第2章组合逻辑电路.ppt

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1、第2章 组合逻辑电路,2.1 集成门电路 2.2 组合逻辑电路的分析和设计 2.3 组合逻辑电路中的竞争-冒险,2.1 集成门电路,2.1.1 TTL门电路 TTL门电路由双极型三极管构成,它的特点是速度快、抗静电能力强、集成度低、功耗大,目前广泛应用于中、小规模集成电路中。TTL门电路有74（商用）和54（军用）两大系列,每个系列中又有若干子系列,例如，74系列包含如下基本子系列：,74:标准TTL(Standard TTL)。74H:高速TTL(Highspeed TTL)。74S:肖特基TTL(Schottky TTL)。74AS:先进肖特基TTL(Advanced Schottky T

2、TL)。74LS:低功耗肖特基TTL(Lowpower Schottky TTL)。74ALS:先进低功耗肖特基TTL(Advanced Lowpower Schottky TTL)。,54系列和74系列具有相同的子系列,两个系列的参数基本相同,主要在电源电压范围和工作环境温度范围上有所不同,54系列适应的范围更大些,如表21所示。不同子系列在速度、功耗等参数上有所不同。TTL门电路采用5V电源供电。,表21 54系列与74系列的比较,2.1.2 CMOS门电路 CMOS门电路由场效应管构成,它的特点是集成度高、功耗低、速度慢、抗静电能力差。虽然TTL门电路由于速度快和更多类型选择而流行多年,

3、但CMOS门电路具有功耗低、集成度高的优点,而且其速度已经获得了很大的提高,目前已可与TTL门电路相媲美。因此，CMOS门电路获得了广泛的应用,特别是在大规模集成电路和微处理器中目前已经占据支配地位。,从供电电源区分,CMOS门电路有5VCMOS门电路和3.3VCMOS门电路两种。3.3VCMOS门电路是最近发展起来的,它的功耗比5VCMOS门电路低得多。同TTL门电路一样,CMOS门电路也有74和54两大系列。74系列5VCMOS门电路的基本子系列如下：74HC和74HCT:高速CMOS(Highspeed CMOS),T表示和TTL直接兼容。,74AC和74ACT:先进CMOS(Advan

4、ced CMOS)。74AHC和74AHCT:先进高速CMOS(Advanced Highspeed CMOS)。74系列3.3VCMOS门电路的基本子系列如下：74LVC:低压CMOS(Lowvoltage CMOS)。74ALVC:先进低压CMOS(Advanced Lowvoltage CMOS)。,2.1.3 数字集成电路的品种类型 每个系列的数字集成电路都有很多不同的品种类型,用不同的代码表示,例如:,00:4路2输入与非门 02:4路2输入或非门 08:4路2输入与门 10:3路3输入与非门 20:双路4输入与非门 27:3路3输入或非门 32:4路2输入或门 86:4路2输入异或

5、门,具有相同品种类型代码的逻辑电路,不管属于哪个系列,它们的逻辑功能相同,引脚也兼容。例如,7400,74LS00,74ALS00,74HC00,74AHC00都是引脚兼容的4路2输入与非门封装,引脚排列和逻辑图如图21所示。,图21 4路2输入与非门引脚排列和逻辑图,2.1.4 数字集成电路的性能参数和使用 1.数字集成电路的性能参数 数字集成电路的性能参数主要包括：直流电源电压、输入/输出逻辑电平、扇出系数、传输延时、功耗等。,1)直流电源电压UCC 一般TTL电路的直流电源电压为5V,最低4.5V,最高5.5V。CMOS电路的直流电源电压有5V和3.3V两种。CMOS电路的一个优点是电源

6、电压的变化范围比TTL电路大,如5VCMOS电路当其电源电压在26V范围内时能正常工作,3.3VCMOS电路当其电源电压在23.6V范围内时能正常工作。,2)输入/输出逻辑电平 数字集成电路有如下四个不同的输入/输出逻辑电平参数:低电平输入电压UIL:能被输入端确认为低电平的电压范围。高电平输入电压UIH:能被输入端确认为高电平的电压范围。低电平输出电压UOL:正常工作时低电平输出的电压范围。高电平输出电压UOH:正常工作时高电平输出的电压范围。,图22和图23分别给出了TTL电路和CMOS电路的输入/输出逻辑电平。当输入电平在UIL(max)和UIH(min)之间时,逻辑电路可能把它当作0,

