个开关是并联的，只要开关Ａ、Ｂ、Ｃ中任一个开关闭合（条件具备），灯就会亮（事件发生），即Ｆ＝ｌ，这时Ｆ与Ａ、Ｂ、Ｃ之间就存在“或”逻辑关系。表示这种逻辑关系同样可以有多种方法：①用逻辑符号表示。“或”逻辑关系的逻辑符号如图６－９所示。②用逻辑关系式表示。“或”逻辑关系也可以用输入输出的逻辑关系式来表示，若输出（判断结果）用Ｆ表示，输入（条件）分别用Ａ、Ｂ、Ｃ等表示，则记成：Ｆ＝Ａ＋Ｂ＋Ｃ“或”逻辑关系也叫逻辑加，式中“＋”符号称为“逻辑加号”。上一页下一页返回第四节基本逻辑门电路③用真值表表示。如果把输入变量Ａ、Ｂ、Ｃ所有取值的组合列出后，对应地列出它们的输出变量Ｆ的逻辑值，就得到“或”逻辑关系的真值表（见表６－２）。从表６－２中可见，“或”逻辑关系可采用“有高出高，全低出低”的口诀来记忆。３.“非”逻辑关系“非”逻辑关系是指：决定事件只有一个条件，当这个条件具备时事件就不会发生；条件不具备时，事件就会发生。这样的关系称为“非”逻辑关系。如图６－１０中只要开关Ａ闭合Ａ＝１（条件具备），灯就不会亮（事件不发生），即Ｆ＝０，开关打开Ａ＝０，灯就亮，即Ｆ＝１。这时Ａ与Ｆ之间就存在“非”逻辑关系。上一页下一页返回第四节基本逻辑门电路表示这种逻辑关系同样有多种方法：①用逻辑符号表示。“非”逻辑关系的逻辑符号如图６－１１所示。②“非”逻辑关系式可表示成Ｆ＝Ａ。③“非”逻辑关系的真值表如表６－３所示。“与”“或”“非”是三种最基本的逻辑关系，其他任何复杂的逻辑关系都可以在这三种逻辑关系的基础上得到。下面就来分析几种常用的复合逻辑关系。上一页下一页返回第四节基本逻辑门电路４.与非逻辑关系它的逻辑功能是：只有输入全部为１时，输出才为０，否则输出为１，即有０出１，全１出０。它的逻辑表达式为（以两个输入端为例，以下同）Ｆ＝ＡＢ它是与逻辑和非逻辑的组合，其运算顺序是先与后非。５.或非逻辑关系它的逻辑功能是：只有全部输入都是０时，输出才为１，否则输出为０，即有１出０，全０出１。它的逻辑表达式为Ｆ＝Ａ＋Ｂ它是或逻辑和非逻辑的组合，其运算顺序是先或后非。上一页下一页返回第四节基本逻辑门电路６.异或逻辑关系它的逻辑功能是：当两个输入端相反时，输出为１，输入相同时，输出为０，即相反出１，相同出０。其逻辑表达式为７.同或逻辑关系它的逻辑功能是：当两个输入端输入相同时，输出为１；当两个输入端输入相反时，输出为０，即相同出１，相反出０。其逻辑表达式为几种常用复合逻辑关系的真值表如表６－４所示。上一页下一页返回第四节基本逻辑门电路二、门电路由开关元件经过适当组合构成，可以实现一定逻辑关系的电路称为逻辑门电路，简称门电路。１.分立元件门电路由电阻、电容、二极管和三极管等构成的各种逻辑门电路称作分立元件门电路。（１）二极管“与”门电路二极管“与”门电路如图６－１２所示。当三个输入端都是高电平（Ａ＝Ｂ＝Ｃ＝１），设三者电位都是３Ｖ，则电源Ｕ向这三个输入端流入电流，三个二极管均正向导通，输出端电位比输入端高一个正向导通压降，锗管（一般采用锗管）为０.