电子电路分析制作与调试-项目６　 组合逻辑电路的设计与装调

６.１组合逻辑电路的分析从以上项目分析可以看到，它们具有一个明显的特点：输出与输入的关系具有即时性，电路在任意时刻的输出状态只取决于该时刻的输入状态，而与该时刻前的电路状态无关，这样的数字电路就叫作组合逻辑电路，简称组合电路。组合电路可以有一个或多个输入端，也可以有一个或多个输出端。在组合电路中，数字信号是单向传递的，即只有从输入到输出的传递，没有从输出到输入的反传递，因此各输出只与各输入的实时状态有关，没有存储记忆功能。组合逻辑电路分析的目的就是找出已知电路输出与输入之间的关系。组合逻辑电路的一般分析步骤如下。（１）根据已知的逻辑电路图写出逻辑表达式。要按门电路逻辑关系从前向后逐级写出。下一页返回６.１组合逻辑电路的分析（２）根据表达式列出真值表。将输入的各种状态代入表达式，求出对应的输出。将输入状态及对应的输出结果列成真值表。（３）通过分析真值表，确定电路的逻辑功能。上一页返回６.２组合逻辑电路的设计组合逻辑电路的设计，自然是组合逻辑电路分析的逆过程，即从给定的逻辑关系入手，最终获得最简洁的逻辑电路。１.血型匹配指示器的设计血型匹配原则（稀有血型除外）为：同型输血；无同型血时，Ｏ血型可输给Ａ、Ｂ血型；ＡＢ血型可接受Ａ、Ｂ、Ｏ血型（注意：输血前必须进行交叉配血试验！）。由此列出输血者和受血者的血型关系如表６－２所示。对输入按键和输出信号灯进行编号，将“Ａ血型”按键设为变量ＩＡ，将“Ｂ血型”按键设为变量ＩＢ，将“ＡＢ血型”按键设为变量ＩＡＢ，将“Ｏ血型”按键设为变量ＩＯ；将输出信号灯分别编号为ＹＡ、ＹＢ、ＹＡＢ、ＹＯ，根据表６－２列出真值表，如表６－３所示。下一页返回６.２组合逻辑电路的设计通过上述项目的分析，可以总结出组合逻辑电路的设计步骤如下。（１）确定输入变量和输出变量。通过对设计要求的分析，明确系统的外部控制条件，将其定为输入量；确定系统的结果，将其定为输出量。（２）约定输入与输出的逻辑状态。用二值逻辑的“０”、“１”两种状态分别表示输入变量和输出变量的两种不同逻辑状态。（３）根据系统给定的功能叙述列出对应真值表。上一页下一页返回６.２组合逻辑电路的设计（４）根据真值表写出对应的逻辑函数表达式，并对需要进行化简的逻辑函数表达式进行化简，直到获得最简逻辑表式为止。对于一些复杂的系统设计场合，可以对逻辑函数表达式进行变换，以直接利用一些现成的组合逻辑电路芯片（如数据选择器、译码器等）进行设计。（５）根据最简逻辑表达式画出逻辑电路图，进而画出完整的电子电路。２.电话机信号控制电路的设计电路有Ａ（火警）、Ｂ（盗警）、Ｃ（日常业务）３种输入信号，通过排队电路分别从Ａ、Ｂ、Ｃ输出，在同一时间只能有一个信号通过。如果同时有两个以上信号出现时，应该首先接通火警信号，其次为盗警信号，最后是日常业务信号。由以上关系可以列出真值表如表６－４所示。上一页下一页返回６.２组合逻辑电路的设计由逻辑表达式可画出逻辑图，按以上表达式需要３个非门电路和３个两输入的与门电路，因此可知需要两种不同的逻辑芯片才能完成逻辑电路图的设计，如果将逻辑表达式进行与非转换，得到以下表达式，此时设计的逻辑电路图只需要８个两输入与非门电路，即两个同型号的与非门芯片即可，即请根据以上两种表达式，绘制出两种不同的逻辑原理图。上一页返回６.３常见集成组合逻辑器件及应用６.３.１编码器及其应用编码器在生活中也随处可见。例如，电话运营公司每部电话设置了独一无二的编码；港口上的集装箱仓库里，为便于吊装、定位运输，每个集装箱位同样也拥有特定的编码；遥控器按键不同的按键拥有不同的功能，一样需要不同的编码值。编码就是用文字、符号或者数码表示特定信息的过程，而能够实现编码功能的电路叫作编码器。