電工第20章 門電路和組合邏輯電路g

1、第20章 門電路和組合邏輯電路,20.1 脈沖信號,20.2 基本門電路及其組合,20.5 邏輯代數(shù),20.4 CMOS門電路,20.3 TTL門電路,20.6 組合邏輯電路的分析與綜合,20.7 加法器,20.8 編碼器,20.9 譯碼器和數(shù)字顯示,1. 掌握基本門電路的邏輯功能、邏輯符號、真值表和邏輯表達式。了解 TTL門電路、CMOS門電路的特點;,3. 會分析和設(shè)計簡單的組合邏輯電路;,理

2、解加法器、編碼器、譯碼器等常用組合邏輯 電路的工作原理和功能;,5. 學(xué)會數(shù)字集成電路的使用方法。,本章要求：,2. 會用邏輯代數(shù)的基本運算法則化簡邏輯函數(shù);,第20章 門電路和組合邏輯電路,模擬信號：隨時間連續(xù)變化的信號,20.1 脈沖信號,1. 模擬信號,2. 脈沖信號 是一種躍變信號，并且持續(xù)時間短暫。,如：,脈沖幅度 A,脈沖上升沿 tr,脈沖周期 T,脈沖下降沿 tf,脈沖寬度 tp,脈沖信號的

3、部分參數(shù)：,實際的矩形波,20.2 基本門電路及其組合,邏輯門電路是數(shù)字電路中最基本的邏輯元件。 所謂門就是一種開關(guān)，它能按照一定的條件去控制信號的或通過不通過。 門電路的輸入和輸出之間存在一定的邏輯關(guān)系(因果關(guān)系)，所以門電路又稱為邏輯門電路。,20.2.1 邏輯門電路的基本概念,基本邏輯關(guān)系為“與”、“或”、“非”三種。,下面通過例子說明邏輯電路的概念及“與”、“或”、“非”的意義。,設(shè)：開關(guān)斷

4、開、燈不亮用邏輯 “0”表示，開關(guān)閉合、燈亮用 邏輯“1”表示。,邏輯表達式： Y = A ? B,1. “與”邏輯關(guān)系,“與”邏輯關(guān)系是指當(dāng)決定某事件的條件全部具備時，該事件才發(fā)生。,,,0,1,0,B,Y,A,狀態(tài)表,,2. “或”邏輯關(guān)系,“或”邏輯關(guān)系是指當(dāng)決定某事件的條件之一具備時，該事件就發(fā)生。,邏輯表達式： Y = A + B,狀態(tài)表,1,1,1,0,,3. “非”邏輯關(guān)系,“非”邏輯關(guān)系是否定或相反的意思。,Y,220V

5、,,,,,A,,,+,-,,,,,,,R,,,由電子電路實現(xiàn)邏輯運算時，它的輸入和輸出信號都是用電位（或稱電平）的高低表示的。高電平和低電平都不是一個固定的數(shù)值，而是有一定的變化范圍。,門電路是用以實現(xiàn)邏輯關(guān)系的電子電路，與前面所講過的基本邏輯關(guān)系相對應(yīng)。,門電路主要有：與門、或門、非門、與非門、或非門、異或門等。,20.2.2 分立元件基本邏輯門電路,20.2 基本門電路及其組合,電平的高低一般用“1”和“0”兩種狀態(tài)區(qū)別，若規(guī)定高電

6、平為“1”，低電平為“0”則稱為正邏輯。反之則稱為負(fù)邏輯。若無特殊說明，均采用正邏輯。,1,0,,,高電平,低電平,1. 二極管“與” 門電路,(1) 電路,(2) 工作原理,輸入A、B、C全為高電平“1”，輸出 Y 為“1”。,輸入A、B、C不全為“1”，輸出 Y 為“0”。,0V,0V,3V,1. 二極管“與” 門電路,即：有“0”出“0”， 全“1”出“1”,2. 二極管“或” 門電路,(1) 電路,0V,3V,3