２Ｖ，输出电压为３.２Ｖ，仍属于“３Ｖ左右”，所以Ｆ＝１。上一页下一页返回第四节基本逻辑门电路（２）二极管“或”门电路二极管“或”门电路如图６－１３所示。与图６－１２比较可见，这里采用了负电源，且二极管采用负极并联，经电阻Ｒ接到负电源Ｕ。当三个输入端中只要有一个是高电平（设Ａ＝１，ＶＡ＝３Ｖ），则电流从Ａ经ＤＡ和Ｒ流向Ｕ，ＤＡ这个二极管正向导通，其他两个二极管截止，输出端Ｆ的电位比输入端Ａ低一个正向导通压降，锗管（一般采用锗管）为０.２Ｖ，输出电压为２.８Ｖ，仍属于“３Ｖ左右”，所以，Ｆ＝１。当三个输入端输入全为低电平时（Ａ＝Ｂ＝Ｃ＝０），设三者电位都是０Ｖ，则电流从三个输入端经三个二极管和Ｒ流向Ｕ，三个二极管均正向导通，输出端Ｆ的电位比输入端低一个正向导通压降，输出电压为－０.２Ｖ，仍属于“０Ｖ左右”，所以Ｆ＝０。输入端和输出端的逻辑关系和“或”逻辑关系相符，故称作“或”门电路。上一页下一页返回第四节基本逻辑门电路（３）三极管“非”门电路三极管“非”门电路如图６－１４所示。三极管此时工作在开关状态，当输入端Ａ为高电平，即ＵＡ＝３Ｖ时，适当选择ＲＢ１的大小，可使三极管饱和导通，输出饱和压降ＵＣＥＳ＝０.３Ｖ，Ｆ＝０；当输入端Ａ为低电平时，三极管截止，这时钳位二极管Ｄ导通，所以输出为ＵＦ＝３.２Ｖ，输出高电平，Ｆ＝１。在实际中可以将这些基本逻辑电路组合起来，构成组合逻辑电路，以实现各种逻辑功能。图６－１５就是“与”门、“或”门、“非”门电路结合组成的“与非”门电路和“或非”门电路。上一页下一页返回第四节基本逻辑门电路２.集成逻辑门电路分立元件构成的门电路应用时有许多缺点，如体积大、可靠性差等，一般在电子电路中作为补充电路时用到，在数字电路中广泛采用的是集成逻辑门电路。集成门电路目前主要有两大类，一类是采用三极管（晶体管）构成的，如ＴＴＬ集成电路（双极型三极管）；另一类是由ＭＯＳ管构成的，通常有ＮＭＯＳ集成电路、ＰＭＯＳ集成电路、用ＮＭＯＳ和ＰＭＯＳ混合构成ＣＭＯＳ集成电路。和其他集成电路一样，集成门电路我们可以不去讨论它的内部结构和工作原理，但需要知道它的分类、引脚定义、参数和使用方法。上一页下一页返回第四节基本逻辑门电路（１）ＴＴＬ“与非”门电路由于这种集成门电路的结构形式采用了半导体三极管，其“与”功能和“非”功能都是用半导体三极管实现的，所以一般称为晶体管逻辑与非门电路，简称ＴＴＬ与非门。目前，ＴＴＬ电路广泛应用于中、小规模集成电路中，由于这种形式的电路功耗比较大，用它做大规模集成电路尚有一定困难。（２）ＴＴＬ“与非”门的电压传输特性ＴＴＬ“与非”门的电压传输特性曲线指输出电压随输入电压变化的曲线，如图６－１６（ｂ）所示。测试电路如图６－１６（ａ）所示。上一页下一页返回第四节基本逻辑门电路（３）ＴＴＬ“与非”门的主要参数①输出高电平ＵＯＨ：输出高电平ＵＯＨ是指与逻辑“１”对应的输出电平，各个门电路的输出可能有差异，典型值为３.６Ｖ。