数字电路基础课件：第3章组合逻辑电路.ppt
2023/2/8,1,第3章 组合逻辑电路,.1.1组合逻辑电路的分析方法,.1.组合逻辑电路的设计方法,.1 SSI组合逻辑电路的分析和设计,返回,结束放映,2023/2/8,2,复习,CMOS门的特点？CMOS门使用时要特别注意什么？TTL门使用时要特别注意什么？CMOS门和TTL门的接口电路要考虑哪两个问题？第二章 门电路的学习重点是什么？,2023/2/8,3,第3章 组合逻辑电路,数字电路分类：组合逻辑电路和时序逻辑电路。组合逻辑电路:任意时刻的输出仅仅取决于当时的输入信号，而与电路原来的状态无关。,本章内容提要小规模集成电路(SSI)构成组合逻辑电路的一般分析方法和设计方法。常用组合逻辑电路的基本工作原理及常用中规模集成（MSI）组合逻辑电路的逻辑功能、使用方法和应用举例。,2023/2/8,4,3.1.1 组合逻辑电路的分析方法,1.分析的主要步骤如下：(1)由逻辑图写表达式；(2)化简表达式；(3)列真值表；(4)描述逻辑功能。,返回,.1 SSI组合逻辑电路的分析和设计,小规模集成电路是指每片在十个门以下的集成芯片。,所谓组合逻辑电路的分析，就是根据给定的逻辑电路图，求出电路的逻辑功能。,2023/2/8,5,2.举例说明组合逻辑电路的分析方法,例3-1 试分析图3-1所示电路的逻辑功能。,解：第一步：由逻辑图可以写输出F的逻辑表达式为：,图3-1 例3-1逻辑电路图,2023/2/8,6,第二步：可变换为 F=AB+AC+BC 第三步：列出真值表如表3-1所示。,返回,表3-1 例3-1真值表,第四步：确定电路的逻辑功能。由真值表可知，三个变量输入，只有两个及两个以上变量取值为1时，输出才为1。可见电路可实现多数表决逻辑功能。,2023/2/8,7,例3-2 分析图3-2（a）所示电路的逻辑功能。,图3-2 例3-2逻辑电路图,仿真,2023/2/8,8,解：为了方便写表达式，在图中标注中间变量，比如F1、F2和F3。,S,返回,2023/2/8,9,表3-2 例3-2真值表,该电路实现两个一位二进制数相加的功能。S是它们的和，C是向高位的进位。由于这一加法器电路没有考虑低位的进位，所以称该电路为半加器。根据S和C的表达式，将原电路图改画成图3-2（b）所示的逻辑图。,图3-2（b）逻辑图,仿真,2023/2/8,10,3.1.2 组合逻辑电路的设计方法,.组合逻辑电路的设计步骤：(1)分析设计要求，设置输入输出变量并逻辑赋值；(2)列真值表；(3)写出逻辑表达式，并化简；(4)画逻辑电路图。,与分析过程相反，组合逻辑电路的设计是根据给定的实际逻辑问题，求出实现其逻辑功能的最简单的逻辑电路。,返回,2023/2/8,11,2.组合逻辑电路设计方法举例。,例3-3 一火灾报警系统，设有烟感、温感和紫外光感三种类型的火灾探测器。为了防止误报警，只有当其中有两种或两种以上类型的探测器发出火灾检测信号时，报警系统产生报警控制信号。设计一个产生报警控制信号的电路。,解：(1)分析设计要求，设输入输出变量并逻辑赋值；,输入变量：烟感A、温感B，紫外线光感C；输出变量：报警控制信号Y。逻辑赋值：用1表示肯定，用0表示否定。,2023/2/8,12,(2)列真值表；把逻辑关系转换成数字表示形式；,表3-2 例3-3真值表,(3)由真值表写逻辑表达式，并化简；,化简得最简式：,2023/2/8,13,图3-3 例3-3的逻辑电路图,(4)画逻辑电路图：用与非门实现，其逻辑图与例3-1相同。如果作以下变换：,用一个与或非门加一个非门就可以实现，其逻辑电路图如图3-3所示。,2023/2/8,14,作业题,1、3-12、3-4,返回,2023/2/8,15,3.2.1 普通编码器,3.2.2 优先编码器,.2 编码器,返回,结束放映,2023/2/8,16,复习,简述SSI组合电路的分析步骤。