数字电子技术基础第3章数字电子技术基础.ppt
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1、(3-1),数字电子技术基础,(3-2),第3章 组合逻辑电路,(3-3),第3章 组合逻辑电路,概述3.1 组合电路的基本分析方法和设计方法3.2 加法器和数值比较器3.3 编码器和译码器3.4 数据选择器和分配器3.5 用中规模集成电路实现组合逻辑函数3.6 只读存储器3.7 组合电路中的竞争冒险,(3-4),一、组合逻辑电路的特点逻辑功能的特点:任意时刻的稳定输出仅仅取决于当时的输入信号,而与电路原来的状态无关。组合逻辑电路的一般结构如图所示。,组合逻辑电路的概述,电路结构的特点:1、由门电路组合而成,不包含任何记忆元件;2、信号是单向传输的,不存在输出到输入的反馈回路。,数字逻辑电路分
2、为组合逻辑电路和时序逻辑电路,(3-5),二、组合电路逻辑功能的表示方法 用来表示逻辑函数的几种方法逻辑图、真值表、卡诺图、逻辑表达式及时间图等,都可以用来表示组合电路的逻辑功能。,三、组合逻辑电路的分类 1、按照逻辑功能特点不同划分:加法器、比较器、编码器、译码器、数据选择器和分配器、只读存储器等。2、按照使用基本开关元件不同划分:CMOS、TTL等。3、按照集成度不同划分:SSI(Small Scale IC,小规模集成电路)、MSI(Medium Scale IC,中规模集成电路)、LSI(Large Scale IC,大规模集成电路)、VLSI(Very Large Scale IC,
3、超大规模集成电路)等。,(3-6),3.1 组合电路的基本分析方法和设计方法,一、分析方法 根据给定的逻辑图写出输出函数的逻辑表达式。化简逻辑表达式,求出输出函数的最简与或表达式。列出输出函数的真值表。描述电路的逻辑功能。,所谓组合逻辑电路的分析,就是根据给定的逻辑电路图,求出电路的逻辑功能。,3.1.1 组合电路的基本分析方法,给定组合逻辑电路,写输出逻辑表达式,化简,分析其功能,列出真值表,分析其功能,(3-7),二、分析举例:,解:、根据逻辑图写输出逻辑表达式并化简,1:组合逻辑电路如图,试分析其逻辑功能。,、根据逻辑表达式列真值表,、由真值表分析逻辑功能,当AB相同时,输出为0,当AB
4、相异时,输出为1,异或功能。,(3-8),分析举例2:分析图中所示电路的逻辑功能,输入信号A、B、C、D是一组二进制代码。,解,1.逐级写输出函数的逻辑表达式,W,X,3.列真值表,A B C D,A B C D,Y,Y,0 0 0 0,0 0 0 1,0 0 1 0,0 0 1 1,0 1 0 0,0 1 0 1,0 1 1 0,0 1 1 1,1 0 0 0,1 0 0 1,1 0 1 0,1 0 1 1,1 1 0 0,1 1 0 1,1 1 1 0,1 1 1 1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0,4.功能说明:,当输入四位代码中 1 的个数为奇数时输出为
5、 1,为偶数时输出为 0 检奇电路。,(3-9),解:、根据逻辑图写输出逻辑表达式,练习:1、组合逻辑电路如图,试分析其逻辑功能。,、化简逻辑表达式,电路的输出Y只与输入A、B有关,而与输入C无关。Y和A、B的逻辑关系为与非运算的关系。,、电路的逻辑功能,(3-10),2:试分析图示电路的逻辑功能。,解:第一步:由逻辑图可以写输出F的逻辑表达式为:,(3-11),第二步:原式可变换为,第四步:确定电路的逻辑功能。由真值表可知,三个变量输入,只有两个及两个以上变量取值为1时,输出才为1。可见电路可实现多数表决逻辑功能。,第三步:列出真值表如表所示。,(3-12),3.1.2 组合电路的基本设计方
