《组合逻辑电路》PPT课件.ppt

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1、1,逻辑电路按照逻辑功能的不同可分为两大类：一类是组合逻辑电路（简称组合电路）,另一类是时序逻辑电路（简称时序电路）。所谓组合电路是指电路在任一时刻的输出状态只与同一时刻各输入状态的组合有关，而与前一时刻的输出状态无关。组合电路的示意图如图3.1所示。,第 3章 组合逻辑电路3.1概述,2,组合逻辑电路的特点：（）输出、输入之间没有反馈延迟通路。（）电路中不含记忆元件。,图 3.1 组合电路示意图,3,3.2 组合逻辑电路的分析方法和设计方法,组合逻辑电路的分析方法 分析组合逻辑电路的目的是为了确定已知电路的逻辑功能,或者检查电路设计是否合理。组合逻辑电路的分析步骤如下：(1）根据已知的逻辑图

2、，从输入到输出逐级写出逻辑函数表达式。(2）利用公式法或卡诺图法化简逻辑函数表达式。(3）列真值表,确定其逻辑功能。,4,（2）化简,（3）例真值表：如表31所示,图 3.2 例 1 的逻辑电路,例 1 分析如图3.2所示组合逻辑电路的功能。解,5,表 3.1 例1的真值表,6,由表3.1可知，若输入两个或者两个以上的1(或0),输出Y为1(或0),此电路在实际应用中可作为多数表决电路使用。例 2分析如图所示组合逻辑电路的功能。解(1)写出如下逻辑表达式:,图 3.3.2例2 的逻辑电路,7,（）确定逻辑功能:从逻辑表达式可以看出，电路具有“异或”功能。,(2)化简,8,组合逻辑电路设计的目的

3、是根据功能要求设计最佳电路。组合逻辑电路的设计步骤分为四步:（1）根据设计要求,确定输入、输出变量的个数,并对它们进行逻辑赋值(即确定0和1代表的含义。)（）根据逻辑功能要求列出真值表。表达式。（）根据要求画出逻辑图。,3.2.2 组合逻辑电路的设计方法,9,例 3有三个班学生上自习，大教室能容纳两个班学生，小教室能容纳一个班学生。设计两个教室是否开灯的逻辑控制电路，要求如下：(1)一个班学生上自习，开小教室的灯。(2)两个班上自习，开大教室的灯。(3)三个班上自习，两教室均开灯。解（）确定输入、输出变量的个数:根据电路要求，设输入变量、分别表示三个班学生是否上自习,1表示上自习,表示不上自习

4、；输出变量、分别表示大教室、小教室的灯是否亮,表示亮,表示灭。,10,表 3.2例 3 的真值表,（）列真值表：如表3.2所示。,11,()画逻辑图:逻辑电路图如图3.5(a)所示。若要求用T与非门，实现该设计电路的设计步骤如下：首先,将化简后的与或逻辑表达式转换为与非形式；然后再画出如图.(b)所示的逻辑图；最后，画出用与非门实现的组合逻辑电路。,（）化简:利用卡诺图化简,如图3.4所示可得:,12,图 3.4 例 3 的卡诺图,13,14,图 3.5例 3 的逻辑图,(a)直接实现；,(b)用与非门实现,15,3.3常用的组合电路,编码器 所谓编码就是将特定含义的输入信号（文字、数字、符号

5、）转换成二进制代码的过程。实现编码操作的数字电路称为编码器。按照编码方式不同，编码器可分为普通编码器和优先编码器;按照输出代码种类的不同，可分为二进制编码器和非二进制编码器。,16,1.二进制编码器 若输入信号的个数N与输出变量的位数n满足n,此电路称为二进制编码器。任何时刻只能对其中一个输入信息进行编码,即输入的N个信号是互相排斥的,它属于普通编码器。若编码器输入为四个信号，输出为两位代码，则称为4线-2线编码器（或/线编码器）,17,例 4设计一个4线 2线的编码器。解（）确定输入、输出变量个数:由题意知输入为I0、I1、I2、I3四个信息，输出为Y0、Y1，当对Ii编码时为1，不编码为0