7、V,(2) 工作原理,輸入A、B、C全為低電平“0”，輸出 Y 為“0”。,輸入A、B、C有一個為“1”，輸出 Y 為“1”。,2. 二極管“或” 門電路,即：有“1”出“1”， 全“0”出“0”,3. 晶體管“非” 門電路,“0”,“1”,(1) 電路,“0”,“1”,,1. 與非門電路,有“0”出“1”，全“1”出“0”,“非”門,20.2.3 基本邏輯門電路的組合,,2. 或非門電路,20.2.3 基本邏輯門電路的

8、組合,有“1”出“0”，全“0”出“1”,例：根據(jù)輸入波形畫出輸出波形,A,B,有“0”出“0”，全“1”出“1”,有“1”出“1”，全“0”出“0”,&,A,有0出0,全1出1,3. 與或非門電路,20.2.3 基本邏輯門電路的組合,邏輯表式：,邏輯符號,20.3 TTL門電路,(三極管—三極管邏輯門電路),TTL門電路是雙極型集成電路，與分立元件相比，具有速度快、可靠性高和微型化等優(yōu)點，目前分立元件電路已被集成電路替代。

9、下面介紹集成 “與非”門電路的工作原理、特性和參數(shù)。,20.3.1 TTL“與非”門電路,1. 電路,,多發(fā)射極三極管,(1) 輸入全為高電平“1”(3.6V)時,2. 工作原理,4.3V,T2、T5飽和導(dǎo)通,E結(jié)反偏,截止,,,負(fù)載電流（灌電流）,輸入全高“1”,輸出為低“0”,1V,,,,2. 工作原理,1V,T2、T5截止,負(fù)載電流（拉電流）,(2) 輸入端有任一低電平“0”(0.3V),,,輸入有低“0”輸出為高“1”,

10、流過 E結(jié)的電流為正向電流,5V,,“與非”邏輯關(guān)系,“與非”門,74LS00、74LS20管腳排列示意圖,(1) 電壓傳輸特性：,輸出電壓 UO與輸入電壓 Ui的關(guān)系。,3. TTL“與非”門特性及參數(shù),電壓傳輸特性,測試電路,,C,D,E,(2)TTL“與非”門的參數(shù),電壓傳輸特性,典型值3.6V，?2.4V為合格,典型值0.3V，?0.4V為合格,,,輸出高電平電壓UOH,輸出低電平電壓UOL,輸出高電平電壓UOH和輸出低電

11、平電壓UOL,UO/V,Ui /V,A,B,,D,E,,,低電平噪聲容限電壓UNL—保證輸出高電平電壓不低于額定值90%的條件下所允許疊加在輸入低電平電壓上的最大噪聲（或干擾）電壓。UNL=UOFF –UIL,允許疊加干擾,定量說明門電路抗干擾能力,,,,UOFF,UOFF是保證輸出為額定高電平的90%時所對應(yīng)的最大輸入低電平電壓。,,0.9UOH,輸入低電平電壓UIL,輸入高電平電壓UIH,,,高電平噪聲容限電壓UNH—保證

12、輸出低電平電壓的條件下所允許疊加在輸入高 電平電壓上的最大噪聲（或干擾）電壓。UNH=UIH–UON,允許疊加干擾,定量說明門電路抗干擾能力,,UON是保證輸出為額定低電平時所對應(yīng)的最小輸入高電平電壓。,,UON,指一個“與非”門能帶同類門的最大數(shù)目，它表示帶負(fù)載的能力。對于TTL“與非”門 NO ? 8。,輸入高電平電流 IIH和輸入低電平電流 IIL,當(dāng)某一輸入端接高電平，其余輸入端接低電 平時，流入該輸入端的電流，稱為高電平輸入