6、法,一、设计方法 根据要求,设计出适合需要的组合逻辑电路应该遵循的基本步骤,可以大致归纳如下:1、进行逻辑抽象 分析设计要求,确定输入、输出信号及它们之间的因果关系。设定变量,即用英文字母表示有关输入、输出信号,表示输入信号者称为输入变量,有时也简称为变量,表示输出信号者称为输出变量,有时也称为输出函数或简称函数。,组合逻辑功辑电路的设计是根据给定的实际逻辑问题,求出实现其逻辑功能的逻辑电路。,(3-13),状态赋值,即用0和1表示信号的有关状态。列真值表。根据因果关系,把变量的各种取值和相应的函数值,以表格形式一一列出,而变量取值顺序则常按二进制数递增排列,也可按循环码排列。2、进行化简 输
7、入变量比较少时,可以用卡诺图化简。输入变量比较多用卡诺图化简不方便时,可以用公式法化简。3、画逻辑图 变换最简与或表达式,根据所用元器件(分立元件 或 集成芯片)的情况将函数式进行化简。求出所需要的最简式。根据最简式画出逻辑图。,(3-14),二、设计举例,例1:试设计一个三人多数表决电路,要求提案通过时输出为1,否则为0。,解:分析:“多数表决电路”是按照少数服从多数的原则对某项决议进行表决,确定是否通过。令 逻辑变量A、B、C 分别代表参加表决的3个成员,并约定逻辑变量取值为0表示反对,取值为1表示赞成;逻辑函数Y表示表决结果。Y取值为0表示决议被否定,Y取值为1表示决议通过。按照少数服从
8、多数的原则可知,函数和变量的关系是:当3个变量A、B、C中有2个或2个以上取值为1时,函数Y的值为1,其他情况下函数Y的值为0。,(3-15),1、列真值表,2、由真值表可写出:Y(A,B,C)=m(3,5,6,7),3、填卡诺图化简逻辑函数,4、输出函数式,Y=AB+BC+AC,5、用与门、或门设计电路,6、用与非门设计电路,思考:若只用二输入与非门设计电路,如何画逻辑图?,提示:,的形式画逻辑图。,将函数式化为,(3-16),首先确定输入变量:,设:A,B,C为输入变量分别代表参加表决的逻辑变量,Y为输出变量,表示输出结果。,规定:A,B,C为1表示赞成,为0表示反对。Y=1表示通过,Y=
9、0 表示反对。,AB,AC,第二步:函数化简,第三步:画逻辑电路图,解:第一步:列真值表,真值表,例2:设计一个三变量表决器,其中A具有否决权。,(3-17),例3:设计一个楼上、楼下开关的控制逻辑电路来控制楼梯上的路灯,使之在上楼前,用楼下开关打开电灯,上楼后,用楼上开关关灭电灯;或者在下楼前,用楼上开关打开电灯,下楼后,用楼下开关关灭电灯。,解:设定变量和状态赋值:设楼上开关为A,楼下开关为B,灯泡为Y。并设A、B闭合时为1,断开时为0;灯亮时Y为1,灯灭时Y为0。列真值表:根据逻辑要求列出真值表如下。逻辑表达式:由真值表得逻辑逻辑表达式,已为最简与或表达式,(3-18),画逻辑电路图:,
10、用与非门实现,用异或门实现,(3-19),例4:设计一个路灯控制电路,要求实现的功能是:当总电源开关闭合时,安装在三个不同地方的三个开关都能独立地将灯打开或熄灭;当总电源开关断开时,路灯不亮。,解:逻辑抽象 输入、输出信号:输入信号是四个开关的状态,输出信号是路灯的亮、灭。设定变量用S表示总电源开关,用A、B、C表示安装在三个不同地方的分开关,用Y表示路灯。状态赋值:用0表示开关断开和灯灭,用1表示开关闭合和灯亮。,(3-20),列真值表:由题意不难理解,一般地说,四个开关是不会在同一时刻动作的,反映在真值表中任何时刻都只会有一个变量改变取值,因此按循环码排列变量S、A、B、C的取值较好,如右
11、表所示。,进行化简 由下图所示Y的卡诺图可得,(3-21),画逻辑图 用异或门和与门实现。变换表达式,逻辑图:如下图所示。,(3-22),练习:设计一个监视交通信号灯工作状态的逻辑电路。正常情况下,红、黄、绿灯只有一个亮,否则视为故障状态,发出报警信号,提醒有关人员修理。,解 1.逻辑抽象,输入变量:,1-亮,0-灭,输出变量:,R(红)Y(黄)G(绿),Z(有无故障),1-有,0-无,列真值表,R Y G,Z,0 0 0,0 0 1,0 1 0,0 1 1,1 0 0,1 0 1,1 1 0,1 1 1,1,0,0,1,0,1,1,1,2.卡诺图化简,R,YG,0,1,00,01,11,10
