门电路与组合电路.ppt

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1、第14章 门电路和组合逻辑电路,14.1 脉冲信号,14.2 基本门电路及其组合,14.5 逻辑代数,14.4 MOS门电路,14.3 TTL门电路,14.6 组合逻辑电路的分析与综合,14.7 加法器,14.8 编码器,14.9 译码器和数字显示,14.10 数据分配器和数据选择器,14.11 应用举例,1.掌握基本门电路的逻辑功能、逻辑符号、真值表和逻辑表达式。了解 TTL门电路、CMOS门电路的特点。,3.会分析和设计简单的组合逻辑电路。,理解加法器、编码器、译码器等常用组合逻辑 电路的工作原理和功能。,5.学会数字集成电路的使用方法。,本章要求：,2.会用逻辑代数的基本运算法则化简逻辑

2、函数。,第14章 门电路和组合逻辑电路,模拟信号：随时间连续变化的信号,14.1 脉冲信号,1.模拟信号,2.脉冲信号 是一种跃变信号，并且持续时间短暂。,如：,脉冲幅度 A,脉冲上升沿 tr,脉冲周期 T,脉冲下降沿 tf,脉冲宽度 tp,脉冲信号的部分参数：,实际的矩形波,14.2 基本门电路及其组合,（1）二极管的开关特性,相当于开关断开,相当于开关闭合,3V,0V,3V,0V,复习,（2）三极管的开关特性,3V,0V,uO 0,相当于开关断开,相当于开关闭合,uO UCC,3V,0V,14.2.1 门电路的基本概念,逻辑门电路是数字电路中最基本的逻辑元件。所谓门就是一种开关，它能按照一

3、定的条件去控制信号的通过或不通过。门电路的输入和输出之间存在一定的逻辑关系(因果关系)，所以门电路又称为逻辑门电路。,基本逻辑关系为“与”、“或”、“非”三种。,下面通过例子说明逻辑电路的概念及“与”、“或”、“非”的意义。,设：开关断开、灯不亮用逻辑“0”表示，开关闭合、灯亮用 逻辑“1”表示。,逻辑表达式：Y=A B,（1）“与”逻辑关系,“与”逻辑关系是指当决定某事件的条件全部具备时，该事件才发生。,0,1,0,0,B,Y,A,真值表,（2）“或”逻辑关系,“或”逻辑关系是指当决定某事件的条件之一具备时，该事件就发生。,逻辑表达式：Y=A+B,真值表,1,1,1,0,（3）“非”逻辑关系

4、,“非”逻辑关系是否定或相反的意思。,真值表,1,0,1,A,Y,0,1.二极管“与”门电路,(1)电路,(2)工作原理,输入A、B、C全为高电平“1”，输出 Y 为“1”。,输入A、B、C不全为“1”，输出 Y 为“0”。,0V,A,B,Y,C,“与”门真值表,0V,3V,14.2.2 分立元件基本逻辑门电路,1.二极管“与”门电路,即：有“0”出“0”，全“1”出“1”,逻辑表达式：,逻辑符号：,2.二极管“或”门电路,(1)电路,0V,3V,3V,(2)工作原理,输入A、B、C全为低电平“0”，输出 Y 为“0”。,输入A、B、C有一个为“1”，输出 Y 为“1”。,2.二极管“或”门电

5、路,即：有“1”出“1”，全“0”出“0”,3.三极管“非”门电路,“0”,“1”,(1)电路,“0”,“1”,(2)工作原理,输入A为“0”，输出 Y 为“1”。,输入A为“1”，输出 Y 为“0”。,1.“与非”门电路,有“0”出“1”，全“1”出“0”,14.2.3 基本逻辑门电路的组合,2.“或非”门电路,有“1”出“0”，全“0”出“1”,3.“与或非”门电路,“与”门,“或”门,“非”门,任一“与”项为“1”，结果为“0”所有“与”项均为“0”，结果为“1”,.“异或”门电路和“同或”门电路,相异为“1”，相同为“0”,“异或”门电路,“同或”门电路,相同为“1”，相异为“0”,例