13、電流 IIH（?A）。,當(dāng)某一輸入端接低電平，其余輸入端接高電平時，流出該輸入端的電流，稱為低電平輸入電流 IIL（mA）。,扇出系數(shù)NO,平均傳輸延遲時間 tpd,tpd1,tpd2,TTL的 tpd 約在 10ns ~ 40ns，此值愈小愈好。,輸入波形ui,輸出波形uO,20.3.2 三態(tài)輸出“與非”門,“1”,1. 電路,截止,20.3.2 三態(tài)輸出“與非”門,“0”,1. 電路,導(dǎo)通,當(dāng)控制端為低電平“0”時，輸出 Y

14、處于開路狀態(tài)，也稱為高阻狀態(tài)。,? ? 0 高阻,?表示任意態(tài),20.3.2 三態(tài)輸出“與非”門,功能表,可實現(xiàn)用一條總線分時傳送幾個不同的數(shù)據(jù)或控制信號。,1. 電路,20.3.3 集電極開路“與非”門電路(OC門),OC門的特點：,1.輸出端可直接驅(qū)動負(fù)載,,2.幾個輸出端可直接相聯(lián),“0”,,“0”,20. 4. 1 CMOS 非門電路,20.4 CMOS門電路,CMOS 管,,負(fù)載管,驅(qū)動管,(互補

15、對稱管),A=“1”時，T1導(dǎo)通， T2截止，Y=“0”,A=“0”時，T1截止， T2導(dǎo)通，Y=“1”,T4 與 T3 并聯(lián)，T1 與 T2 串聯(lián)；,當(dāng) AB 都是高電平時,T1 與 T2 同時導(dǎo)通，T4 與 T3 同時截止；輸出 Y 為低電平。,當(dāng)AB中有一個是低電平時，T1與T2中有一個截止，T4與T3中有一個導(dǎo)通, 輸出Y 為高電平。,20. 4. 2 CMOS與非門電路,1. 電路,2. 工作原理,當(dāng) AB 中有一個是高

16、電平時，T1 與 T2 中有一個導(dǎo)通，T4 與 T3 中有一個截止，輸出 Y 為低電平。,當(dāng)AB都是低電平時，T1 與 T2 同時截止，T4 與 T3 同時導(dǎo)通；輸出 Y 為高電平。,20. 4. 3 CMOS或非門電路,1. 電路,2. 工作原理,,CMOS電路優(yōu)點,(1) 靜態(tài)功耗低（每門只有0.01mW, TTL每門10mW),(2) 抗干擾能力強,(3) 扇出系數(shù)大,(4) 允許電源電壓范圍寬 ( 3 ~ 18V ),(1)

17、速度快,(2) 抗干擾能力強,(3) 帶負(fù)載能力強,20.5 邏輯代數(shù),邏輯代數(shù)（又稱布爾代數(shù)），它是分析設(shè)計邏輯電路的數(shù)學(xué)工具。雖然它和普通代數(shù)一樣也用字母表示變量，但變量的取值只有“0”，“1”兩種，分別稱為邏輯“0”和邏輯“1”。這里“0”和“1”并不表示數(shù)量的大小，而是表示兩種相互對立的邏輯狀態(tài)。,邏輯代數(shù)所表示的是邏輯關(guān)系，而不是數(shù)量關(guān)系。這是它與普通代數(shù)的本質(zhì)區(qū)別。,,,,,,1. 常量與變量的關(guān)系,20. 5. 1 邏輯

18、代數(shù)運算法則,2. 邏輯代數(shù)的基本運算法則,自等律,0-1律,重疊律,還原律,互補律,交換律,2. 邏輯代數(shù)的基本運算法則,普通代數(shù)不適用！,證:,結(jié)合律,分配律,A+1=1,,反演律(摩根定律）,狀態(tài)表證明：,對偶關(guān)系： 將某邏輯表達式中的與( ? )換成或 (+)，或(+)換成與( ? )，得到一個新的邏輯表達式，即為原邏輯式的對偶式。若原邏輯恒等式成立，則其對偶式也成立。,證明：,A+AB = A,20. 5. 2 邏輯