6、，并依此按Ii下角标的值与Y0、Y1二进制代码的值相对应进行编码。（）列编码表：如表3.3所示。（）化简,18,图 3.6 4线 2线编码器,（）画编码器电路如图.6所示,19,2.非二进制编码器(以二-十进制编码器为例)二-十进制编码器是指用四位二进制代码表示一位十进制数的编码电路，也称0线线编码器。,表 3.3 编码表,20,最常见是8421 BCD码编码器，如图3.7所示。其中,输入信号I0I9代表09共10个十进制信号，输出信号Y0Y3为相应二进制代码。由图3.7可以写出各输出逻辑函数式为:,21,表3.4 8421 BCD码编码器功能表,根据逻辑函数式列出功能表如表3.4所示。,22

7、,3.优先编码器 优先编码器是当多个输入端同时有信号时，电路只对其中优先级别最高的信号进行编码。例 5电话室有三种电话，按由高到低优先级排序依次是火警电话，急救电话，工作电话，要求电话编码依次为00、01、10。试设计电话编码控制电路。解（）根据题意知，同一时间电话室只能处理一部电话，假如用A、B、C分别代表火警、急救、工作三种电话，设电话铃响用1表示，铃没响用0表示。当优先级别高的信号有效时，低级别的则不起作用，这时用表示；用Y1,Y2表示输出编码。,23,表3.5 例5的真值表,（）写逻辑表达式,（）列真值表:真值表如表.5所示。,24,（）画优先编码器逻辑图如图3.8所示。,图3.8 例

8、5的优先编码逻辑图,25,4 集成编码器 10线 4线集成优先编码器常见型号为54/74147、54/74LS147，8线 3线常见型号为54/74148、54/74LS148。1.优先编码器 74LS148 74LS148是8线 3线优先编码器,如图3.9所示。图中,I0I7为输入信号端,是使能输入端,是三个输出端,和是用于扩展功能的输出端。74LS148的功能如表3.6所示。,26,图 3.9 74LS148优先编码器（a）符号图；(b)管脚图,27,表 3.6 优先编码器74LS148的功能表,28,在表3.6中，输入I0I7低电平有效，I7为最高优先级，I0为最低优先级。即只要=0，不

9、管其他输入端是0还是1，输出只对I7编码，且对应的输出为反码有效，=000。为使能输入端,只有=0时编码器工作,=1时编码器不工作。为使能输出端。当=0允许工作时，如果 端有信号输入,=1;若 端无信号输入时，=0。为扩展输出端，当=0时，只要有编码信号，就是低电平。,29,图 3.10 16线4线优先编码器,2.优先编码器74LS148的扩展 用74LS148优先编码器可以多级连接进行扩展功能,如用两块74LS148可以扩展成为一个16线4线优先编码器,如图3.10所示。,30,根据图3.10进行分析可以看出,高位片S1=0允许对输入I8 I15编码，YS1=1，S2=1，则高位片编码，低位

10、片禁止编码。但若I8I15都是高电平，即均无编码请求，则YS1=0允许低位片对输入I0I7编码。显然，高位片的编码级别优先于低位片。,31,3.优先编码器74LS148的应用 74LS148编码器的应用是非常广泛的。例如，常用计算机键盘，其内部就是一个字符编码器。它将键盘上的大、小写英文字母和数字及符号还包括一些功能键（回车、空格）等编成一系列的七位二进制数码，送到计算机的中央处理单元CPU，然后再进行处理、存储、输出到显示器或打印机上。还可以用74LS148编码器监控炉罐的温度，若其中任何一个炉温超过标准温度或低于标准温度，则检测传感器输出一个0电平到74LS148编码器的输入端，编码器编码

11、后输出三位二进制代码到微处理器进行控制。,32,译码器,一、概述 译码是编码的逆过程，即将每一组输入二进制代码“翻译”成为一个特定的输出信号。实现译码功能的数字电路称为译码器。译码器分为变量译码器和显示译码器。变量译码器有二进制译码器和非二进制译码器。显示译码器按显示材料分为荧光、发光二极管译码器、液晶显示译码器;按显示内容分为文字、数字、符号译码器。,33,二、集成译码器 1.二进制译码器（变量译码器）变量译码器种类很多。常用的有：TTL系列中的54/74HC138、54/74LS138；CMOS系列中的54/74HC138、54/74HCT138等。图3.12所示为74LS138的符号图、

