数字电子技术基础第四章组合逻辑电路.ppt
逻辑门电路的种类及其逻辑功能,能够实现相同逻辑功能的门电路因其种类不同而具有不同的外部电气特性：如：输入输出伏安特性决定了其带负载能力；在使用时对多余输入端的处理等等,逻辑门电路的种类及其逻辑功能,种类：广泛使用的是CMOS门电路和TTL门电路,CMOS门电路：构成其的核心元件为MOS管，是半导体元件中场效应管的一 种，其最大的优点是：静态功 耗低，集成度高。,TTL门电路：构成其的核心元件为半导体三极管，是应用最早的集成电路，响应速度快 但其静态功耗高，所以集成度低。,半导体器件知识,1.什么是半导体？2.什么是本征半导体？什么是杂质半导体？,3.PN结的形成？,PN结的单向导电性,外加正向电压导通,外加反向电压截止,PN结的单向导电性,二极管的结构：PN结+引线+封装构成,4.半导体二极管是如何构成的？其具有什么样的电气特性？,具有单向导电性，所以它相当于受外加电压极性控制的开关,二极管与门,设VCC=5V，加到A,B的VIH=3V VIL=0V，二极管导通时 VDF=0.7V，,CMOS门电路,一、MOS管的结构,S(Source)：源极G(Gate)：栅极D(Drain)：漏极B(Substrate):衬底,CMOS门电路,一、MOS管的结构,增强型管,衬底,反型层,大到一定值才开启,MOS管的开关特性：,MOS管的基本开关电路,实现逻辑反,MOS管的基本开关电路,由于RD的存在，增大了电路的功耗,CMOS门电路的种类,反相器,是构成其他种类CMOS集成电路的单元电路之一,输入端不允许悬空,与非门,CMOS门电路的种类,CMOS门电路的种类,或非门,CMOS门电路的种类,OD门,输出端可以实现“线与”可用于电平转换,CMOS门电路的种类,CMOS门电路的种类,传输门,是构成其他种类CMOS集成电路的单元电路之一,三态输出门,CMOS门电路的种类,3.5 TTL门电路3.5.1 半导体三极管的开关特性,NPN型,双极型晶体管,基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：结面积较大,发射区：掺杂浓度较高,发射结,集电结,PNP型,发射结,集电结,晶体管的开关特性,发射结正偏，集电结正偏发射结反偏，集电结反偏,一、双极型三极管的基本开关电路,TTL门电路的种类,反相器,输入端允许悬空,TTL门电路的种类,与非门,TTL门电路的种类,或非门,TTL门电路的种类,OC门,三态输出门（TS）,TTL门电路的种类,有关半导体元件的相关知识和门电路的具体电路结构、工作原理、电气特性等我们将在后面学习，为使同学们对数字逻辑电路有一个初步系统的认识，我们首先学习组合逻辑电路,第四章 组合逻辑电路,本章任务：,1.组合逻辑电路的分析与设计方法2.常用组合逻辑模块的使用,逻辑电路,组合逻辑电路,时序逻辑电路,现时的输出仅取决于现时的输入,除与现时输入有关外还与原状态有关,4.1 概述,注意：组合逻辑电路与时序逻辑电路 在逻辑功能与电路结构上的差异,组合逻辑电路的框图,1.由给定的逻辑图写出逻辑关系表达式。,分析步骤：,2.用逻辑代数或卡诺图对逻辑表达式进行化简。,3.列出输入输出状态真值表并得出结论。,电路 结构,输入输出之间的逻辑关系,4.2 组合逻辑电路分析与设计,4.2.1 组合逻辑电路分析,根据要求设计出实际最简逻辑电路,步骤：,根据已有门电路化简,根据已有中大规模芯片,4.2.2 组合逻辑电路设计,逻辑抽象,1.确定输入输出变量2.逻辑赋值3.列真值表,写逻辑表达式,画逻辑电路图,形式变换,逻辑抽象,设计一个监视交通信号灯工作状态的逻辑电路,每一组信号灯由红、黄、绿三盏灯组成，正常工作时，任何时刻必有一盏灯亮，而且只有一盏灯亮。当出现其它点亮状态时，电路出现故障，发出报警信号，提醒工作人员维修。,因：交通信号灯（R、A、G）工作状态是否正常 果：报警器（Z）是否响 每盏灯有两种状态：亮 灭 报警器有两种状态：响 不响,设计一个监视交通信号灯工作状态的逻辑电路,每一组信号灯由红、黄、绿三盏灯组成，正常工作时，任何时刻必有一盏灯亮，而且只有一盏灯亮。当出现其它点亮状态时，电路出现故障，发出报警信号，提醒工作人员维修。,1,0,1,0,逻辑赋值,逻辑抽象,解：,根据题意列出逻辑真值表。,用与非门实现,用中规模集成芯片实现,令,4.3.1 编码器,编码就是把输入的每一个高低电平编成一个对应的二进制代码。