,2023/2/8,17,人们为解决实践上遇到的各种逻辑问题，设计了许多逻辑电路。然而，我们发现，其中有些逻辑电路经常、大量出现在各种数字系统当中。为了方便使用，各厂家已经把这些逻辑电路制造成中规模集成的组合逻辑电路产品。,比较常用的有编码器、译码器、数据选择器、加法器和数值比较器等等。下面分别进行介绍。,2023/2/8,18,生活中常用十进制数及文字、符号等表示事物。,.2 编码器,数字电路只能以二进制信号工作。,用二进制代码表示文字、符号或者数码等特定对象的过程，称为编码。实现编码的逻辑电路，称为编码器。,2023/2/8,19,对M个信号编码时，应如何确定位数N？N位二进制代码可以表示多少个信号？例：对101键盘编码时，采用几位二进制代码？,编码原则：N位二进制代码可以表示2N个信号，则对M个信号编码时，应由2N M来确定位数N。例：对101键盘编码时，采用了7位二进制代码ASC码。27128101。目前经常使用的编码器有普通编码器和优先编码器两种。,2023/2/8,20,3.2.1 普通编码器,定义：任何时刻只允许输入一个有效编码请求信号，否则输出将发生混乱。举例：以一个三位二进制普通编码器为例，说明普通编码器的工作原理。,图3-4 普通编码器的方框图,返回,输入：八个信号（对象）I0I7（二值量）,八个病房呼叫请求,输出：三位二进制代码Y2Y1Y0称八线三线编码器,对病房编码,2023/2/8,21,表3-4 编码器输入输出的对应关系,设输入信号为1表示对该输入进行编码。,任何时刻只允许输入一个编码请求,表达式、电路图？,其它输入取值组合不允许出现，为无关项。,2023/2/8,22,3.2.2 优先编码器,在优先编码器中，允许同时输入两个以上的有效编码请求信号。当几个输入信号同时出现时，只对其中优先权最高的一个进行编码。优先级别的高低由设计者根据输入信号的轻重缓急情况而定。如根据病情而设定优先权。,返回,2023/2/8,23,表3-5 74LS148电路的功能表,例：八线三线优先编码器74LS148,2023/2/8,24,低电平有效,2023/2/8,25,2023/2/8,26,禁止状态,工作状态,2023/2/8,27,2023/2/8,28,图3-5 74LS148的逻辑符号,以上通过对74LS148编码器逻辑功能的分析，介绍了通过MSI器件逻辑功能表了解集成器件功能的方法。,要求初步具备查阅器件手册的能力。不要求背74LS148的功能表。,2023/2/8,29,图3-6 用74LS148接成的16线4线优先编码器,仿真,2023/2/8,30,作业题,1、3-22、3-3,返回,2023/2/8,31,3.3.1 二进制译码器,3.3.2 二-十进制译码器,3.3 译码器,返回,结束放映,2023/2/8,32,复习,全班有42名同学，需几位二进制代码才能表示？为什么要用优先编码器？,2023/2/8,33,3.3 译码器,译码：编码的逆过程，将编码时赋予代码的特定含义“翻译”出来。译码器：实现译码功能的电路。,常用的译码器有二进制译码器、二-十进制译码器和显示译码器等。,2023/2/8,34,3.3.1 二进制译码器,返回,图3-7 三位二进制译码器的方框图,输入：二进制代码（N位），输出：2N个，每个输出仅包含一个最小项。,输入是三位二进制代码、有八种状态，八个输出端分别对应其中一种输入状态。因此，又把三位二进制译码器称为3线8线译码器。,2023/2/8,35,1.74LS138的逻辑功能,内部电路图,负逻辑与非门,为便于理解功能而分析内部电路,仿真,2023/2/8,36,表3-6 74LS138的功能表,2023/2/8,37,图3-8 74LS138的逻辑符号,2023/2/8,38,Y0Y7,S3,2023/2/8,39,当译码器处于工作状态时，每输入一个二进制代码将使对应的一个输出端为低电平，而其它输出端均为高电平。