19、函數(shù)的表示方法,下面舉例說明這四種表示方法。,例：有一T形走廊，在相會處有一路燈, 在進入走廊的A、B、C三地各有控制開關(guān)，都能獨立進行控制。任意閉合一個開關(guān)，燈亮；任意閉合兩個開關(guān)，燈滅；三個開關(guān)同時閉合，燈亮。設(shè)A、B、C代表三個開關(guān)（輸入變量）；Y代表燈（輸出變量）。,1. 列邏輯狀態(tài)表,2. 邏輯式,取 Y=“1”( 或Y=“0” ) 列邏輯式,用“與”“或”“非”等運算來表達邏輯函數(shù)的表達式。,(1)由邏輯狀態(tài)表寫出邏輯式,

20、,各組合之間是“或”關(guān)系,2. 邏輯式,反之，也可由邏輯式列出狀態(tài)表。,3. 邏輯圖,20. 5. 3 邏輯函數(shù)的化簡,1. 用 “與非”門構(gòu)成基本門電路,(2)應(yīng)用“與非”門構(gòu)成“或”門電路,(1) 應(yīng)用“與非”門構(gòu)成“與”門電路,由邏輯代數(shù)運算法則：,由邏輯代數(shù)運算法則：,(3) 應(yīng)用“與非”門構(gòu)成“非”門電路,(4) 用“與非”門構(gòu)成“或非”門,由邏輯代數(shù)運算法則：,例1：,化簡,2. 應(yīng)用邏輯代數(shù)運算法則化簡,（1）并

21、項法,（2）配項法,,,例3：,化簡,（3）加項法,（4）吸收法,吸收,例5：,化簡,,吸收,吸收,,吸收,,吸收,,,3. 應(yīng)用卡諾圖化簡,卡諾圖:是與變量的最小項對應(yīng)的按一定規(guī)則排列的方格圖，每一小方格填入一個最小項。,（1）最小項： 對于n輸入變量有2n種組合, 其相應(yīng)的乘積項也有2n個，則每一個乘積項就稱為一個最小項。其特點是每個輸入變量均在其中以原變量和反變量形式出現(xiàn)一次，且僅一次。,如：三個變量，有8種組合，最小項就是8

22、個，卡諾圖也相應(yīng)有8個小方格。,在卡諾圖的行和列分別標(biāo)出變量及其狀態(tài)。,(2) 卡諾圖,二進制數(shù)對應(yīng)的十進制數(shù)編號,( 2)卡諾圖,（a)根據(jù)狀態(tài)表畫出卡諾圖,如:,,將輸出變量為“1”的填入對應(yīng)的小方格,為“0”的可不填。,( 2)卡諾圖,（b)根據(jù)邏輯式畫出卡諾圖,將邏輯式中的最小項分別用“1”填入對應(yīng)的小方格。如果邏輯式中最小項不全，可不填。,如:,,注意：如果邏輯式不是由最小項構(gòu)成，一般應(yīng)先化為最小項，或按例7方法填寫。,(

23、 3)應(yīng)用卡諾圖化簡邏輯函數(shù),解：?,,,,(a)將取值為“1”的相鄰小方格圈成圈;,(b)所圈取值為“1”的相鄰小方格的個數(shù)應(yīng)為2n，(n=0,1,2…),( 3)應(yīng)用卡諾圖化簡邏輯函數(shù),解：,,,,三個圈最小項分別為：,?合并最小項,?寫出簡化邏輯式,卡諾圖化簡法：保留一個圈內(nèi)最小項的相同變量，而消去相反變量。,解：,,,,寫出簡化邏輯式,多余,例6. 應(yīng)用卡諾圖化簡邏輯函數(shù),(1),(2),解：,寫出簡化邏輯式,1,例7. 應(yīng)用