12、管脚图，其逻辑功能表如表3.8所示。,34,图3.12 74LS138符号图和管脚图(a)符号图;(b)管脚图,35,表3.8 74LS138译码器功能表,36,由功能表3.8可知，它能译出三个输入变量的全部状态。该译码器设置了E1，E2A，E2B三个使能输入端,当E1为1且E2A和E2B均为0时,译码器处于工作状态，否则译码器不工作。2.非二进制译码器 非二进制译码器种类很多,其中二-十进制译码器应用较广泛。二-十进制译码器常用型号有:TTL系列的54/7442、54/74LS42和CMOS系列中的54/74HC42、54/74HCT42等。图3.13所示为74LS42的符号图和管脚图。该译

13、码器有A0A3四个输入端,Y0Y9共10个输出端,简称4线-10线译码器。74LS42的逻辑功能表如表3.9所示。,37,图 3.13 74LS42二 十进制译码器(a)符号图;（b）管脚图,38,表3.9 74LS42二-十进制译码器功能表,39,由表3.9知，Y0输出为Y0=当 A3A2A1A0=0000时，输出Y0=0。它对应的十进制数为0。其余输出依次类推。3.显示译码器 显示译码器常见的是数字显示电路,它通常由译码器、驱动器和显示器等部分组成。1)显示器件 数码显示器按显示方式有分段式、字形重叠式、点阵式。其中，七段显示器应用最普遍。图3.14(a)所示的半导体发光二极管显示器是数字

14、电路中使用最多的显示器，它有共阳极和共阴极两种接法。共阳极接法(图3.14(c)是各发光二极管阳极相接，对应极接低电平时亮。图3.14(b)所示为发光二极管的共阴极接法，共阴极接法是各发光二极管的阴极相接，对应极接高电平时亮。,40,图 3.14 半导体显示器（a）管脚排列图;(b)共阴极接线图;(c)共阳级接线图,41,2）集成电路74LS48 如图3.16为显示译码器74LS48的管脚排列图，表3.10所示为74LS48的逻辑功能表，它有三个辅助控制端、。,图 3.15七段数字显示器发光段组合图,42,图 3.16 74LS48的管脚排列图,43,表 3.10 74LS48显示译码器的功能

15、表,44,续表（2）,45,为试灯输入：当=0时，=1时，若七段均完好，显示字形是“8”，该输入端常用于检查74LS48显示器的好坏;当=1时，译码器方可进行译码显示。用来动态灭零，当=1时，且=0，输入A3A2A1A0=0000时，则=0使数字符的各段熄灭；-为灭灯输入/灭灯输出，当=0时不管输入如何,数码管不显示数字;为控制低位灭零信号,当=1时,说明本位处于显示状态;若=0,且低位为零,则低位零被熄灭。,46,三、译码器的应用 变量以阿米的每个输出端都表示一个最小项，利用这个特点，可以实现逻辑函数。例 6 用一个3线-8线译码器实现函数 解 如表38所示，当E1接+5V,E2A和E2B接

16、地时。得到对应个输入端的输出Y：,47,可见，用3线-8线译码器再加上一个与非门就可实现函数Y，其逻辑图如图3 17所示.,若将输入变量A、B、C分别代替A2、A1、A0,则可到函数,48,图 3.17 例6的逻辑图,49,译码器的扩展 例7用两片74LS138实现一个4线CD*216线译码器。利用译码器的使能端作为高位输入端如图3.18所示,当A3=0时,由表3.8可知，低位片74LS138工作，对输入A3、A2、A1、A0进行译码，还原出Y0Y7,则高位禁止工作；当A3=1时，高位片74LS138工作，还原出Y8Y15，而低位片禁止工作。,50,图3.18 例7的连接图,51,【思考题】1

