《电工电子技术》全套课件第9章门电路与组合逻辑电路.ppt
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1、第9章 门电路与组合逻辑电路,9.1 数字电路概述,9.2 逻辑代数与逻辑函数,9.3 逻辑门电路,9.4 逻辑门电路的分析和设计,9.5 常用的组合逻辑模块,了解数字电路和数字信号的特点。了解二进制的数制系统。掌握与、或、非三种基本逻辑运算以及与非门、异或门等常用的逻辑门的逻辑功能。了解逻辑代数的基本运算法则和基本定律。掌握应用逻辑代数运算法则和卡诺图进行化简的方法。掌握几种逻辑函数表示形式之间的转换方法。了解分立元件构成的门电路的特点。了解集成逻辑门电路的特点和多余输入端、输出端的处理方法。掌握组合逻辑电路的分析和设计的方法。熟练掌握常用的组合逻辑模块的工作原理和使用方法。,学习目标,9.
2、1 数字电路概述,电子电路中的信号,模拟信号,数字信号,随时间连续变化的信号,时间和幅度都是离散的,不连续变化的,如:正弦波、锯齿波信号等,如:脉冲信号等,模拟信号:,正弦波信号,锯齿波信号,研究模拟信号时,我们注重电路输入、输出信号间的大小、相位关系。相应的电子电路就是模拟电路,包括交直流放大器、滤波器、信号发生器等。,1.脉冲信号的参数,A,tW,tf,tr,脉冲幅度:A,脉冲宽度:tW,脉冲前沿:tr,脉冲后沿:tf,脉冲周期:T,脉冲频率:f=1/T,T,0.9 A,0.5 A,0.1 A,实际脉冲信号,9.1.1 脉冲信号和数字信号,数字电路中的信号是脉冲信号。,正脉冲:,跃变后的电
3、位比跃变前高,0V,3V,(-3V),(0V),负脉冲:,跃变后的电位比跃变前低,0V,-3V,(3V),(0V),2、正、负脉冲信号,脉冲信号,脉冲信号,3、数字信号,可用两种逻辑电平0和1来描述的信号。,正负逻辑,这里的0和1只表示两个对立的逻辑状态,不表示具体的数值,如电位的低高(0表示低电位,1表示高电位)、开关的开合等。,研究数字电路时注重电路输出、输入间的逻辑关系,因此不能采用模拟电路的分析方法。主要的工具是逻辑代数,电路的功能用逻辑状态表(真值表)、逻辑表达式及波形图表示。,在数字电路中,三极管工作在开关状态,即工作在饱和和截止状态。,K开-Uo=1,输出高电平K合-Uo=0,输
4、出低电平,可用三极管代替,三极管的开关特性:,截止,饱和,在数字电路中,一般用高电平代表1、低电平代表0,即所谓的正逻辑系统。,只要能判断高低电平即可,十进制:,以十为基数的计数体制,表示数的十个数码:,0、1、2、3、4、5、6、7、8、9,遵循逢十进一的规律,157,=,常用数制,9.1.2 二进制,位权:10n,一个十进制数数 N可以表示成:,若在数字电路中采用十进制,必须要有十个电路状态与十个记数码相对应。这样将在技术上带来许多困难,而且很不经济。,二进制:,以二为基数的计数体制,表示数的两个数码:,0、1,遵循逢二进一的规律,(1001)B=,=(9)D,位权:2n,优缺点,用电路的
5、两个状态-开、关来表示二进制数,数码的存储和传输简单、可靠。,位数较多,使用不便;不合人们的习惯,输入时将十进制转换成二进制,运算结果输出时再转换成十进制数。,十六进制,二进制与十进制之间的转换,二进制转换为十进制,按权展开,(1011)B=,=(11)D,十进制转换为二进制,求商取余,(25)D=(11001)B,十进制与二进制之间的转换,可以用二除十进制数,余数是二进制数的第0位(K0),然后依次用二除所得的商,余数依次是第一位(K1)、第二位(K2)、。,转换过程:,(25)D=(11001)B,高位,低位,二十进制(BCD码):,用二进制码表示的十进制数:,09十个状态,用四位二进制码