在数字系统中是采用一组若干位二进制码０和１进行编码来表示某一特定信息的。要表示的信息越多，二进制代码的位数越多。下一页返回６.３常见集成组合逻辑器件及应用１.８线—３线编码器的设计设计要求：用３位二进制数的输出分别代表输入的８个信号，输入低电平有效。８线—３线编码器的设计步骤如下：（１）确定输入变量和输出变量。８个输入逻辑变量Ｉ０～Ｉ７为低电平有效，３位输出逻辑变量为Ｙ０Ｙ１Ｙ２为高电平有效。（２）列出真值表，如表６－５所示。（３）根据真值表写出逻辑函数表达式为上一页下一页返回６.３常见集成组合逻辑器件及应用（４）根据上式画出逻辑电路图，如图６－４所示。上一页下一页返回６.３常见集成组合逻辑器件及应用从图６－４可以看到，８线—３线编码器要求输入量具有排他性，即每次只能有一个输入端为低电平，从而保证输出编码的唯一性。如果同时有两个或两个以上的输入信号要求编码，则输出端必然发生混乱。２.１６线—４线优先编码器的设计优先编码器是相对于普通二进制编码而言的，它的功能是允许几个输入端同时输入信号，编码器按预先排定的优先顺序，只对同时输入的几个信号中优先权最高的一个进行编码。常用的８线—３线优先编码器有７４ＬＳ１４８、ＣＤ４５３２等，下面介绍８线—３线优先编码器ＣＤ４５３２的应用。图６－５所示为ＣＤ４５３２的引脚排列。上一页下一页返回６.３常见集成组合逻辑器件及应用１）引脚功能（１）Ｄ０，Ｄ１，…，Ｄ７：信号输入端。（２）Ｑ０，Ｑ１，Ｑ２：编码输出端。（３）ＥＩ：输入使能端，高电平有效，即ＥＩ＝１时编码器工作，ＥＩ＝０时禁止编码器工作。（４）Ｅ０：扩展使能端，高电平有效。（５）ＧＳ：优先编码工作状态标志，高电平有效，即ＧＳ＝０时表示Ｑ２、Ｑ１、Ｑ０输出为无效码，ＧＳ＝１时表示输出为有效编码。优先编码器ＣＤ４５３２的功能如表６－６所示。上一页下一页返回６.３常见集成组合逻辑器件及应用２）设计思路按照输入优先级Ｉ１５最高，Ｉ０最低的原则，每８位一组做出１６位输入信号的编码表，如表６－７所示。对比两组编码，可以发现低３位编码顺序完全相同，唯独在Ｉ０～Ｉ７有输入时，最高位输出位Ｙ３输出０；而Ｉ８～Ｉ１５有输入时，Ｙ３输出１。１６线—４线优先编码电路需要选择两片８线优先编码器，Ｉ０～Ｉ７和Ｉ８～Ｉ１５分别通过一片ＣＤ４５３２输出。每片的输出即为实际４线输出的低３位，最高位在Ｉ０～Ｉ７有输入时为０，在Ｉ８～Ｉ１５有输入时为１，可以考虑用ＧＳ表示。高８位对低８位的优先级可以利用使能端来实现控制。具体电路如图６－６所示。上一页下一页返回６.３常见集成组合逻辑器件及应用６.３.２二进制译码器及其应用译码是编码的反过程，用于将给定的二进制代码编码时赋予的原意，即将每一组输入的二进制代码译成相应特定的输出高、低电平信号，完成这种功能的电路称为二进制译码器。在中规模组合逻辑电路产品中，常用二进制译码器有２线—４线的７４ＨＣ（ＬＳ）１３９、３线—８线的７４ＨＣ（ＬＳ）１３８、４线—１６线的７４ＨＣ（ＬＳ）１５４等；二—十进制译码器有７４ＨＣ（ＬＳ）４２等。上一页下一页返回６.３常见集成组合逻辑器件及应用１.单片机外部程序存储器扩展电路的设计图６－７（ａ）所示为单片机外部程序存储器扩展电路。该单片机外部需扩展１６ＫＢ的程序存储器（ＲＯＭ），因器件本身存储容量不够使用，需扩展２ＫＢ容量的程序存储器８片，每个ＲＯＭ的ＣＳ端为允许工作的使能端（又称“片选端”）。为正确访问到外部程序存储器的相关地址，可选择３线—８线译码器７４ＨＣ１３８进行地址译码。图６－７（ｂ）所示是７４ＨＣ１３８的引脚排列。上一页下一页返回６.３常见集成组合逻辑器件及应用引脚功能如下。（１）Ａ０，Ａ１，Ａ２，信号输入端。（２）Ｙ０，Ｙ１，…，Ｙ７，译码输出端。