②输出低电平ＵＯＬ：输出低电平ＵＯＬ是指与逻辑“０”对应的输出电平，各个门电路的输出可能有差异，典型值为０.３Ｖ。③输入高电平ＵＩＨ：输入高电平ＵＩＨ是指与逻辑“１”对应的输入电平，典型值为３.６Ｖ，一般规定最小输入高电平为２.０Ｖ，称为开门电平ＵＯＮ，即只要输入Ｕｉ＞ＵＯＮ，输出一定为标准低电平。④输入低电平ＵＩＬ：输入低电平ＵＩＬ是指与逻辑“０”对应的输入电平，典型值为０.３Ｖ，一般规定最大输入低电平为０.９Ｖ，称为关门电平ＵＯＦＦ，即只要输入Ｕｉ＜ＵＯＦＦ，输出一定为标准高电平。上一页下一页返回第四节基本逻辑门电路⑤输入低电平电流ＩＩＬ：作为负载的门电路在输入低电平时，流入前级门电路输出端的电流，规定最大值为１.６ｍＡ。⑥输入高电平电流ＩＩＨ：当与非门输入端为高电平时，从前级门电路输出端流入输入端的电流，规定最大值为４０μＡ。⑦输出低电平电流ＩＯＬ：指输出低电平时流入输出端的电流，规定最大值为１６ｍＡ。⑧输出高电平电流ＩＯＨ：指输出高电平时从输出端流出的电流，规定最大值为０.４ｍＡ。⑨扇出系数Ｎ：允许驱动同类门电路的最大数目。一般规定ＴＴＬ“与非”门的Ｎ≥８。上一页下一页返回第四节基本逻辑门电路⑩平均传输延迟时间：平均传输延迟时间是集成电路的一项动态指标，因为与非门输出端电压的动态波形相对于输入电压波形总有一些延迟，如图６－１７所示，前沿延迟时间是ｔｐｄ１，后沿延迟时间是ｔｐｄ２，则平均延迟时间为（４）ＴＴＬ集成门芯片７４Ｘ系列为标准的ＴＴＬ集成门系列。其中，Ｘ为Ｌ表示低功耗；Ｘ为Ｈ表示高速；Ｘ为Ｓ表示肖特基，即采用了所谓抗饱和技术；Ｘ为ＬＳ表示低功耗肖特基系列。７４ＬＳ系列是应用最为广泛的一种ＴＴＬ集成门电路，相当于我国的ＣＴ４０００系列。表６－５列出了几种常用的７４ＬＳ系列集成电路的型号及功能。上一页下一页返回第四节基本逻辑门电路（５）ＴＴＬ三态输出与非门电路ＴＴＬ与非门电路的系列产品中除了上述的与非门外，其他类型还有集电极开路的与非门（简称ＯＣ门）、三态输出门等，可以实现各种逻辑功能和控制作用。三态输出与非门，简称三态门。图６－１８所示是其逻辑图形符号。它与上述的与非门电路不同，其中Ａ和Ｂ是输入端，Ｃ是控制端，也称为使能端，Ｆ为输出端。它的输出端除了可以实现高电平和低电平外，还可以出现第三种状态———高阻状态（称为开路状态或禁止状态）。当控制端Ｃ＝１时，三态门的输出状态决定于输入端Ａ、Ｂ的状态，这时电路和一般与非门相同，实现与非逻辑关系，即全１出０，有０出１。上一页下一页返回第四节基本逻辑门电路当控制端Ｃ＝０时，不管输入Ａ、Ｂ的状态如何，输出端总是开路，处于高阻状态或禁止状态。由于电路结构不同，也有当控制端为高电平时出现高阻状态，而在低电平时电路处于工作状态。这种三态门的逻辑图形符号在控制端ＥＮ加一小圆圈，表示Ｃ＝０为工作状态，如图６－１９所示。三态门广泛用于信号传输中。它的一种用途是可以实现用同一根导线轮流传送几个不同的数据或控制信号，如图６－２０所示为三路数据选择器。通常这根导线称为母线或总线。