也可以说对应的输出端被“译中”。74LS138输出端被“译中”时为低电平，所以其逻辑符号中每个输出端 上方均有“”符号。,2023/2/8,40,2.应用举例(1)功能扩展(利用使能端实现),图3-9 用两片74LS138译码器构成4线16线译码器,A3=0时，片工作，片禁止,A3=1时，片禁止，片工作,仿真,2023/2/8,41,(2)实现组合逻辑函数F（A，B，C）,2023/2/8,42,例3-4 试用74LS138译码器实现逻辑函数：,解：因为,则,2023/2/8,43,图3-10例3-4电路图,仿真,2023/2/8,44,3.3.2 二-十进制译码器,二十进制译码器的逻辑功能是将输入的BCD码译成十个输出信号。,图3-11 二十进制译码器74LS42的逻辑符号,返回,2023/2/8,45,表3-7 二-十进制译码器74LS42的功能表,返回,2023/2/8,46,作业题,3-5,返回,2023/2/8,47,3.3.3 显示译码器,3.3 译码器,返回,结束放映,2023/2/8,48,如何用74LS138译码器实现如下逻辑函数？,复习,2023/2/8,49,3.3.3 显示译码器,在数字测量仪表和各种数字系统中，都需要将数字量直观地显示出来，一方面供人们直接读取测量和运算的结果，另一方面用于监视数字系统的工作情况。数字显示电路是数字设备不可缺少的部分。数字显示电路通常由显示译码器、驱动器和显示器等部分组成，如图3-12所示。,返回,2023/2/8,50,图3-12 数字显示电路的组成方框图,1.数字显示器件 数字显示器件是用来显示数字、文字或者符号的器件，常见的有辉光数码管、荧光数码管、液晶显示器、发光二极管数码管、场致发光数字板、等离子体显示板等等。本书主要讨论发光二极管数码管。,2023/2/8,51,（1）发光二极管（LED）及其驱动方式,LED具有许多优点，它不仅有工作电压低(1.53V)、体积小、寿命长、可靠性高等优点，而且响应速度快(100ns)、亮度比较高。一般LED的工作电流选在510mA，但不允许超过最大值（通常为50mA）。LED可以直接由门电路驱动。,2023/2/8,52,图（a）是输出为低电平时，LED发光，称为低电平驱动；图（b）是输出为高电平时，LED发光，称为高电平驱动；采用高电平驱动方式的TTL门最好选用OC门。,图3-13 门电路驱动LED(a)低电平驱动(b)高电平驱动,R为限流电阻,2023/2/8,53,图3-14 七段显示LED数码管(a)外形图(b)共阴型(c)共阳型,(2)LED数码管LED数码管又称为半导体数码管，它是由多个LED按分段式封装制成的。LED数码管有两种形式：共阴型和共阳型。,公共阴极,公共阳极,2023/2/8,54,图3-15 七段数码管字形显示方式,2七段显示译码器,（1）七段字形显示方式LED数码管通常采用图3-15所示的七段字形显示方式来表示0-9十个数字。,2023/2/8,55,图3-16 74LS49的逻辑符号,（2）七段显示译码器,灭灯控制端,七段显示器译码器把输入的BCD码，翻译成驱动七段LED数码管各对应段所需的电平。74LS49是一种七段显示译码器。,2023/2/8,56,表3-8 74LS49的功能表,灭灯状态,2023/2/8,57,译码输入端：D、C、B、A，为8421BCD码；,七段代码输出端：abcdefg，某段输出为高电平时该段点亮，用以驱动高电平有效的七段显示LED数码管；灭灯控制端：IB，当IB=1时，译码器处于正常译码工作状态；若IB=0，不管D、C、B、A输入什么信号，译码器各输出端均为低电平，处于灭灯状态。