6、表示一位十进制数:,2,1,0,3,4,十六进制与二进制之间的转换,(0101 1001)B=,027+1 26+0 25+1 24+1 23+0 22+0 21+1 20D,=,(023+1 22+0 21+1 20)161+(1 23+0 22+0 21+1 20)160D,=(59)H,每四位2进制数对应一位16进制数,二进制转换为十六进制:,B=,从末位开始四位一组,(1001 1100 1011 0100 1000)B=,=(9CB48)H,十六进制转换为二进制呢?,9.2 逻辑代数和逻辑函数,逻辑代数,在数字电路中,我们要研究的是电路的输入输出之间的逻辑关系,所以数字电路又称逻辑电
7、路,相应的研究工具是逻辑代数(布尔代数)。,在逻辑代数中,逻辑函数的变量只能取两个值(二值变量),即0和1,中间值没有意义,这里的0和1只表示两个对立的逻辑状态,如电位的低高(0表示低电位,1表示高电位)、开关的开合、电灯的亮、灭等。,(1)“与”逻辑运算和与门,A、B、C都具备时,事件F才发生。,设,开关闭为“1”,开关开为“0”,灯亮为“1”,不亮为“0”,则A、B、C与灯F的关系为“与”逻辑,与逻辑,1.基本逻辑运算及其表示方法,F=ABC,逻辑式,逻辑状态表,全1出1,有0出0,逻辑符号,二极管与门电路,(2)“或”逻辑运算和或门,A、B、C只有一个具备时,事件F就发生。,开关闭为“1
8、”,开关开为“0”,灯亮为“1”,不亮为“0”,则A、B、C与灯F的关系为“或”逻辑,或逻辑,F=A+B+C,或逻辑式,逻辑状态表,全0出0,有1出1,逻辑符号,二极管或门电路,(3)“非”逻辑运算和非门,A具备时,事件F不发生;A不具备时,事件F发生。,非逻辑,开关闭为“1”,开关开为“0”,灯亮为“1”,灯不亮为“0”,则开关A与灯F的关系为“非”逻辑,逻辑式,逻辑状态表,有1出0,有0出1,逻辑符号,三极管非门电路,限幅二极管,反相器,A+0=A A+1=1 A 0=0 A=0 A 1=A,所以,可以得到以下逻辑运算:,0 0=0 1=1 0=0,1 1=1,0+0=0,0+1=1+0=
9、1+1=1,2.逻辑代数的基本定律,基本运算法则,逻辑代数的基本定律,交换律,结合律,分配律,A+B=B+A,A B=B A,A+(B+C)=(A+B)+C=(A+C)+B,A(B C)=(A B)C,A(B+C)=A B+A C,A+B C=(A+B)(A+C),A+AB=A,证明:,A+AB=A(1+B)=A1=A,利用运算规则可以对逻辑式进行化简。,例如:,吸收律,(原变量的吸收),(反变量的吸收),证明:,例如:,吸收律,可以用列真值表的方法证明:,反演律(狄摩根定理),思考:三个变量时是否成立?,3.几种常用的逻辑运算,“与”、“或”、“非”是三种基本的逻辑关系,任何其它的逻辑关系都
10、可以以它们为基础表示。,与非门,或非门,9.2.2 逻辑函数及其表示法,1、逻辑函数,如果以逻辑变量作为输入,以运算结果作为输出,那么输入变量取值确定后,输出的取值随之确定。任何一个具体的逻辑因果关系都可以用一个确定的逻辑函数来描述。,2、逻辑函数的表示法,逻辑表达式,把逻辑函数的输入、输出关系写成与、或、非等逻辑运算的组合式,即逻辑代数式,称为逻辑表达式,我们通常采用“与或”的形式。,比如:,逻辑图,把相应的逻辑关系用逻辑符号和连线表示出来。,F=AB+CD,逻辑表达式与逻辑图的转换,逻辑状态表,将输入、输出的所有可能状态一一对应地列出,n个变量可以有2n个组合,一般按二进制的顺序,输出与输
11、入状态一一对应,列出所有可能的状态。,F=,+,+,+,3.逻辑函数表示形式的变换,(1)由真值表转换到与或表达式,第1步:取真值表中函数值为“1”的每一组变量写成乘积项第2步:乘积项中变量为1,取原变量,变量为0,取反变量,第3步:将各项写成“或”的形式,(2)由逻辑表达式转换到真值表,第1步:把逻辑表达式中变量的各种取值组合有序地添入真值表中;(有n个变量时,变量的取值组合有2n个),A,B,F,0,1,1,0,第2步:计算出变量的各种取值组合对应的函数值,并填入表中。,(3)逻辑表达式与逻辑图的转换,前面已经提到,在此不再重复,9.2.3 逻辑函数的化简,在实现同一逻辑功能的前提下,逻辑