6、：根据输入波形画出输出波形,A,B,有“0”出“0”，全“1”出“1”,有“1”出“1”，全“0”出“0”,14.3 TTL门电路,(三极管三极管逻辑门电路),TTL门电路是双极型集成电路，与分立元件相比，具有速度快、可靠性高和微型化等优点，目前分立元件电路已被集成电路替代。下面介绍集成“与非”门电路的工作原理、特性和参数。,14.3.1 TTL“与非”门电路,1.电路,多发射极三极管,(1)输入全为高电平“1”(3.6V)时,2.工作原理,4.3V,T2、T5饱和导通,钳位2.1V,E结反偏,截止,负载电流（灌电流）,输入全高“1”,输出为低“0”,1V,2.工作原理,1V,T2、T5截止,

7、负载电流（拉电流）,(2)输入端有任一低电平“0”(0.3V),输入有低“0”输出为高“1”,5V,“与非”逻辑关系,Y=A B C,逻辑表达式：,“与非”门,(1)电压传输特性：,输出电压 UO与输入电压 Ui的关系。,3.TTL“与非”门特性及参数,电压传输特性,测试电路,C,D,E,(2)TTL“与非”门的参数,电压传输特性,典型值3.6V，2.4V为合格,典型值0.3V，0.4V为合格,输出高电平电压UOH,输出低电平电压UOL,输出高电平电压UOH和输出低电平电压UOL,A,B,D,E,低电平噪声容限电压UNL保证输出高电平电压不低于额定值90%的条件下所允许叠加在输入低电平电压上的

8、最大噪声（或干扰）电压。UNL=UOFF UIL,允许叠加干扰,定量说明门电路抗干扰能力,UOFF,UOFF是保证输出为额定高电平的90%时所对应的最大输入低电平电压。,0.9UOH,输入低电平电压UIL,0,1,2,3,1,2,3,4,Ui/V,UO/V,输入高电平电压UIH,高电平噪声容限电压UNH保证输出低电平电压的条件下所允许叠加在输入高 电平电压上的最大噪声（或干扰）电压。UNH=UIHUON,允许叠加干扰,定量说明门电路抗干扰能力,UON,UON是保证输出为额定低电平时所对应的最小输入高电平电压。,指一个“与非”门能带同类门的最大数目，它表示带负载的能力。对于TTL“与非”门 NO

9、 8。,输入高电平电流 IIH和输入低电平电流 IIL,当某一输入端接高电平，其余输入端接低电 平时，流入该输入端的电流，称为高电平输入电流 IIH（A）。,当某一输入端接低电平，其余输入端接高电平时，流出该输入端的电流，称为低电平输入电流 IIL（mA）。,扇出系数NO,1,0,当某一输入端接低电平，其余输入端接高电平时，流出该输入端的电流，称为低电平输入电流 IIL（mA）。,若要保证输出为高电平，则对电阻值有限制R IIL UNL,平均传输延迟时间 tpd,tpd1,tpd2,TTL的 tpd 约在 10ns 40ns，此值愈小愈好。,输入波形ui,输出波形uO,14.3.2 三态输出“

10、与非”门,“1”,电路,截止,14.3.2 三态输出“与非”门,“0”,电路,导通,当控制端为低电平“0”时，输出 Y处于开路状态，也称为高阻状态。,0 高阻,表示任意态,14.3.2 三态输出“与非”门,三态门应用：,可实现用一条总线分时传送几个不同的数据或控制信号。,电路,14.3.3 集电极开路“与非”门电路(OC门),OC门的特点：,1.输出端可直接驱动负载,2.几个输出端可直接相联,“0”,“0”,OC门的特点：,1.输出端可直接驱动负载,2.几个输出端可直接相联,“1”,“线与”功能,0,14.4.1 CMOS“非”门电路,CMOS 管,负载管,驱动管,(互补对称管),A=“1”时

11、，T1导通，T2截止，Y=“0”,A=“0”时，T1截止，T2导通，Y=“1”,14.4 CMOS门电路,14.4.2 CMOS“与非”门电路,(串联),(并联),14.4.3 CMOS“或非”门电路,(串联),(并联),（1）电路,（2）工作原理,设：,可见ui在010V连续变化时，至少有一个管子导通，传输门打开，（相当于开关接通）ui可传输到输出端，即uO=ui，所以COMS传输门可以传输模拟信号，也称为模拟开关。,（07V）,导通,（310V）,导通,14.4.4 CMOS传输门电路,可见ui在010V连续变化时，两管子均截止，传输门关断，（相当于开关断开）ui不能传输到输出端。,（01