7、也可能把它当作1，而当逻辑电路因所接负载过多等原因不能正常工作时,高电平输出可能低于UOH(min),低电平输出可能高于UOL(max)。,图22 标准TTL电路的输入/输出逻辑电平,3)扇出系数 扇出系数指在正常工作范围内,一个门电路的输出端能够连接同一系列门电路输入端的最大数目。扇出系数越大,门电路的带负载能力就越强。一般来说,CMOS电路的扇出系数比较高。计算公式为,扇出系数=,图23 CMOS电路的输入/输出逻辑电平(a)5VCMOS电路;(b)3.3VCMOS电路,其中,IOH为高电平输出电流;IIH为高电平输入电流;IOL为低电平输出电流;IIL为低电平输入电流。例如,从74LS0

8、0与非门的参数表中可以查到,IOH=0.4mA,IIH=20A,IOL=8mA,IIL=0.4mA,因此:,扇出系数=,这说明一个74LS00与非门的输出端能够连接74LS系列门电路（不一定是与非门）最多20个的输入端,如图24所示。,图24 74LS系列门电路的扇出系数和带负载能力(a)低电平输出时;(b)高电平输出时,4)传输延时tP 传输延时tP指输入变化引起输出变化所需的时间,它是衡量逻辑电路工作速度的重要指标。传输延时越短,工作速度越快,工作频率越高。tPHL指输出由高电平变为低电平时,输入脉冲的指定参考点（一般为中点）到输出脉冲的相应指定参考点的时间。tPLH指输出由低电平变为高电

9、平时,输入脉冲的指定参考点到输出脉冲的相应指定参考点的时间。标准TTL系列门电路典型的传输延时为11ns;高速TTL系列门电路典型的传输延时为3.3ns。HCT系列CMOS门电路的传输延时为7ns;AC系列CMOS门电路的传输延时为5ns;ALVC系列CMOS门电路的传输延时为3ns。,5)功耗PD 逻辑电路的功耗PD定义为直流电源电压和电源平均电流的乘积。一般情况下,门电路输出为低电平时的电源电流ICCL比门电路输出为高电平时的电源电流ICCH大。CMOS电路的功耗较低,而且与工作频率有关(频率越高功耗越大)；TTL电路的功耗较高,基本与工作频率无关。,2.数字集成电路的使用 1)类型选择

10、设计一个复杂的数字系统时,往往需要用到大量的门电路。应根据各个部分的性能要求选择合适的门电路,以使系统达到经济、稳定、可靠且性能优良。在优先考虑功耗,对速度要求不高的情况下,可选用CMOS电路；当要求很高速度时,可选用ECL电路；由于TTL电路速度较高、功耗适中、使用普遍,所以在无特殊要求的情况下,可选用TTL电路。表22给出了常用的TTL、ECL、CMOS电路的主要性能参数比较。,表22 常用系列门电路主要性能参数比较,系列,参数,2)TTL门电路和CMOS门电路的连接 我们知道,TTL门电路和CMOS门电路是两种不同类型的电路,它们的参数并不完全相同。因此,在一个数字系统中,如果同时使用T

11、TL门电路和CMOS门电路,为了保证系统能够正常工作,必须考虑两者之间的连接问题,以满足下列条件:,驱动门 负载门 UOH(min)UIH(min)UOL(max)IIH IOLIIL,如果不满足上面条件,必须增加接口电路。常用的方法有增加上拉电阻、采用专用接口电路、驱动门并接等。例如,若不满足UOH(驱动门)UIH(负载门),则可在驱动门的输出端接上上拉电阻,如图25所示。,图25 TTL驱动门与CMOS 负载门的连接,2.2 组合逻辑电路的分析和设计,2.2.1 组合逻辑电路的特点 逻辑电路可以分为两大类:组合逻辑电路和时序逻辑电路。组合逻辑电路是比较简单的一类逻辑电路,它具有以下特点:(