只要让各门的控制端轮流接高电平控制信号，即任何时间只能有一个三态门处于工作状态，而其余的三态门均处于高阻状态。这样，同一根总线就会轮流接收各三态门输出的数据或信号并传送出去。这种用总线来传送数据或信号的方法，在计算机和各种数字系统中应用极为广泛，而三态门则是一种重要的接口电路。上一页下一页返回第四节基本逻辑门电路图６－２１所示是利用三态与非门组成的双向传输通路。当Ｃ＝０时，Ｇ２为高阻状态，Ｇ１打开，信号由Ａ经Ｇ１传送到Ｂ。当Ｃ＝１时，Ｇ１为高阻状态，Ｇ２打开，信号由Ｂ经Ｇ２传送到Ａ。改变控制端Ｃ的电平，就可控制信号的传输方向。如果Ａ为主机，Ｂ为外部设备，那么通过一根导线，既可由Ａ向Ｂ输入数据，又可由Ｂ向Ａ输入数据，彼此互不干扰。３.ＣＭＯＳ门电路ＣＭＯＳ门电路是由ＰＭＯＳ管和ＮＭＯＳ管构成的一种互补对称场效应管集成门电路，是近年来国内外迅速发展、广泛应用的一种电路。上一页下一页返回第四节基本逻辑门电路下面是几种常用的ＣＭＯＳ门电路的结构和工作原理的简要说明。（１）ＣＭＯＳ与非门图６－２２所示为ＣＭＯＳ与非门电路图。Ｔ１和Ｔ２为Ｎ沟道增强型ＭＯＳ管，两者串联组成驱动管；Ｔ３和Ｔ４为Ｐ沟道增强型ＭＯＳ管，两者并联组成负载管。负载管整体与驱动管相串联。当Ａ、Ｂ两个输入端全为１时，Ｔｌ和Ｔ２同时导通，Ｔ３和Ｔ４同时截止，输出端Ｆ为０。当输入端有一个或全为０时，串联的Ｔ１、Ｔ２必有一个或两个全部截止，而相应的Ｔ３或Ｔ４导通，输出端Ｆ为１。上一页下一页返回第四节基本逻辑门电路（２）ＣＭＯＳ或非门图６－２３所示为ＣＭＯＳ或非门电路。驱动管Ｔ１和Ｔ２为Ｎ沟道增强型ＭＯＳ管，二者并联；负载管Ｔ３和Ｔ４为Ｐ沟道增强型ＭＯＳ管，二者串联。当Ａ、Ｂ两输入端有一个或全为１时，输出端Ｆ为０；只有当输入端Ａ、Ｂ全为０时，输出端Ｆ才为１。显然，这符合或非逻辑关系。（３）ＣＭＯＳ三态门图６－２４所示是一种ＣＭＯＳ三态门电路。驱动管Ｔ１和Ｔ２为Ｎ沟道增强型ＭＯＳ管，两管串联；负载管Ｔ３和Ｔ４为Ｐ沟道增强型ＭＯＳ管，两管也串联。Ａ为输入端，Ｆ为输出端，Ｃ为控制端。上一页下一页返回第四节基本逻辑门电路三、ＴＴＬ门电路和ＭＯＳ门电路的使用１.ＴＴＬ门电路的使用（１）多余输入端的处理ＴＴＬ门电路具有多个输入端，在实际使用时，往往有一些输入端是闲置不用的，需注意对这些闲置输入端的处理。①与非门多余输入端的处理。一种方法是通过一个大于或等于１ｋΩ的电阻接到ＶＣＣ上，如图６－２５（ａ）所示；另一种方法是和已使用的输入端并联使用，如图６－２５（ｂ）所示。上一页下一页返回第四节基本逻辑门电路②或非门多余输入端的处理。一种方法是直接接地，如图６－２６（ａ）所示；另一种方法是和已使用的输入端并联使用，如图６－２６（ｂ）所示。对于ＴＴＬ与门多余输入端处理和与非门完全相同，而对ＴＴＬ或门多余输入端处理和或非门完全相同。（２）ＴＴＬ电路使用注意事项①电路输入端不能直接与高于＋５.５Ｖ，低于－０.５Ｖ的低电阻电源连接，否则会因为有较大电流流入器件而烧毁器件。