（３）Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，选通输入端，当Ｅ１端为高电平、Ｅ２、Ｅ３端为低电平时器件被选通。３线—８线译码器７４ＨＣ１３８的功能如表６－８所示。２.４线—１６线译码器的设计实现４线—１６线译码器需要选用两个３线—８线译码器，译码器扩展方式如图６－８所示。对第“１”片和第“０”片译码器来说，关键在于输入端Ｉ３的状态，如Ｉ３为“０”，由第“０”片译码器工作；若Ｉ３为“１”，则第“１”片译码器工作。因此，只要正确处理好选通端的连接即可实现功能。实际应用电路如图６－９所示。上一页下一页返回６.３常见集成组合逻辑器件及应用３.数据分配器在数据传输系统中，经常需要将总线中的数据传输到多个支路中的一路上去，传到哪一条支路通过唯一的通道编码来确定，这样的电路称为数据分配器。其功能示意如图６－１０所示。当把选通端作为总线的输入端，将通道编码利用输入端写入时，就能达到数据分配的效果。数据分配器的集成芯片有ＣＤ４０５１等。上一页下一页返回６.３常见集成组合逻辑器件及应用６.３.３显示译码器电子时钟、计算器、数显电源等电子测量仪表中都需要将数字直观地显示出来。数字显示电路是许多数字设备不可缺少的组成部分。数字显示电路通常由计数器（对脉冲个数进行计数，输出ＢＣＤ码）、译码器、驱动器和显示器等部分按前后顺序连接组成。既然使用到了ＢＣＤ码，又是怎么在显示器上实现对应的显示符号呢？在分析如何显示符号前需要先了解一个重要的器件———数码管。十进制数码目前广泛采用七段字符显示器直观显示。如图６－１１所示，七段字符显示器由编号分别为ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ的七段可以发光的线段组成，若非要显示小数点，则增加一段ｈ（有些图纸使用ｄｐ标识）。上一页下一页返回６.３常见集成组合逻辑器件及应用常见的显示器有白炽灯、发光二极管（ＬＥＤ）、辉光数码管、荧光数码管和液晶显示器（ＬＣＤ）等。目前用得较多的是ＬＥＤ和ＬＣＤ。ＬＥＤ数码管是用ＬＥＤ组成字形，从而显示数字、文字和符号的。ＬＥＤ字形以七段显示器为常见，图６－１２（ａ）～图６－１２（ｃ）所示分别为ＬＥＤ数码管的引脚排列、共阳极接法和共阴极接法。从图中可看出，共阳极接法的数码管公共端应该接高电平，当ａ，ｂ，…，ｇ各脚接低电平时，ＬＥＤ才会导通发光，因此这个数码管可用输出低电平有效的译码器来驱动；共阴极接法的数码管下正好相反，公共端接低电平，其余各脚接高电平，可用输出高电平有效的译码器驱动。上一页下一页返回６.３常见集成组合逻辑器件及应用ＬＥＤ数码管的型号繁多，还有异形的可以向厂家订制。选用数码管时需根据译码器的类型选择正确的型号。在实际设计中，还应该根据应用场合的需求选择数码管的尺寸、ＬＥＤ的颜色和合适的限流电阻，并绘制ＰＣＢ图时关注数码管的封装。ＬＥＤ数码管的主要优点是工作电压低、体积小、寿命长、响应时间短、可靠性高、亮度也较高；缺点是工作电流较大。ＬＥＤ数码管显示译码器分驱动共阴极和共阳极数码管两类，常用的共阴极七段数码管显示译码器有４５１３、７４ＨＣ４５１１、７４ＬＳ１４８、７４ＬＳ２４８等，其功能大同小异；共阳极数码管的显示译码器有７４４７、５４４７、７４ＬＳ２４７等。下面以７４ＬＳ１４８为例来讲解。上一页下一页返回６.３常见集成组合逻辑器件及应用７４ＬＳ１４８为内部带上拉电阻的ＢＣＳ输入四线—七段显示译码器／驱动器，其引脚排列如图６－１３所示，功能如表６－９所示。上一页返回表６－２血型关系表返回表６－３血型匹配指示器的真值表返回图６－３血型匹配指示器设计示意图返回表６－４电话机信号控制真值表返回表６－５８线—３线编码器的真值表返回图６－４８线—３线编码器的逻辑电路返回图６－５优先编码器

ＣＤ４５３２的引脚排列返回表６－