24、卡諾圖化簡邏輯函數(shù),,,,,1,20. 6 組合邏輯電路的分析與綜合,組合邏輯電路框圖,20. 6. 1 組合邏輯電路的分析,(1) 由邏輯圖寫出輸出端的邏輯表達式,(2) 運用邏輯代數(shù)化簡或變換,(3) 列邏輯狀態(tài)表,(4) 分析邏輯功能,已知邏輯電路,,確定,邏輯功能,分析步驟：,例 1：分析下圖的邏輯功能,(1) 寫出邏輯表達式,(2) 應(yīng)用邏輯代數(shù)化簡,,反演律,反演律,,(3) 列邏輯狀態(tài)表,邏輯式,(1) 寫出邏輯式,

25、例 2：分析下圖的邏輯功能,化簡,(2) 列邏輯狀態(tài)表,(3) 分析邏輯功能 入同出“1”,入異出“0”,稱為“判一致電路”(“同或門”) ,可用于判斷各輸入端的狀態(tài)是否相同。,邏輯式,例3：分析下圖的邏輯功能,Y,,,,&,,,,,&,,,1,,,,,,,,,B,A,&,C,1,0,1,A,設(shè)：C=1,封鎖,打開,選通A信號,,,,,B,Y,,,,&,,,,,&,,,1,,

26、,,,,,,,B,A,&,C,0,1,1,設(shè)：C=0,封鎖,選通B信號,,,,,打開,例 3：分析下圖的邏輯功能,20. 6. 2 組合邏輯電路的綜合(設(shè)計）,設(shè)計步驟如下：,例1：設(shè)計一個三人(A、B、C)表決電路。每人有一按鍵，如果贊同，按鍵，表示“1”；如不贊同，不按鍵，表示 “0”。表決結(jié)果用指示燈表示，多數(shù)贊同，燈亮為“1”，反之燈不亮為“0”。,(1) 列邏輯狀態(tài)表,(2) 寫出邏輯表達式,取 Y=“1”( 或

27、Y=“0” ) 列邏輯式,(3) 用“與非”門構(gòu)成邏輯電路,在一種組合中，各輸入變量之間是“與”關(guān)系,各組合之間是“或”關(guān)系,,,,三人表決電路,例2：設(shè)計一個三變量奇偶檢驗器。 要求: 當(dāng)輸入變量A、B、C中有奇數(shù)個同時為“1”時，輸出為“1”，否則為 “0”。用“與非”門實現(xiàn)。,(1) 列邏輯狀態(tài)表,(2) 寫出邏輯表達式,(3) 用“與非”門構(gòu)成邏輯電路,解：,(4) 邏輯圖,Y,C,B,A,0,1,0,1,0,

28、例 3: 某工廠有A、B、C三個車間和一個自備電站，站內(nèi)有兩臺發(fā)電機G1和G2。G1的容量是G2的兩倍。如果一個車間開工，只需G2運行即可滿足要求；如果兩個車間開工，只需G1運行，如果三個車間同時開工，則G1和 G2均需運行。試畫出控制G1和 G2運行的邏輯圖。,設(shè)：A、B、C分別表示三個車間的開工狀態(tài)： 開工為“1”，不開工為“0”； G1和 G2運行為“1”，不運行為“0”。,(1) 根據(jù)邏輯要求列狀態(tài)表,首

29、先假設(shè)邏輯變量、邏輯函數(shù)取“0”、“1”的含義。,邏輯要求：如果一個車間開工，只需G2運行即可滿足要求；如果兩個車間開工，只需G1運行，如果三個車間同時開工，則G1和 G2均需運行。,開工,,“1”,不開工,,“0”,運行,,“1”,不運行,,“0”,(1) 根據(jù)邏輯要求列狀態(tài)表,(2) 由狀態(tài)表寫出邏輯式,或由卡圖諾可得相同結(jié)果,(3) 化簡邏輯式可得：,(4) 用“與非”門構(gòu)成邏輯電路,,,(5) 畫出邏輯圖,20. 7 加法