17、.什么是译码？译码器的分类？2.译码器扩展时S1和S2、S3如何连接？,52,3.3.3 数据选择器,图3.19数据选择器示意图,1.数据选择器 数据选择器按要求从多路输入选择一路输出，根据输入端的个数分为四选一、八选一等等。其功能如图3.19所示的单刀多掷开关。,53,如图3.20所示是四选一选择器的逻辑图和符号图。其中,A1、A0为控制数据准确传送的地址输入信号,D0D3供选择的电路并行输入信号,为选通端或使能端，低电平有效。当=1时，选择器不工作，禁止数据输入。=0时，选择器正常工作允许数据选通。由图3.20可写出四选一数据选择器输出逻辑表达式 由逻辑表达式可列出功能表如表3.11所示。

18、,54,&,1,1,1,1,A,0,A,1,E,D,1,D,0,D,2,D,3,Y,四选,一,A,1,A,0,E,D,0,D,1,D,2,D,3,(,a,),(,b,),Y,图3.20四选一数据选择器(a)逻辑图;(b)符号图,55,2.集成数据选择器电路 74LS151是一种典型的集成电路数据选择器。如图3.21所示是74LS151的管脚排列图。它有三个地址端A2A1A0。可选择D0D7八个数据，具有两个互补输出端W和。其功能如表3.12所示。,表3.11 四选一功能表,56,图 3.21 74LS151数据选择器（a）符号图;(b)管脚图,57,表3.12 74LS151的功能表,58,3

19、.数据选择器的扩展 例 8 用两片74LS151连接成一个十六选一的数据选解十六选一的数据选择器的地址输入端有四位，最高位A3的输入可以由两片八选一数据选择器的使能端接非门来实现，低三位地址输入端由两片74LS151的地址输入端相连而成，连接图如图3.22所示。当A3=0时,由表3.12知,低位片4LS151工作,根据地址控制信号A3A2A1A0选择数据D0D7输出；A3=1时,高位片工作,选择D8D15进行输出。,59,图 3.22 例8的连接图,60,4.数据选择器的应用 利用数据选择器，当使能端有效时，将地址输入、数据输入代替逻辑函数中的变量实现逻辑函数。例 9 试用八选一数据选择器74

20、LS151产生逻辑函数 解 把逻辑函数变换成最小项表达式：,61,若将式中A2、A1、A0用A、B、C来代替,D0=D1=D3=D6=1,D2=D4=D5=D7=0，画出该逻辑函数的逻辑图，如图3.23所示。,八选一数据选择器的输出逻辑函数表达式为,62,图3.23 例9的逻辑图,63,则有：D0=D1=D2=D4=0 D3=D5=D6=D7=1,例10 用数据选择器实现三变量多数表决器。解三变量多数表决器在例1中已分析,其逻辑表达式为 Y=AB+BC+AC,64,画出逻辑图如图3.24所示,图3.24 例10的逻辑图,65,3.3.4 加法器,一、半加器 半加器是只考虑两个加数本身，而不考虑

21、来自低位进位的逻辑电路。设计一位二进制半加器,输入变量有两个，分别为加数A和被加数B;输出也有两个，分别为和数S和进位C。列真值表如表3.15所示。,66,由真值表写逻辑表达式：S=C=AB 画出逻辑图如图3.30所示，,表 3.15 半加器的真值表,67,图 3.30 半加器(a)逻辑图；(b)逻辑符号,68,二 全加器 全加器是完成两个二进制数Ai和Bi及相邻低位的进位Ci-1相加的逻辑电路。设计一个全加器，其中，i 和i分别是被加数和加数，i-1为相邻低位的进位，i为本位的和，i为本位的进位。全加器的真值表如表3.16所示。,69,表 3.16 全加器的真值表,70,由真值表写出逻辑表达

22、式,71,图3.31 全加器（a）逻辑图;（b）逻辑符号,图3.31是全加器的逻辑图和逻辑符号。在图3.33(b)的逻辑符号中，CI是进位输入端，CO是进位输出端。,72,多位数相加时，要考虑进位,进位的方式有串行进位和超前进位两种。可以采用全加器并行相加串行进位的方式来完成，图3.32是一个四位串行进位加法器。,图3.32 四位串行进位加法器,三、多位加法器,73,四 集成算术/逻辑运算单元 集成算术/逻辑运算单元（AIU）能够完成一系列算术运算和逻辑运算。74LS381是四位算术逻辑运算单元，管脚图如图3.33所示,A和B是预定的输入状态，根据输入信号S2S0选择八种不同的功能。74LS3