12、1)从电路结构上看,不存在反馈,不包含记忆元件。(2)从逻辑功能上看,任一时刻的输出仅仅与该时刻的输入有关,与该时刻之前电路的状态无关。组合逻辑电路的特点可用框图26表示。,图26 组合逻辑电路框图,输入/输出表达式描述为y1=F1(x1,x2,xm)y2=F2(x1,x2,xm)yn=Fn(x1,x2,xm),2.2.2 组合逻辑电路的分析 1.不变输入情况下组合逻辑电路的分析 分析组合逻辑电路一般是根据给出的逻辑电路图,通过分析总结出它的逻辑功能。当输入不变时,具体的步骤通常如下:（1）根据逻辑电路图,写出逻辑表达式。（2）利用所得到的逻辑表达式,列出真值表，画出卡诺图。（3）总结出电路的

13、逻辑功能。,表23 函数Z的真值表,【例2.1】分析图27所示的逻辑电路。解:从逻辑图可以写出如下的逻辑表达式:利用上面的逻辑表达式,列出表23所示的真值表和画出图28所示的卡诺图。从真值表可以看出,当输入变量A、B、C中有两个或两个以上为1时,输出Z为1,否则,输出Z为0。此电路是一个多数表决电路。,图27 电路的逻辑图 图28 函数Z的卡诺图,2.脉冲输入情况下组合逻辑电路的分析 在脉冲输入的情况下,组合逻辑电路的工作和不变输入时是一样的,即任一时刻电路的输出只与该时刻电路的输入有关,与其他时刻的输入无关。在脉冲输入的情况下,不同时刻电路的输入不同时,对应的输出也可能不同。对电路进行分析时

14、,首先要将输入分成不同的时段(在每个时段里,输入的组合是不变的),再确定出每个时段电路的输出,用波形图表示电路输出和输入之间对应的逻辑关系。,【例2.2】画出图29(a)所示逻辑电路的输出波形。电路的输入波形如图29(b)所示。解:逐个画出各个门电路输出的波形,最后画出逻辑电路的输出波形,如图29(c)所示。,图29 例2.2的波形图,【例2.3】画出图210(a)所示逻辑电路的输出波形。电路的输入波形如图210(b)所示。解:从图210(a)可以写出电路输出的逻辑表达式如下:,从表达式可以得到,当A、B、C同时为0或D为1时,输出Z为1,否则,Z为0。逻辑电路的输出波形如图210(c)所示。

15、,图210 例2.3的波形图,2.2.3 组合逻辑电路的设计 设计组合逻辑电路,就是要根据给定的逻辑功能要求,求出逻辑函数表达式,然后用逻辑器件去实现所得逻辑函数。实现组合逻辑电路所用的逻辑器件可分为三大类:基本门电路、MSI组合逻辑模块、可编程器件。本节中只介绍使用基本门电路设计、实现组合逻辑电路的方法和步骤,用MSI组合逻辑模块实现组合逻辑电路的方法在第三章中介绍,用可编程器件实现组合逻辑电路的方法将在第六章中介绍。,1.用基本门电路设计组合逻辑电路的一般步骤 用基本门电路设计和实现组合逻辑电路的一般步骤如下:（1）分析逻辑功能要求,确定输入/输出变量。（2）列出真值表。（3）用逻辑代数公

16、式或卡诺图求逻辑函数的最简表达式。（4）用基本门电路实现所得函数。,【例2.4】设计一个有三个输入、一个输出的组合逻辑电路,输入为二进制数。当输入二进制数能被3整除时,输出为1,否则,输出为0。解:设输入变量为A、B、C,输出变量为Z。根据逻辑功能要求,列出的电路的真值表如表24所示,画出的卡诺图如图211所示。由卡诺图得到的输出Z的表达式如下:,根据上面表达式可以得到图212(a)和图212(b)的两种不同实现。,图211 函数Z的卡诺图,表24 电路的真值表,图212 例2.4的逻辑图,2.用与非门设计组合逻辑电路 我们知道,与、或、非是最基本的三种逻辑运算,任何一个逻辑函数都可以用这三种

17、运算的组合来表示。也就是说,任何一个逻辑函数都可以用与门、或门、非门这三种门电路来实现。利用与非门,通过简单的连接转换,可以很容易地构造出与门、或门和非门,如图213所示。因此,任何一个逻辑函数都可以用与非门来实现,由于这一原因,与非门获得了广泛的应用。,图213 用与非门构造与门、或门和非门,用与非门设计、实现组合逻辑电路时,可以根据求得的函数最简与或表达式,先画出用与门、或门和非门实现的电路,然后再用与非门去替代。而常用的做法是将最简与或表达式转换为与非与非表达式,直接用与非门去实现逻辑电路。用与非门设计和实现组合逻辑电路的一般步骤如下:,（1）分析逻辑功能要求,确定输入/输出变量。（2）