②除三态门和ＯＣ门之外，输出端不允许并联使用，否则会烧毁器件。上一页下一页返回第四节基本逻辑门电路③防止从电源连线引入的干扰信号，一般在每块插板上电源线接去耦电容，以防止动态尖锋电流产生的干扰。④系统连线不宜过长，整个装置应有良好的接地系统，地线要粗、短。２.ＭＯＳ门电路的使用（１）多余输入端的处理ＭＯＳ电路的多余输入端绝对不允许处于悬空状态，否则会因受干扰而破坏逻辑状态。①ＭＯＳ与非门多余输入端的处理。直接接电源，如图６－２７（ａ）所示；或和使用的输入端并联使用，如图６－２７（ｂ）所示。上一页下一页返回第四节基本逻辑门电路②ＭＯＳ或非门多余输入端的处理。直接接地，如图６－２８（ａ）所示；或和使用的输入端并联使用，如图６－２８（ｂ）所示。（２）ＭＯＳ电路使用注意事项①要防止静电损坏。ＭＯＳ器件输入电阻大，可达１０９Ω以上，输入电容很小，即使感应少量电荷也将产生较高的感应电压，可使ＭＯＳ管栅极绝缘层击穿，造成永久性损坏。②操作人员应尽量避免穿着易产生静电荷的化纤物，以免产生静电感应。③焊接ＭＯＳ电路时，一般电烙铁容量应不大于２０Ｗ，烙铁要有良好的接地线，焊接时利用断电后余热快速焊接，禁止通电情况下焊接。上一页返回第五节逻辑代数一、逻辑代数研究逻辑关系的数学称为逻辑代数，又称为布尔代数，它是分析和设计逻辑电路的数学工具。它与普通代数相似，也是用大写字母（Ａ、Ｂ、Ｃ…）表示逻辑变量，但逻辑变量取值只有１和０两种，这里的逻辑１和逻辑０不表示数值大小，而是表示两种相反的逻辑状态，如信号的有与无、电平的高与低、条件成立和不成立等。１.基本逻辑运算法则对应于三种基本逻辑关系，有三种基本逻辑运算，即逻辑乘、逻辑加和逻辑非。这三种基本运算法则，可分别由与其对应的与门、或门及非门三种电路来实现。逻辑代数中的其他运算规则是由这三种基本逻辑运算推导出来的。下一页返回第五节逻辑代数２.逻辑代数的基本定律①交换律Ａ·Ｂ＝Ｂ·ＡＡ＋Ｂ＝Ｂ＋Ａ②结合律Ａ·Ｂ·Ｃ＝（Ａ·Ｂ）·Ｃ＝Ａ·（Ｂ·Ｃ）Ａ＋Ｂ＋Ｃ＝Ａ＋（Ｂ＋Ｃ）＝（Ａ＋Ｂ）＋Ｃ③分配律Ａ·（Ｂ＋Ｃ）＝Ａ·Ｂ＋Ａ·ＣＡ＋Ｂ·Ｃ＝（Ａ＋Ｂ）·（Ａ＋Ｃ）上一页下一页返回第五节逻辑代数④吸收律Ａ·（Ａ＋Ｂ）＝Ａ⑤反演律（德·摩根定律）３.逻辑代数的代入规则在任何一个逻辑等式中，将等式两边相同的部分用一个新的变量代替，等式仍然成立。这个规则就称为代入规则。上一页下一页返回第五节逻辑代数４.逻辑函数的化简某种逻辑关系，通过与、或、非等逻辑运算把各个变量联系起来，构成了一个逻辑函数式。对于逻辑代数中的基本运算，都可用相应的门电路实现，因此一个逻辑函数式，一定可以用若干门电路的组合来实现。在数字电路中，用逻辑符号表示的基本单元电路以及由这些基本单元电路作为部件组成的电路称为逻辑图或逻辑电路图。上述三个表达式中的各逻辑电路图分别如图６－２９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）所示。