利用IB信号，可以控制数码管按照要求处于显示或者灭灯状态，如闪烁、熄灭首尾部多余的0等。,2023/2/8,58,图3-17 74LS49驱动LED数码管电路,图3-17是一个用七段显示译码器74LS49驱动共阴型LED数码管的实用电路。,2023/2/8,59,作业题,补充题：设计用CD4511驱动共阴型数码管的应用电路。,返回,2023/2/8,60,3.4.3 应用举例,3.4.1 数据选择器的工作原理,3.4.2 八选一数据选择器74LS151,3.4 数据选择器,返回,结束放映,3.5加法器,3.5.1全加器,3.5.2多位加法器,3.6 数值比较器,2023/2/8,61,复习,LED数码管有哪两种形式？高电平有效的七段显示译码器应驱动哪种LED数码管？,2023/2/8,62,在多路数据传送过程中，能够根据需要将其中任意一路挑选出来的电路，叫做数据选择器，也称为多路选择器,其作用相当于多路开关。常见的数据选择器有四选一、八选一、十六选一电路。,3.4 数据选择器,2023/2/8,63,以四选一数据选择器为例。,(1)四选一数据选择器的逻辑电路图,图3-18 四选一数据选择器电路,3.4.1 数据选择器的工作原理,返回,地址输入端,控制输入端,数据输入端,输出端,2023/2/8,64,(2)四选一数据选择器的功能表,表3-9 四选一数据选择器的功能表,2023/2/8,65,3.4.2 八选一数据选择器74LS151,图3-19 74LS151的逻辑符号,返回,2023/2/8,66,表3-10 74LS151的功能表,2023/2/8,67,3.4.3 应用举例,1.功能扩展 用两片八选一数据选择器74LS151，可以构成十六选一数据选择器。,试回忆用两片38线译码器74LS138实现416线译码器的方法。利用使能端（控制端）。,返回,2023/2/8,68,图3-20 用74LS151构成十六选一数据选择器,A3=1时，片禁止，片工作,A3=0时，片工作，片禁止,输出需适当处理（该例接或门）,仿真,2023/2/8,69,2 实现组合逻辑函数,比较可知，表达式中都有最小项mi，利用数据选择器可以实现各种组合逻辑函数。,组合逻辑函数,8选1,4选1,2023/2/8,70,例3-5 试用八选一电路实现,解：将A、B、C分别从A2、A1、A0输入，作为输入变量，把Y端作为输出F。因为逻辑表达式中的各乘积项均为最小项，所以可以改写为,根据八选一数据选择器的功能，令,2023/2/8,71,具体电路见图3-21：,图3-21 例3-5电路图,仿真,2023/2/8,72,真值表对照法,注意变量高低位顺序！,2023/2/8,73,例3-6试用八选一电路实现三变量多数表决电路。,表3-11 例3-6的真值表,解：假设三变量为A、B、C，表决结果为F，则真值表如表3-11所示。,2023/2/8,74,在八选一电路中，将A、B、C从A2、A1、A0 输入，令,则可实现三变量多数表决电路，具体电路图请读者自行画出。,则,2023/2/8,75,思考：若用8选1实现4变量的函数，或者用4选1实现3变量的函数，即地址输入端的个数比变量个数小1，如何实现？如：,返回,2023/2/8,76,3.5 加法器,算术运算是数字系统的基本功能，更是计算机中不可缺少的组成单元。本节介绍实现加法运算的逻辑电路。3.5.1 全加器,本章的3.1节讨论过半加器电路，它是不考虑低位进位的加法器。全加器能把本位两个加数An、Bn 和来自低位的进位Cn-1三者相加，得到求和结果Sn 和该位的进位信号Cn。