12、,1,1,1,1,1,(3-23),练习:设计一个监视交通信号灯工作状态的逻辑电路。正常情况下,红、黄、绿只有一个亮,否则视为故障状态,发出报警信号,提醒有关人员修理。,解,3.画逻辑图,(3-24),作业题P225 题3.1(a)P226 题3.5,(3-25),3.2 加法器和数值比较器,3.2.1 加法器,一、半加器和全加器,1.半加器(Half Adder),两个 1 位二进制数相加,不考虑来自低位的进位。,0 0,0 1,1 0,1 1,0 0,1 0,1 0,0 1,真值表,函数式,Ai+Bi=Si(和)Ci(进位),(3-26),逻辑图,曾用符号,国标符号,半加器(Half Ad
13、der),函数式,(3-27),2.全加器(Full Adder),两个 1 位二进制数相加,考虑来自低位的进位。,Ai+Bi+Ci-1(来自低位进位)=Si(和)Ci(向高位进位),1 0 1 1,-A,1 1 1 0,-B,+,-来自低位进位,1,0,0,1,0,1,1,1,1,真值表,标准与或式,0 0,1 0,1 0,0 1,1 0,0 1,0 1,1 1,-S,高位进位,(3-28),卡诺图,全加器(Full Adder),Ai,BiCi-1,0,1,00,01,11,10,1,1,1,1,Ai,BiCi-1,0,1,00,01,11,10,1,1,1,1,圈“0”,最简与或式,圈“
14、1”,(3-29),逻辑图,(a)用与门、或门和非门实现,曾用符号,国标符号,(3-30),(b)用与或非门和非门实现,(3-31),3.集成全加器,TTL:74LS183,CMOS:C661,双全加器,(3-32),二、加法器(Adder),实现多位二进制数相加的电路,1.四位串行进位加法器,特点:,电路简单,连接方便,速度低=4 tpd,tpd 1位全加器的平均 传输延迟时间,(3-33),2.超前进位加法器,作加法运算时,各位数的进位信号由输入二进制数直接产生。,特点,优点:速度快,缺点:电路比较复杂,(3-34),逻辑结构示意图,(3-35),3.2.2 数值比较器(Digital C
15、omparator),一、1 位数值比较器,0 0,0 1,1 0,1 1,0 1 0,0 0 1,1 0 0,0 1 0,真值表,函数式,逻辑图,用与非门和非门实现,Ai Bi,Li Gi Mi,=Ai Bi,(3-36),二、4 位数值比较器,A=A3A2A1A0,A B,L=1,A=B,M=1,A B,G=1,真值表,B=B3B2B1B0,(3-37),G=(A3B3)(A2B2)(A1B1)(A0B0),4 位数值比较器,1 位数值比较器,(3-38),扩展:,级联输入,集成数值比较器 74LS85(TTL),两片 4 位数值比较器,比较输出,8 位数值比较器,低位比较结果,高位比较结
16、果,FAB,FAB,B7 A7 B6 A6 B5 A5 B4 A4,B3 A3 B2 A2 B1 A1 B0 A0,(3-39),4 位集成数值比较器的真值表,级联输入:供扩展使用,一般接低位芯片的比较输出,即 接低位芯片的 FA B。,(3-40),CMOS 芯片设置 A B 只是为了电路对称,不起判断作用,B7 A7 B6 A6 B5 A5 B4 A4,FAB,B3 A3 B2 A2 B1 A1 B0 A0,FAB,集成数值比较器 CC15485(CMOS),扩展:,两片4 位 8 位,低位比较结果,高位比较结果,(3-41),3.3 编码器和译码器,3.3.1 编码器(Encoder),
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- 数字 电子技术 基础
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