12、0V）,14.4.4 CMOS传输门电路,开关电路,14.4.4 CMOS传输门电路,CMOS电路优点,(1)静态功耗低（每门只有0.01mW,TTL每门10mW),(2)抗干扰能力强,(3)扇出系数大,(4)允许电源电压范围宽(3 18V),(1)速度快,(2)抗干扰能力强,(3)带负载能力强,14.5 逻辑代数,逻辑代数（又称布尔代数），它是分析设计逻辑电路的数学工具。虽然它和普通代数一样也用字母表示变量，但变量的取值只有“0”，“1”两种，分别称为逻辑“0”和逻辑“1”。这里“0”和“1”并不表示数量的大小，而是表示两种相互对立的逻辑状态。,1.常量与变量的关系,14.5.1 逻辑代数运

13、算法则,2.逻辑代数的基本运算法则,自等律,0-1律,重叠律,还原律,互补律,交换律,2.逻辑代数的基本运算法则,普通代数不适用！,证:,结合律,分配律,A+1=1,反演律,列真值表证明：,对偶关系：将某逻辑表达式中的与()换成或(+)，或(+)换成与()，得到一个新的逻辑表达式，即为原逻辑式的对偶式。若原逻辑恒等式成立，则其对偶式也成立。,证明：,A+AB=A,14.5.2 逻辑函数的表示方法,下面举例说明这四种表示方法。,例：有一T形走廊，在相会处有一路灯，在进入走廊的A、B、C三地各有控制开关，都能独立进行控制。任意闭合一个开关，灯亮；任意闭合两个开关，灯灭；三个开关同时闭合，灯亮。设A

14、、B、C代表三个开关（输入变量）；Y代表灯（输出变量）。,1.列真值表,2.逻辑式,取 Y=“1”(或Y=“0”)列逻辑式,用“与”“或”“非”等运算来表达逻辑函数的表达式。,(1)由真值表写出逻辑式,各组合之间是“或”关系,2.逻辑式,反之，也可由逻辑式列出真值表。,3.逻辑图,14.5.3 逻辑函数的化简,1.用“与非”门构成基本门电路,(2)应用“与非”门构成“或”门电路,(1)应用“与非”门构成“与”门电路,由逻辑代数运算法则：,由逻辑代数运算法则：,(3)应用“与非”门构成“非”门电路,(4)用“与非”门构成“或非”门,由逻辑代数运算法则：,例1：,化简,2.应用逻辑代数运算法则化简

15、,（1）并项法,（2）配项法,例3：,化简,（3）加项法,（4）吸收法,吸收,例5：,化简,吸收,吸收,吸收,吸收,3.应用卡诺图化简,卡诺图:是“与”变量的最小项对应的按一定规则排列的方格图，每一小方格填入一个最小项。,（1）最小项：对于 n个输入变量有2n种组合,其相应的乘积项也有2n个，则每一个乘积项就称为一个最小项。其特点是每个输入变量均在其中以原变量或反变量形式出现一次，且仅一次。,如：三个变量，有8种组合，最小项就是8个，卡诺图也相应有8个小方格。,在卡诺图的行和列分别标出变量及其状态。,(2)卡诺图,二进制数对应的十进制数编号,(2)卡诺图,（a)根据真值表画出卡诺图,如:,将输

16、出变量为“1”的填入对应的小方格,为“0”的可不填。,(2)卡诺图,（b)根据逻辑式画出卡诺图,将逻辑式中的最小项分别用“1”填入对应的小方格。如果逻辑式中最小项不全，可不填。,如:,注意：如果逻辑式不是由最小项构成，一般应先化为最小项，或按例8方法填写。,(3)应用卡诺图化简逻辑函数,解：,(a)将取值为“1”的相邻小方格圈成圈，,(b)所圈取值为“1”的相邻小方格的个数应为2n，(n=0,1,2),(3)应用卡诺图化简逻辑函数,解：,三个圈最小项分别为：,合并最小项,写出简化逻辑式,卡诺图化简法：保留一个圈内最小项的相同变量，而消去相反变量。,解：,写出简化逻辑式,多余,例7.应用卡诺图化

17、简逻辑函数,(1),(2),解：,写出简化逻辑式,1,例8.应用卡诺图化简逻辑函数,1,14.6 组合逻辑电路的分析与综合,组合逻辑电路框图,14.6.1 组合逻辑电路的分析,(1)由逻辑图写出输出端的逻辑表达式,(2)运用逻辑代数化简或变换,(3)列出真值表,(4)分析逻辑功能,已知逻辑电路,确定,逻辑功能,分析步骤：,例 1：分析下图的逻辑功能,(1)写出逻辑表达式,(2)应用逻辑代数化简,反演律,反演律,(3)列真值表,逻辑式,(1)写出逻辑式,例 2：分析下图的逻辑功能,.,化简,(2)列真值表,(3)分析逻辑功能 输入相同输出为“1”,输入相异输出为“0”,称为“判一致电路”(“同或