18、列出真值表。（3）用逻辑代数公式或卡诺图求出逻辑函数的最简与或表达式。（4）通过两次求反,利用摩根定律将最简与或表达式转换为与非与非表达式。（5）用与非门实现所得函数。,图214 卡诺图,【例2.5】设计一个组合逻辑电路,输入是四位二进制数ABCD,当输入大于等于9而小于等于14时输出Z为1,否则输出Z为0。用与非门实现电路。解:本电路有四个输入变量A、B、C、D和一个输出变量Z。根据逻辑功能的要求,可以列出如表25所示的真值表,再画出如图214所示的卡诺图。由卡诺图可以得到输出Z的最简与或表达式为,表25 例2.5题的真值表,转换为与非与非表达式:根据上面与非与非表达式可以画出仅用与非门实现

19、的逻辑图,如图215所示。,图215 例2.5的逻辑图,3.用或非门设计组合逻辑电路 同与非门一样,利用或非门,通过简单的连接转换,也可以很容易地构造出与门、或门和非门,如图216所示。因此,任何一个逻辑函数也都可以用或非门来实现。,图216 用或非门构造与门、或门和非门,用或非门设计和实现组合逻辑电路的一般步骤如下:（1）分析逻辑功能要求,确定输入/输出变量。（2）列出真值表。（3）用逻辑代数公式或卡诺图求出逻辑函数的最简或与表达式。（4）通过两次求反,利用摩根定律将最简或与表达式转换为或非或非表达式。（5）用或非门实现所得函数。,表26 例2.6题的真值表,【例2.6】一组合逻辑电路的真值

20、表如表26所示,用或非门实现该电路。,转换为或非或非表达式:,根据上面或非或非表达式可以画出仅用或非门实现的逻辑图,如图218所示。,图 217 卡诺图,图218 例2.6的逻辑图,2.3 组合逻辑电路中的竞争-冒险,1.竞争与冒险 在2.2节中介绍的组合逻辑电路的分析和设计,是基于稳定状态这一前提的。所谓稳定状态,是指输入变量不发生变化,输出变量也不会发生变化的情况。但是,当输入变量发生变化时,电路可能会得到错误的结果。现在让我们分析一下图219所示的组合逻辑电路。,图219 示例电路,从图中可以得到:,当B和C保持为1不变时,由上式得到,即此时输出应该恒定为1,与输入A无关。而实际情形为,

21、如果A不变,则无论A是0还是1,输出都为1；如果A发生变化,则输出不一定恒为1。,再看一下具体电路:当B=C=1,A=0时,与非门G2的输出为1,G1的输出为1,G3的输出为0,因此，G4的输出为1。当B=C=1,A=1时,G1输出为0,G2输出为0,G3输出为1,G4输出也为1。,当B=C=1,A由0变为1时,将使G1和G2的输出由1变为0,G3输出则由0变为1。G1和G2输出的变化比A的变化延迟tp,G3输出的变化比A的变化延迟2tp。因此,G2的输出先变为0而G3的输出后变为1。这样,在G2的输出变化之前,G2输出为1,G3输出为0；当G2的输出已经变化而G3的输出还没有变化时,G2、G

22、3的输出同时为0；在G3的输出变化之后,G2输出为0,G3输出为1。可见,任何时刻，G4最少有一个输入为0,因此,其输出Z一直保持为1。,当B=C=1,A由1变为0时,将使G1和G2的输出由0变为1,G3输出则由1变为0。G1和G2输出的变化比A的变化延迟tp,G3输出的变化比A的变化延迟2tp。因此,G2的输出先变为1而G3的输出后变为0。这样,在G2的输出变化之前,G2输出为0,G3输出为1；当G2的输出已经变化而G3的输出还没变化时,G2、G3的输出同时为1；在G3的输出变化之后,G2输出为1,G3输出为0。由此可见,在G2的输出已经变化而G3的输出还没变化这段时间里,由于G2、G3的输