23、81的功能表如表3.17所示。,74,图3.33 74LS381算术逻辑运算单元（a）符号图;（b）管脚图,75,表3.17 74LS381的功能表,76,3.3.5 数 字 比 较 器,一、数字比较器的定义及功能 在数字系统中,特别是在计算机中,经常需要比较两个数A和B的大小,数字比较器就是对两个位数相同的二进制数A、B进行比较，其结果有AB、AB和AB三种可能性。设计比较两个一位二进制数A和B大小的数字电路，输入变量是两个比较数和，输出变量YAB、YAB、YAB分别表示AB、AB和AB三种比较结果，其真值表如表3.13所示。,77,根据真值表写出逻辑表达式：YAB=A YAB=B YA=B

24、=AB+=由逻辑表达式画出逻辑图如图3.27所示。,表3.13 一位数字比较器的真值表,78,图 3.27 一位数据比较器,79,二、集成数字比较器 1.集成数字比较器74LS85 集成数字比较器74LS85是四位数字比较器，其管脚排列图如图3.28所示。,图3.28 74LS85管脚排列图,80,A、B为数据输入端；它有三个级联输入端：IAB、IAB、IAB，表示低四位比较的结果输入；它有三个级联输出端：FAB、FAB、FAB，表示末级比较结果的输出。其功能表如表3.1所示。从表中可以看出，若比较两个四位二进制数A（A3A2A1A0）和B（B3B2B1B0）的大小,从最高位开始进行比较，如果

25、A3B3，则A一定大于B;反之,若A3B3，则一定有A小于B；若A3B3，则比较次高位A2和B2,依此类推直到比较到最低位，若各位均相等，则A=B。,81,表3.14 四位数字比较器功能表,82,2.数字比较器的扩展 74LS85数字比较器的串级输入端IAB、IAB、IAB是为了扩大比较器功能设置的,当不需要扩大比较位数时,IAB、IAB接低电平,IAB接高电平；若需要扩大比较器的位数时,只要将低位的FAB、FAB和FAB分别接高位相应的串接输入端IAB、IAB、IAB即可。用两片74LS85组成八位数字比较器的电路如图3.2所示。,83,图 3.29 两片74LS85扩展连接图,84,【思考

26、题】74LS85的三个输入端IAB、IAB、IAB有什么作用？,85,3.4组合逻辑电路中的竞争与冒险现象,1.产生竞争和冒险的原因 组合电路中，若某个变量通过两条以上途径到达输入端，由于每条路径上的延迟时间不同，到达逻辑门的时间就有先有后，这种现象称为竞争。由于竞争，就有可能使真值表描述的逻辑关系受到短暂的破坏，在输出端产生错误结果，这种现象称为冒险。如图3.34所示，其逻辑表达式Y=，由于D1的延迟,的输入要滞后于A的输入，致使D2的输出出现一个高电平窄脉冲，如图3.35所示。,86,图3.34 逻辑图,87,3.35 波形图,88,2.冒险的分类 如图3.35所示出现高电平窄脉冲，这种冒

27、险也称为“1”型冒险。使输出出现低电平窄脉冲，这种冒险称为“”型冒险。3.判断冒险的方法（1）代数法。可以用公式法判断是否有冒险,例如Y=AC+B，其中C有原变量和反变量，改变A、B的取值判断是否出现冒险。A=1，B=1时，Y=C+有“0”型冒险。因此，Y=AC+B会出现“0”型冒险。,89,（2）卡诺图法。如图3.3所示,图中的卡诺圈相切则有竞争冒险,如圈“1”则为“0”型冒险,而圈“0”则为“1”型冒险，当卡诺圈相交或相离时均无竞争冒险产生。,36 卡诺图,90,.消除竞争冒险的方法（）增加乘积项。例如:与或表达式Y=AB+C中,当A=1，C=1时,Y=B+,此时若直接连成逻辑电路，可能存

