电工技术下教学课件第20章门电路和组合逻辑电路.ppt

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1、第20章 门电路和组合逻辑电路,20.1 脉冲信号,20.2 基本门电路及其组合,20.5 逻辑代数,20.4 CMOS门电路,20.3 TTL门电路,20.6 组合逻辑电路的分析与综合,20.7 加法器,20.8 编码器,20.9 译码器和数字显示,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函数;,第20章 门电路和组合逻辑电路,模拟信号：随时间

2、连续变化的信号,20.1 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,20.2 基本门电路及其组合,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。,20.2.1 逻辑门电路的基本概念,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

3、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,B,Y,A,状态表,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,状态表,1,1,1,0,3.“非”逻辑关系,“非”逻辑关系是否定或相反的意思。,Y,220V,A,+,-,R,由电子电路实现逻辑运算时，它的输入和输出信号都是用电位（或称电平）的高低表示的。高电平和低电平都不是一个固定的数值，而是有一定的变化范围。,门电路是用以实现逻辑关系的电子电路，与前面所

4、讲过的基本逻辑关系相对应。,门电路主要有：与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门等。,分立元件基本逻辑门电路,20.2 基本门电路及其组合,电平的高低一般用“1”和“0”两种状态区别，若规定高电平为“1”，低电平为“0”则称为正逻辑。反之则称为负逻辑。若无特殊说明，均采用正逻辑。,1,0,高电平,低电平,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,0V,3V,1.二极管“与”门电路,即：有“0”出“0”，全“1”出“1”,2.二极管“或”门电路,(1)电路,0V,3V,3V,

5、(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”门电路,即：有“1”出“1”，全“0”出“0”,3.晶体管“非”门电路,“0”,“1”,(1)电路,“0”,“1”,1.与非门电路,“非”门,基本逻辑门电路的组合,2.或非门电路,基本逻辑门电路的组合,例：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”,&,A,3.与或非门电路,基本逻辑门电路的组合,逻辑表达式：,逻辑符号,20.3 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

6、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。,20.3.1 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,饱和,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,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”,流过 E结的电流为正向电流,5V,“与非”逻辑关系,“与非”门,74LS00、74LS20管

7、脚排列示意图,(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,a.输出高电平电压UOH和输出低电平电压UOL,UO/V,Ui/V,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 8。,b.扇出系数NO,c.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

8、出波形uO,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输入高电平电流；而当某一输入端接低电平、其余输入端接高电平时，从该输入端流出的电流称为输入低电平电流,d.输入高电平电流IIH和输入低电平电流IIL,20.3.2 三态输出“与非”门,“1”,1.电路,截止,20.3.2 三态输出“与非”门,“0”,1.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,20.3.2 三态输出“与非”门,功能表,可实现用一条总线分时传送几个不同的数据或控制信号。,20.4.1 CMOS 非门电路Complementary Metal O

9、xide Semiconductor,20.4 CMOS门电路,CMOS 管,负载管,驱动管,(互补对称管),A=“1”时，T1导通，T2截止，Y=“0”,A=“0”时，T1截止，T2导通，Y=“1”,T4 与 T3 并联，T1 与 T2 串联；,当 AB 都是高电平时,T1 与 T2 同时导通，T4 与 T3 同时截止；输出 Y 为低电平。,当AB中有一个是低电平时，T1与T2中有一个截止，T4与T3中有一个导通,输出Y 为高电平。,20.4.2 CMOS与非门电路,1.电路,2.工作原理,当 AB 中有一个是高电平时，T1 与 T2 中有一个导通，T4 与 T3 中有一个截止，输出 Y 为

10、低电平。,当AB都是低电平时，T1 与 T2 同时截止，T4 与 T3 同时导通；输出 Y 为高电平。,20.4.3 CMOS或非门电路,1.电路,2.工作原理,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,20.5 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

11、表示两种相互对立的逻辑状态。,逻辑代数所表示的是逻辑关系，而不是数量关系。这是它与普通代数的本质区别。,1.常量与变量的关系,20.5.1 逻辑代数运算法则,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,列状态表证明：,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,20.5.2 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

12、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、B、C代表三个开关（输入变量）；Y代表灯（输出变量）。,1.列逻辑状态表,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)由逻辑状态表写出逻辑式,各组合之间是“或”关系,2.逻辑式,反之，也可由逻辑式列出状态表。,3.逻辑图,20.5.3 逻辑函数的化简,例1：,化简,1.应用逻辑代数运算法则化简,（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

13、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和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)根据状态表画出卡诺图,如:,将输出变量为“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,

14、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7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6.应用卡诺图化简逻辑函数,(1),(2),把上行两角圈在一起，下行两角圈在一起,解：,写出简化逻辑式,1,例7

15、.应用卡诺图化简逻辑函数,1,20.6 组合逻辑电路的分析与综合,组合逻辑电路框图,20.6.1 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)列逻辑状态表,(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)列逻辑状态表,逻辑式,(1)写出逻辑式,例 2：分析下图的逻辑功能,化简,(2)列逻辑状态表,(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”(“同或门”),可用于判断各输入端的状态是否相同。,逻辑式,

16、20.6.2 组合逻辑电路的综合,设计步骤如下：,例1：设计一个三人(A、B、C)表决电路。每人有一按键，如果赞同，按键，表示“1”；如不赞同，不按键，表示“0”。表决结果用指示灯表示，多数赞同，灯亮为“1”，反之灯不亮为“0”。,(1)列逻辑状态表,(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“与”关系,各组合之间是“或”关系,三人表决电路,例2：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)列逻辑状态表,(2)写出逻辑表达式,

17、(3)用“与非”门构成逻辑电路,解：,(4)逻辑图,Y,C,B,A,0,1,0,1,0,例 3: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)根据逻辑要求列状态表,首先假设逻辑变量、逻辑函数取“0”、“1”的含义。,逻辑要求：如果一个车间开工，只需G2运行即可满足要求；

18、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)根据逻辑要求列状态表,(2)由状态表写出逻辑式,(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,20.7 加法器,20.7.1 二进制,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，采用二进制。,二进制：0，1两

19、个数码，“逢二进一”。,20.7.2 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：,半加器逻辑状态表,逻辑表达式,20.7.3 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)列逻辑状态表,(2)写出逻辑式,20.8 编码器,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,20.8.1 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)

20、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。,解：,(2)列编码表：,(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,20.8.2 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

21、中任何十种状态都可以表示09十个数码，最常用的是8421码。,8421BCD码编码表,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，而对其它优先级别低的信号不予理睬。,20.8.3 优先编码器,74LS4147 编码器功能表,20.9 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。,20.9.1 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,20.9.2 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,