,返回,2023/2/8,77,表3-12 全加器 的真值表,由真值表写最小项之和式，再稍加变换得：,2023/2/8,78,由真值表写最小项之和式，再稍加变换得：,2023/2/8,79,图3-22 全加器（a）电路图（b）逻辑符号,由表达式得逻辑图：,仿真,2023/2/8,80,3.5.2多位加法器,74LS283电路是一个四位加法器电路，可实现两个四位二进制数的相加，其逻辑符号如图3-23所示。,全加器可以实现两个一位二进制数的相加，要实现多位二进制数的相加，可选用多位加法器电路。,返回,2023/2/8,81,图3-23 74LS283电路的逻辑符号,CI是低位的进位，CO是向高位的进位，A3A2A1A0和B3B2B1B0是两个二进制待加数，S3、S2、S1、S0是对应各位的和。,2023/2/8,82,多位加法器除了可以实现加法运算功能之外，还可以实现组合逻辑电路。,图3-24 由74LS283构成的代码转换电路,8421BCD码,0011,余3码,例：将8421BCD码转换成余3码。余3码8421BCD码3(即0011),仿真,2023/2/8,83,3.6 数值比较器,数值比较器：能够比较数字大小的电路。1.两个一位数A和B相比较的情况：(1)AB：只有当A=1、B=0时，AB才为真；(2)AB：只有当A=0、B=1时，AB才为真；(3)A=B：只有当A=B=0或A=B=1时，A=B才为真。,返回,2023/2/8,84,图3-25 74LS85的逻辑符号,如果要比较两个多位二进制数A和B的大小？,必须从高向低逐位进行比较。,2.四位数值比较器74LS85,级联输入,便于功能扩展,2023/2/8,85,表3-13 74LS85的功能表,2023/2/8,86,3.部分常用的MSI组合逻辑电路的型号、名称和主要功能表,表2-14,2023/2/8,87,2023/2/8,88,返回,2023/2/8,89,作业题,3-6,返回,2023/2/8,90,本章小结,3.7 MSI组合逻辑电路的分析,返回,结束放映,3.7.1 分析步骤,3.7.2 分析举例,2023/2/8,91,复习,十六选一的数据选择器应有怎样的输入、输出、选择、控制端？如何用两片八选一数据选择器构成十六选一数据选择器？如何利用八选一数据选择器实现三变量组合逻辑函数？,2023/2/8,92,3.7 MSI组合逻辑电路的分析,MSI组合逻辑电路的分析：以中规模集成器件为核心的组合逻辑电路的分析。本节将MSI电路按功能块进行划分，逐块分析各功能块电路，最后得出整个电路功能的分析方法，这种方法称为功能块级的电路分析，适用于更加复杂的逻辑电路分析。,返回,2023/2/8,93,3.7.1 分析步骤,图3-26 功能块组合逻辑电路分析流程图,分析步骤（1）划分功能块（2）分析功能块的逻辑功能（3）分析整体逻辑电路的功能,返回,2023/2/8,94,（1）划分功能块,首先根据电路的复杂程度和器件类型，视情形将电路划分为一个或多个逻辑功能块。功能块内部，可以是单片或多片MSI或SSI以及扩展组合的电路。分成几个功能块和怎样划分功能块，这取决于对常用功能电路的熟悉程度和经验。画出功能块电路框图有助于进一步的分析。,2023/2/8,95,（2）分析功能块的逻辑功能,利用前面学过的常用功能电路的知识，分析各功能块逻辑功能。如有必要，可写出每个功能块的逻辑表达式或逻辑功能表。,2023/2/8,96,（3）分析整体逻辑电路的功能,在对各功能块电路分析的基础上，最后对整个电路进行整体功能的分析。如有必要，可以写出输入与输出的逻辑函数式，或列出功能表。应该注意，即使电路只有一个功能块，整体电路的逻辑功能也不一定是这个功能块原来的逻辑功能。,2023/2/8,97,例3-7 图327是由双4选1数据选择器74LS153和门电路组成的组合逻辑电路。试分析输出Z与输入X3、X2、X1、X0之间的逻辑关系。