28、在“0”型冒险。可以在该式中增加多余项，变换为Y=AB+C+AC，当A=C=1时，Y=1，克服了“”型冒险。,91,图3.37 并联电容电路图,（）输出端并联电容器。如果逻辑电路在较慢速度下工作，为了消去竞争冒险，可以在输出端并联一个电容器，如图3.37所示。由于加电容会影响电路的工作速度，故电容量的选取要合适，通常靠试验来调试确定。,92,【思考题】1.什么是竞争？什么是冒险？2.克服竞争、冒险的方法有哪些？,93,本章小结,1.组合逻辑电路的特点是：任何时刻的输出仅取决于该时刻的输入，而与电路原来的状态无关；它是由若干逻辑门组成。2.组合逻辑电路的分析方法：写出逻辑表达式化简和变换逻辑表达

29、式列出真值表确定功能。3.组合逻辑电路的设计方法：列出真值表写出逻辑表达式逻辑化简和变换画出逻辑图。,94,4.本章着重介绍了具有特定功能常用的一些组合逻辑电路，如编码器、译码器、数据选择器和数据分配器、比较器、全加器等，介绍了它们的逻辑功能、集成芯片及集成电路的扩展和应用。其中,编码器和译码器功能相反，都设有使能控制端，便于多片连接扩展;数据选择器和分配器功能相反，用数据选择器可实现逻辑函数及组合逻辑电路;数字比较器用来比较数的大小;加法器用来实现算术运算。,95,习 题,图题 3.1,3.1试分析图题3.1所示各组合逻辑电路的逻辑功能。,96,3.2 试分析图题3.2所示各组合逻辑电路的逻

30、辑功能，写出函数表达式。,97,3.3 采用与非门设计下列逻辑电路：（1）三变量非一致电路；（2）三变量判奇电路(含1的个数)；（3）三变量多数表决电路。3.4 有一个车间，有红、黄两个故障指示灯，用来表示三台设备的工作情况。当有一台设备出现故障时，黄灯亮；若有两台设备出现故障时，红灯亮；若三台设备都出现故障时，红灯、黄灯都亮。试用与非门设计一个控制灯亮的逻辑电路。,98,3.5 A、B、C和D四人在同一实验室工作，他们之间的工作关系是：（1）A到实验室，就可以工作；（2）B必须C到实验室后才有工作可做；（3）D只有A在实验室才可以工作。请将实验室中没人工作这一事件用逻辑表达式表达出来。3.6

31、 设计用单刀双掷开关来控制楼梯照明灯的电路。要求在楼下开灯后，可在楼上关灯；同样也可在楼上开灯，而在楼下关灯。用与非门实现上述逻辑功能。,99,3.7 旅客列车分特快、直快、慢车等三种。它们的优先顺序由高到低依次是特快、直快、慢车。试设计一个列车从车站开出的逻辑电路。3.8 用8线-3线优先编码器148和门电路组成二-十进制编码器。3.9 用与非门设计一个七段显示译码器,要求能显示H、F、E、L四个符号。3.10 试设计一个8421 BCD码的七段显示译码电路。,100,3.11 用译码器实现下列逻辑函数，画出连线图。（1）1=m（，）（2）Y2=m（1，3，5，9，11）（3）Y3=m（2，6，9，12，13，14）3.12 试用74LS151数据选择器实现逻辑函数:(1)Y(A,B,C)=m(1,3,5,7)(2)Y2=,101,3.13 为使74LS138译码器的第10引脚输出为低电平，请标出各输入端应置的逻辑电平 3.14 用译码器和门电路设计一个数据选择器。3.15 用四选一数据选择器和译码器，组成二十选一数据选择器。3.16 试用集成电路实现将16路输入中的任意一组数据传送到16路输出中的任意一路，画出逻辑连接图。,102,3.17 仿照半加器和全加器的设计方法，试设计一个半减器和一个全减器。3.18 判断下列逻辑函数是否存在冒险现象：,