,4.3 若干常用的组合逻辑电路,8线-3线编码器,一、普通编码器,有8个输入端为I1I8，有3个输出端为Y1、Y2、Y3,设计编码器的过程与设计一般的组合逻辑电路相同，首先要列出状态表，然后写出逻辑表达式并进行化简，最后画出逻辑图。,真值表,二、优先编码器,特点：允许同时输入两个以上的编码信号，但只对其中优先权最高的一个进行编码。,实例：74HC148,低电平有效,实例：74HC148,8线-3线优先编码器74HC148,输入输出管脚均为低电平有效,:编码输入端,:编码输出端,:选通输出端,:扩展端,为有效输出时，表示芯片处于工作状态，但无编码输入,为有效输出时，表示芯片处于工作状态，且有编码输入,为有效输入时，表示使芯片处于工作状态,:工作控制端,控制端扩展功能举例：,例：用两片8线-3线优先编码器 16线-4线优先编码器 其中 的优先权最高,用74HC148设计组合逻辑电路,某医院有一、二、三、四号病室四间每室设有呼叫按钮，同时在护士值班室对应地装有一号、二号、三号、四号4个指示灯。一、二、三、四号病室优先权依次减弱，试用74HC148和门电路设计满足上述要求的逻辑电路，给出控制四个指示灯状态的高低电平信号,上节课回顾,组合逻辑电路(combinational logic circuit)的设计,编码器(encoder),优先编码器(priority encoder),4.3.2 译码器（decoder）,译码是编码的逆过程，即将某个二进制代码翻译成对应输出线上的高低电平或另外一个代码,一、二进制译码器,将n种输入的组合译成2n种电路状态。也叫n线-2n线译码器。,常用的有：二进制译码器，二-十进制译码器，显示译码器等,2-4线译码器74LS139,74LS139,74LS139,例：利用2-4线译码器分时将采样数据送入计算机。,工作原理：（以A0A1=00为例）,脱离总线,3线-8线译码器,用二极管与门阵列组成的3线8线译码器,集成译码器实例：74HC138,74HC138的功能表：,最小项译码器,集成译码器实例：74HC138,附加控制端,集成译码器实例：74HC138,从原则上讲,用n线-2n线译码器可以实现任意n变量逻辑函数,用译码器设计组合逻辑电路,例：利用74HC138设计一个多输出的组合逻辑电路，输出逻辑函数式为：,例:用74HC138（3线8线译码器）构成 4线16线译码器,D3=1,D3=0,上节课回顾,二进制译码器,二、二十进制译码器,将输入BCD码的10个代码译成10个高、低电平的输出信号,BCD码以外的伪码，输出均无低电平信号产生例：74HC42,三、显示译码器,BCD8421码,显示译码器,显示器件,在数字系统中，常常需要将运算结果用人们习惯的十进制显示出来，这就要用到显示译码器。,显示器件：,常用的是七段显示器件,4.3.3 数据选择器（data selector）,从一组数据中选择一路信号进行传输的电路，称为数据选择器。,控制信号,输入信号,输出信号,四选一集成数据选择器74HC153,功能表,例：用两个“四选一”接成“八选一”,二、用数据选择器设计组合电路,具有n位地址输入的数据选择器,可产生任何形式的输入变量不大于n+1的组合函数,例如：,4.3.4 加法器,一、1位加法器1.半加器，不考虑来自低位的进位，将两个1位的二进制数相加,2.全加器：将两个1位二进制数及来自低位的进位相加,74HC183,74LS183,二、多位加法器,串行进位加法,优点：简单 缺点：慢,2.超前进位加法器,74LS283,优点：快，缺点：电路复杂。,三、用加法器设计组合电路,基本原理：若函数可变换成输入变量与输入变量相加 若函数可变换成输入变量与常量相加,例：将BCD的8421码转换为余3码,思考：已知X是3位二进制数（其值小于等于5），试实现Y=3X 并用7段数码管进行显示?,Y=3X,？,D2,D1,D0,Y=3X,4.3.5 数值比较器,一、1位数值比较器 A,B比较有三种可能结果,用来比较两个二进制数的数值大小,二、多位数值比较器,原理：从高位比起，只有高位相等，才比较下一位。,74LS85(1),4.4 组合逻辑电路中的竞争-冒险现象,4.4.1 竞争-冒险现象及成因,二、因“竞争”而可能在输出产生尖峰脉冲的现象，称为“竞争-冒险”,两个输入“同时向相反的逻辑电平变化”，称存在“竞争”,一、什么是“竞争”,4.4.3 消除竞争-冒险现象的方法一、接入滤波电容二、引入选通脉冲,三、修改逻辑设计例：,本章小结,1.组合逻辑电路的分析与设计方法2.常用组合逻辑模块的使用,