12、式越简单,则需要门的数量越少,电路越简单。所以逻辑式的化简是分析和设计逻辑电路必不可少的步骤。,化简:,(1)根据逻辑代数的运算法则将逻辑式的项数减少,将每一项中的变量减少。,(2)根据要求将逻辑式转换为需要的逻辑运算形式。如:“与非与非表达式”。,例1:,反演,1应用逻辑代数运算法则化简,例2:,?,AB=AC,A+B=A+C,请注意与普通代数的区别!,用与非门实现下列逻辑关系,画出逻辑图,=,=,F,例3,把逻辑函数的输入、输出关系写成与、或、非等逻辑运算的组合式,即逻辑代数式,称为逻辑函数式,我们通常采用“与或”的形式。,比如:,若表达式中的乘积包含了所有变量的原变量或反变量,则这一项称
13、为最小项,上式中每一项都是最小项。,若两个最小项只有一个变量以原、反区别,称它们逻辑相邻。,2、应用卡诺图化简,(1)最小项与逻辑相邻,逻辑相邻的项可以合并,消去一个因子,(2)卡诺图,所谓卡诺图,就是和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。,n个输入变量有 2n 个最小项,卡诺图也就有 2n 个小方格,在卡诺图的行和列分别标出变量及其状态,注意:,变量状态的次序是00,01,11,10,画法:,根据逻辑式或真值表画出卡诺图,将逻辑式中的最小项或真值表中取“1”的最小项用“1”填入卡诺图中相应的小方格内。,逻辑式原变量为“1”;反变量为“0”,将卡诺图中所有取值为
14、“1”的相邻小方格圈成矩形或方形,然后合并化简。,(3)应用卡诺图化简,化简的原则:,方法:,2、圈的个数应尽可能的少,圈内的小方格应尽可能多。圈内小方格的个数应为2n个。,4、圈内相邻的2n项可以合并为一项,并消去n个因子。,1、相邻的小方格包括最上行与最下行、最左列与最右列、同行(列)两端的两个小方格。,保留相同变量,省略不同变量;“1”为原变量,“0”为反变量;然后各乘积项相加,3、新圈必须包含至少一个在已圈过的圈中没出现过的取值为“1”的小方格。,例4:,00 01 11 10,01,1,1,1,1,例5:,00 01 11 10,00011110,逻辑表达式不是最小项的形式,化成最小
15、项后,再画卡诺图,1 1 1 11 1 1 1,1 1 1 1,11,例6:,00 01 11 10,01,1,1,1,1,根据下面的真值表画出卡诺图,0 0 0 0,0 0 1 0,0 1 0 0,0 1 1 1,1 0 0 0,1 0 1 1,1 1 0 1,1 1 1 1,例7:,F=,例8:,根据下面的真值表画出卡诺图并化简,F=,例9:,1,1,1,1,Y=,例10:,1 1 1 11 1 1 1,1 1 1 1,11,Y=,逻辑门电路,门电路是用以实现逻辑关系的电子电路。门电路主要有:与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门等。,9.3 逻辑门电路,9.3.1 分立元件门电路,分立
16、元件门电路缺点,1、体积大、工作不可靠。,2、需要不同电源。,3、各种门的输入、输出电平不匹配。,集成门电路,与分立元件门电路相比,集成电路具有体积小、可靠性高、速度快、耗电小的特点,而且输入、输出电平匹配,所以早已广泛采用。根据电路内部的结构,可分为DTL、TTL、HTL、MOS管集成门电路。,1.TTL门电路,9.3.2 集成逻辑门电路,TTL与非门的外形,GND,VCC,四2输入与非门,1)电压传输特性,TTL与非门的特性和技术参数,测试电路,UOL,(0.3V),传输特性曲线,UOL,(0.3V),阈值UT=1.4V,理想的传输特性,输出高电平,输出低电平,(1)输出高电平UOH、输出
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