30、器,20. 7 .1 二進制,十進制：0~9十個數(shù)碼，“逢十進一”。,在數(shù)字電路中，常用的組合電路有加法器、編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)分配器和多路選擇器等。下面幾節(jié)分別介紹這幾種典型組合邏輯電路的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和使用方法。,在數(shù)字電路中，為了把電路的兩個狀態(tài) (“1”態(tài)和“0”態(tài))與數(shù)碼對應(yīng)起來，采用二進制。,二進制：0，1兩個數(shù)碼，“逢二進一”。,20. 7 加法器,加法器: 實現(xiàn)二進制加法運算的電路,進位,,,不考慮低位

31、來的進位,要考慮低位來的進位,,20. 7. 1 半加器,半加：實現(xiàn)兩個一位二進制數(shù)相加，不考慮來自低位的進位。,邏輯符號：,半加器：,半加器邏輯狀態(tài)表,邏輯表達式,20. 7. 2 全加器,全加：實現(xiàn)兩個一位二進制數(shù)相加，且考慮來自低位的進位。,邏輯符號：,全加器：,(1) 列邏輯狀態(tài)表,(2) 寫出邏輯式,,20. 8 編碼器,把二進制碼按一定規(guī)律編排，使每組代碼具有一特定的含義，稱為編碼。具有編碼功能的邏輯電路稱為編碼

32、器。,n 位二進制代碼有 2n 種組合，可以表示 2n 個信息。,要表示N個信息所需的二進制代碼應(yīng)滿足 2n? N,20. 8. 1 二進制編碼器,將輸入信號編成二進制代碼的電路。,2n個,n位,(1) 分析要求： 輸入有8個信號，即 N=8，根據(jù) 2n ? N 的關(guān)系，即 n=3，即輸出為三位二進制代碼。,例：設(shè)計一個編碼器，滿足以下要求：(1) 將 I0、I1、

33、…I7 8個信號編成二進制代碼。(2) 編碼器每次只能對一個信號進行編碼，不 允許兩個或兩個以上的信號同時有效。(3) 設(shè)輸入信號高電平有效。,解：,(2) 列編碼表：,(3) 寫出邏輯式并轉(zhuǎn)換成“與非”式,Y2 = I4 + I5 + I6 +I7,Y1 = I2+I3+I6+I7,Y0 = I1+ I3+ I5+ I7,(4) 畫出邏輯圖,將十進制數(shù) 0~9 編成二進制代碼的電路,20. 8. 2 二 –

34、 十進制編碼器,表示十進制數(shù),列編碼表：四位二進制代碼可以表示十六種不同的狀態(tài)，其中任何十種狀態(tài)都可以表示0~9十個數(shù)碼，最常用的是8421碼。,8421BCD碼編碼表,寫出邏輯式并化成“或非”門和“與非”門,畫出邏輯圖,法二：,十鍵8421碼編碼器的邏輯圖,當(dāng)有兩個或兩個以上的信號同時輸入編碼電路，電路只能對其中一個優(yōu)先級別高的信號進行編碼。,即允許幾個信號同時有效，但電路只對其中優(yōu)先級別高的信號進行編碼，而對其它優(yōu)先級別低的信號不

35、予理睬。,,,20. 8. 3 優(yōu)先編碼器,,74LS4147 編碼器功能表,,例: 74LS147集成優(yōu)先編碼器(10線-4線),74LS147引腳圖,低電平有效,20.9 譯碼器和數(shù)字顯示,譯碼是編碼的反過程，它是將代碼的組合譯成一個特定的輸出信號。,20. 9. 1 二進制譯碼器,狀 態(tài) 表,例：三位二進制譯碼器（輸出高電平有效）,寫出邏輯表達式,邏輯圖,74LS139譯碼器功能表,74LS139型譯碼器