23、出同时为1,使G4的两个输入同时为1,此时会在G4的输出产生一个短暂的0脉冲。,在组合逻辑电路中,当输入信号变化时,由于所经路径不同,产生延时不同,导致的其后某个门电路的两个输入端发生有先有后的变化,称为竞争。由于竞争而使电路的输出端产生尖峰脉冲,从而导致后级电路产生错误动作的现象称为冒险。产生0尖峰脉冲的称为0型冒险,产生1尖峰脉冲的称为1型冒险。,2.竞争-冒险的判断 判断一个组合逻辑电路是否存在竞争-冒险有两种常用的方法:代数法和卡诺图法。1)代数法 在一个组合逻辑电路中,如果某个门电路的输出表达式在一定条件下简化为 或 的形式,而式中的A和 是变量A经过不同传输途径来的,则该电路存在竞

24、争-冒险现象。存在0型冒险 存在1型冒险,【例2.7】判断图220所示的逻辑电路是否存在冒险。解:从逻辑图可以写出如下逻辑表达式:从表达式可以看出,当B=0、C=D=1时,。因此,该电路存在0型冒险。,图220 例2.7的逻辑图,图221 例2.8的逻辑图,【例2.8】判断图221所示的逻辑电路是否存在冒险。解:从逻辑图可以写出如下逻辑表达式:从表达式可以得到,当B=1、C=0时,。因此,该电路存在1型冒险。,2)卡诺图法 如果逻辑函数对应的卡诺图中存在相切的圈,而相切的两个方格又没有同时被另一个圈包含,则当变量组合在相切方格之间变化时,存在竞争-冒险现象。,【例2.9】判断实现逻辑表达式 的

25、电路是否存在冒险。解:画出Z的卡诺图如图222所示。从卡诺图中可以看出：1号圈中编号1的方格和2号圈中编号5的方格相切而且没有同时被另一个圈包含；另外,1号圈中编号3的方格和3号圈中编号11的方格相切而且也没有同时被另一个圈包含。因此,当变量组合在编号1方格和编号5方格之间变化或在编号3方格和编号11方格之间变化时,存在冒险现象。两种情况对应的变量组合如下:,在编号1方格和编号5方格中,A=0、C=0、D=1、B变化。在编号3方格和编号11方格中,B=0、C=1、D=1、A变化。用与非门实现的电路逻辑图如图223所示。,图222 Z的卡诺图,图223 例2.9的逻辑图,3.竞争-冒险现象的消除

26、方法 消除组合逻辑电路中竞争-冒险现象的常用方法有:滤波法、脉冲选通法和修改设计法。1)滤波法 滤波法是在门电路的输出端接上一个滤波电容,将尖峰脉冲的幅度削减至门电路的阈值电压以下,如图224所示。由于竞争-冒险产生的尖峰脉冲很窄,所以通常接一个大约几百皮法的小电容即可。这种方法很简单,但会使波形变坏。,图2-24 用滤波电容消除竞争冒险现象,2)脉冲选通法 脉冲选通法是在电路中加入一个选通脉冲,在确定电路进入稳定状态后,才让电路输出选通,否则封锁电路输出,如图225所示。,图225 用选通脉冲消除竞争冒险现象,图226 用增加冗余项消除竞争冒险现象,3)修改设计法（1）代数法。如前面图219

27、的分析所示,对于逻辑表达式,当B=C=1时,存在竞争-冒险现象。利用逻辑代数公式,可以增加冗余项BC,使,图226是按照增加冗余项后的逻辑表达式实现的电路。当B=C=1时,由于G5的输出保持为0,因此,即使A发生变化,G4的输出亦恒定为1。,图227 例2.10的卡诺图,（2）卡诺图法。我们知道,当逻辑函数对应的卡诺图中存在相切的圈,而相切的两个方格又没有同时被另一个圈包含,则当变量组合在相切方格之间变化时,存在竞争-冒险现象。因而，通过增加由这两个相切方格组成的圈,就可以消除竞争-冒险现象。,【例2.10】修改图223所示的电路,消除竞争-冒险现象。解:从卡诺图222可以看出,要消除竞争-冒险现象,需要增加由编号1方格和编号5方格组成的圈以及由编号3方格和编号11方格组成的圈,如图227所示。这样,得到的表达式如下:,图228 例2.10的逻辑图,