18、门”),可用于判断各输入端的状态是否相同。,逻辑式,例3：分析下图的逻辑功能,Y,&,&,1,.,B,A,&,C,1,0,1,A,设：C=1,封锁,打开,选通A信号,B,Y,&,&,1,.,B,A,&,C,0,1,设：C=0,封锁,选通B信号,打开,例 3：分析下图的逻辑功能,14.6.2 组合逻辑电路的综合,设计步骤如下：,例1：设计一个三变量奇偶检验器。要求:当输入变量A、B、C中有奇数个同时为“1”时，输出为“1”，否则为“0”。用“与非”门实现。,(1)列真值表,(2)写出逻辑表达式,取 Y=“1”(或Y=“0”)列逻辑式,(3)用“与非”门构成逻辑电路,在一种组合中，各输入变量之间是

19、“与”关系,各组合之间是“或”关系,由卡图诺可知，该函数不可化简。,(4)逻辑图,Y,C,B,A,0,1,0,1,0,例 2:某工厂有A、B、C三个车间和一个自备电站，站内有两台发电机G1和G2。G1的容量是G2的两倍。如果一个车间开工，只需G2运行即可满足要求；如果两个车间开工，只需G1运行，如果三个车间同时开工，则G1和 G2均需运行。试画出控制G1和 G2运行的逻辑图。,设：A、B、C分别表示三个车间的开工状态：开工为“1”，不开工为“0”；G1和 G2运行为“1”，不运行为“0”。,(1)根据逻辑要求列真值表,首先假设逻辑变量、逻辑函数取“0”、“1”的含义。,逻辑要求：如果一个车间开

20、工，只需G2运行即可满足要求；如果两个车间开工，只需G1运行，如果三个车间同时开工，则G1和 G2均需运行。,开工,“1”,不开工,“0”,运行,“1”,不运行,“0”,(1)根据逻辑要求列真值表,(2)由真值表写出逻辑式,或由卡图诺可得相同结果,(3)化简逻辑式可得：,(4)用“与非”门构成逻辑电路,(5)画出逻辑图,14.7 加法器,十进制：09十个数码，“逢十进一”。,在数字电路中，常用的组合电路有加法器、编码器、译码器、数据分配器和多路选择器等。下面几节分别介绍这几种典型组合逻辑电路的基本结构、工作原理和使用方法。,在数字电路中，为了把电路的两个状态(“1”态和“0”态)与数码对应起来

21、，采用二进制。,二进制：0，1两个数码，“逢二进一”。,14.7.1 二进制,二进制数与十进制数对照,0 0 1 10 11 100 101 110 111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111,14.7 加法器,加法器:实现二进制加法运算的电路,进位,不考虑低位来的进位,要考虑低位来的进位,14.7.2 半加器,半加：实现两个一位二进制数相加，不考虑来自低位的进位。,逻辑符号：,半加器：,逻辑表达式,14.7.3 全加器,全加：实现两个一位二进制数相加，且考虑来自低位的进位。,逻辑符号：,全加器：,(1)列真值表,(2)写出逻辑式,14.8 编码器,

22、把二进制码按一定规律编排，使每组代码具有一特定的含义，称为编码。具有编码功能的逻辑电路称为编码器。,n 位二进制代码有 2n 种组合，可以表示 2n 个信息。,要表示N个信息所需的二进制代码应满足 2n N,14.8.1 二进制编码器,将输入信号编成二进制代码的电路。,2n个,n位,(1)分析要求：输入有8个信号，即 N=8，根据 2n N 的关系，即 n=3，即输出为三位二进制代码。,例：设计一个编码器，满足以下要求：(1)将 I0、I1、I7 8个信号编成二进制代码。(2)编码器每次只能对一个信号进行编码，不 允许两个或两个以上的信号同时有效。(3)设输入信号高电平有效。,(2)列编码表：