,3.7.2 分析举例,图327 例3-7电路图,返回,2023/2/8,98,（1）划分功能块 本题只有一块MSI电路，可以只划分一个功能块。（2）分析功能块的功能 通过查74LS153的功能表，知道它是一块双4选1数据选择器。其中：A1、A0是地址输入端，Y是输出端；74LS153的控制输入端为低电平有效；数据选择器处于禁止状态时，输出为0。,解：,2023/2/8,99,2023/2/8,100,图3-28 8选1功能框图,显然，图327电路构成了一个8选1数据选择器，其输出为Z，地址输入端为X3、X1、X0。,图327电路可用图3-28的功能框图来表示。,2023/2/8,101,（3）分析整体电路的逻辑功能,把图327电路看成一个8选1数据选择器，可得出例3-7电路的功能表。,表3-15 例3-7电路的功能表,分析电路的功能表，当X3X2X1X0为8421BCD码00001001时，电路的输出为1，否则输出为0。可见该电路可实现检测8421BCD码的逻辑功能。,2023/2/8,102,例3-8 图3-29电路由4位二进制超前进位全加器74LS283、数值比较器74LS85、七段显示译码器74LS47及LED数码管组成的电路，请分析该电路的逻辑功能。,2023/2/8,103,图3-29 例3-8电路,2023/2/8,104,解：（1）划分功能块 电路可分成三个功能块：加法运算及比较电路，译码电路，显示电路。,（2）分析各功能块的逻辑功能 4位加法器74LS283 S3S2S1S0是A3A2A1A0与B3B2B1B0的和，当1010时，比较电路输出YAB=1。,2023/2/8,105,2023/2/8,106,2023/2/8,107,显示电路由共阳型七段LED数码管构成，可显示十进制数09，R是限流电阻。,2023/2/8,108,（3）分析整个电路的逻辑功能 图3-29电路可以实现一位十进制数的加 法运算，并由数码管显示相加的结果。当相 加的结果大于9（即二进制1001）时，数码 管不显示，处于灭灯状态。,2023/2/8,109,图3-30 例3-9电路,例3-9 图3-30是3-8线译码器74LS138和8选1数据选择器74LS151组成的电路，试分析电路的逻辑功能。,仿真,2023/2/8,110,解：(1)划分功能块 电路可划分为两个功能块：3-8线译码器74LS138，8选1数据选择器74LS151。,（2）分析功能块的逻辑功能 3-8线译码器74LS138和8选1数据选择器74LS151的逻辑功能，这里不再重述。,2023/2/8,111,（3）分析整体电路的逻辑功能 D0D7和Y0Y7 对应相连，b2b1b0a2a1a0时，L1；否则，L0。该电路实现了两个3位二进制数的“相同”比较功能。,2023/2/8,112,本章小结,组合逻辑电路是一种应用很广的逻辑电路。本章介绍了组合逻辑电路的分析和设计方法，还介绍了几种常用的中规模(MSI)组合逻辑电路器件。本章总结出了采用集成门电路构成组合逻辑电路的分析和设计的一般方法，只要掌握这些方法，就可以分析任何一种给定电路的功能，也可以根据给定的功能要求设计出相应的组合逻辑电路。,返回,2023/2/8,113,本章介绍了编码器、译码器、数据选择器、加法器和数值比较器等MSI组合逻辑电路器件的功能，并讨论了利用译码器、数据选择器和加法器实现组合逻辑函数的方法。,对于MSI组合逻辑电路，主要应熟悉电路的逻辑功能。了解其内部电路只是帮助理解器件的逻辑功能。只有熟悉MSI组合逻辑电路的功能，才能正确应用好电路。本章通过举例，介绍了基于功能块的MSI组合逻辑电路的分析方法。熟悉这种方法，对MSI组合逻辑电路的分析很有帮助。,2023/2/8,114,作业题,3-73-8,返回,