这些电路组成形式虽然各不相同，但电路的逻辑功能却是相同的。一般地说，一个逻辑函数表达式越简单，实现它的逻辑电路就越简单；同样，如果已知一个逻辑电路，按其列出的逻辑函数表达式越简单，也越有利于简化对电路逻辑功能的分析，所以必须对逻辑函数进行化简。上一页下一页返回第五节逻辑代数５.逻辑图、逻辑表达式及逻辑状态表的相互转换前面讲了逻辑关系的三种表示方法：逻辑状态表（真值表）、逻辑函数表达式和逻辑图。要进行逻辑电路的分析与设计还必须掌握这三种表示方法之间的相互转换。下面分别介绍。（１）将逻辑图变换成逻辑函数表达式将逻辑图变换成相应的逻辑表达式较为简单，只要将与门各输入变量写成逻辑乘，就可得到与门输出端的逻辑函数式，将或门各输入变量写成逻辑加就可得到或门输出端的逻辑函数式，将非门输入变量求反就可得到非门输出端的逻辑函数式。由输入端一直推到输出端，逐级写出其逻辑函数式，即可得到逻辑图所对应的逻辑函数表达式。上一页下一页返回第五节逻辑代数（２）根据逻辑函数表达式填写逻辑状态表将对应于每一输入状态下的输出状态一一列举出来，列成表格，就构成了逻辑状态表。二、逻辑函数的卡诺图化简法代数法化简需要使用者熟练地掌握公式，并具有一定的技巧，还需要对所得结果是否是最简式有判断力，所以在化简较复杂的逻辑函数时此方法有一定的难度。在实践中，人们还找到了一些其他的方法，其中最常用的是卡诺图化简法，它比较适用于四变量以内的逻辑函数的化简。上一页下一页返回第五节逻辑代数１.逻辑函数的最小项及最小项表达式对于ｎ变量函数，如果其与或表达式的每个乘积项都包含ｎ个因子，而这ｎ个因子分别为ｎ个变量的原变量或反变量，每个变量在乘积项中仅出现一次，这样的乘积项称为函数的最小项，这样的与或式称为最小项表达式。２.逻辑函数的卡诺图表示方法（１）画卡诺图卡诺图是逻辑函数的图形表示方法，这种方法是将ｎ变量函数填入一个矩形或正方形的平面中，把矩形或正方形等分为２ｎ个小方格，这些小方格分别代表ｎ变量函数的２ｎ个最小项，每个最小项占一格。上一页下一页返回第五节逻辑代数在画卡诺图时，标注变量区域划分的方法是分别以各变量将矩形或正方形的有限平面一分为二，其中一半定为原变量区，在端线外标原变量符号并写为１，另一半定为反变量区（可不标反变量符号）并写为０，即一个变量的原变量和反变量各有独立区域，不能重复，这样综合起来就是一个含有２ｎ个小方格的方格图。各小方格按端线外标注的文字和数字符号也就分别代表了相应的最小项，人们可以按着对号入座的方式将最小项填入卡诺图。上一页下一页返回第五节逻辑代数（２）用卡诺图表示逻辑函数既然任何一个逻辑函数都可以写成与或表达式，故也能表示为若干最小项之和的形式，而最小项在卡诺图中又都有相应的位置，那么自然也就可以用卡诺图来表示逻辑函数了。具体做法是：如果逻辑函数式为最小项表达式，就在卡诺图上把式中各最小项所对应的小方格填入１，其余的方格填入０，这样就得到表示该逻辑函数的卡诺图。３.用卡诺图法化简逻辑函数（１）最小项的几何相邻和