23、,(3)写出逻辑式并转换成“与非”式,Y2=I4+I5+I6+I7,Y1=I2+I3+I6+I7,Y0=I1+I3+I5+I7,(4)画出逻辑图,将十进制数 09 编成二进制代码的电路,14.8.2 二 十进制编码器,表示十进制数,列编码表：四位二进制代码可以表示十六种不同的状态，其中任何十种状态都可以表示09十个数码，最常用的是8421码。,写出逻辑式并化成“或非”门和“与非”门,画出逻辑图,法二：,十键8421码编码器的逻辑图,当有两个或两个以上的信号同时输入编码电路，电路只能对其中一个优先级别高的信号进行编码。,即允许几个信号同时有效，但电路只对其中优先级别高的信号进行编码，而对其它优先

24、级别低的信号不予理睬。,14.8.3 优先编码器,CT74LS4147 编码器功能表,例:CT74LS147集成优先编码器(10线-4线),T4147引脚图,低电平有效,14.9 译码器和数字显示,译码是编码的反过程，它是将代码的组合译成一个特定的输出信号。,14.9.1 二进制译码器,状 态 表,例：三位二进制译码器（输出高电平有效）,写出逻辑表达式,逻辑图,例：利用译码器分时将采样数据送入计算机,总线,译码器工作,工作原理：(以A0A1=00为例),0,总线,2-4线译码器,A,B,C,D,三态门,三态门,脱离总线,全为“1”,工作原理：(以A0A1=00为例),0,脱离总线,全为“1”,

25、双 2/4 线译码器,A0、A1是输入端,CT74LS139型译码器,二-十进制显示译码器,在数字电路中，常常需要把运算结果用十进制 数显示出来，这就要用显示译码器。,1 1 0 1 1 0 1,低电平时发光,高电平时发光,2.七段译码显示器,七段显示译码器状态表,动画,14.10 数据分配器和数据选择器,在数字电路中，当需要进行远距离多路数字传输时，为了减少传输线的数目，发送端常通过一条公共传输线，用多路选择器分时发送数据到接收端，接收端利用多路分配器分时将数据分配给各路接收端，其原理如图所示。,使能端,多路选择器,多路分配器,14.10.1 数据选择器,从多路数据中选择其中所需要的一路数据

26、输出。,例：四选一数据选择器,输出数据,使能端,1,1,&,1,1,1,&,&,&,1,Y,D0,D1,D2,D3,A0,A1,1,0,0,“与”门被封锁，选择器不工作。,CT74LS153型4选1数据选择器,1,1,&,1,1,1,&,&,&,1,Y,D0,D1,D2,D3,A0,A1,0,1,“与”门打开，选择器工作。,由控制端决定选择哪一路数据输出。,选中,D0,CT74LS153型4选1数据选择器,动画,由逻辑图写出逻辑表达式,多路选择器广泛应用于多路模拟量的采集及 A/D 转换器中。,用2片CT74LS153多路选择器选择8路信号,若A2A1A0=010,输出选中1D2路的数据信号。

27、,A0,A1,A2,用2片CT74LS151型8选1数据选择器构成具有16选1功能的数据选择器,CT74LS151功能表,例:,用CT74LS151型8选1数据选择器实现逻辑函数式 Y=AB+BC+CA,解：将逻辑函数式用最小项表示,将输入变量A、B、C分别对应地接到数据选择器的选择端A2、A1、A0。由状态表可知,将数据输入端D3、D5、D6、D7 接“1”，其余输入端接“0”，即可实现输出Y，如图所示。,将输入变量A、B、C分别对应地接到数据选择器的选择端 A2、A1、A0。由状态表可知,将数据输入端D3、D5、D6、D7 接“1”,其余输入端接“0”,即可实现输出Y,如图所示。,CT74

28、LS151功能表,14.10.2 数据分配器,将一个数据分时分送到多个输出端输出。,数据输入,使能端,D,Y0,Y1,Y2,Y3,S,数据输出端,确定芯片是否工作,数据分配器的功能表,Y3 Y2 Y1 Y0,14.11 应用举例,14.11.1 交通信号灯故障检测电路,交通信号灯在正常情况下，红灯(R)亮停车，,黄灯(Y)亮准备，绿灯(G)亮通行。正常时，只有一个灯亮。如果灯全不亮或全亮或两个灯同时亮，都是故障。,解：,灯亮“1”表示，灯灭“0”表示，,故障“1”表示，正常“0”表示，,输入信号三个，输出信号一个,动画,(1)列逻辑状态表,(2)写出逻辑表达式,(3)化简可得:,为减少所用门数,将上式变换为:,(4)画逻辑图,发生故障时，F=1，晶体管导通,继电器KA通电，其触点闭合,故障指示灯亮。,