组合逻辑电路的特点组合逻辑电路的分析方法和设计方法编码器..

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1、- 1 组 合 逻 辑 电 路 的 特 点 组 合 逻 辑 电 路 的 分 析 方 法 和 设 计 方 法 编 码 器 、 译 码 器 和 数 据 选 择 器 加 法 器 和 比 较 器 竞 争 冒 险 现 象 掌 握 常 见 集 成 电 路 工 作 原 理 和 使 用 方 法组合逻辑电路学 习 要 点 - 2 4.1 概 述 一 .组 合 逻 辑 电 路 的 特 点 : 根 据 逻 辑 功 能 的 不 同 ,数 字 电 路 分 为 两 大 类 :一类 是 组 合 逻 辑 电 路 ,另 一 类 是 时 序 逻 辑 电 路 。 在 组 合 电 路 中 ,任 意 时 刻 的 输 出 仅 取 决 于

2、 该 时 刻的 输 入 ， 与 电 路 的 原 始 状 态 无 关 。 在 时 序 电 路 中 ,任 意 时 刻 的 输 出 不 仅 取 决 于 该 时刻 的 输 入 ， 而 且 与 该 时 刻 之 前 电 路 的 状 态 有 关 。 二 .逻 辑 功 能 的 描 述 : 可 以 用 逻 辑 图 、 函 数 表 达 式 或 真 值 表 的 形 式 来 表 示 逻 辑 功 能 。 - 3 4.2 门 级 组 合 逻 辑 电 路 的 分 析 和 设 计 逻 辑 电 路 的 分 析 就 是 找 出 给 定 逻 辑电 路 输 出 和 输 入 之 间 的 逻 辑 关 系 ， 并 指出 电 路 的 逻 辑

3、 功 能 。 4.2.1 分 析 方 法 分 析 步 骤 ： 写 出 逻 辑 表 达 式 化 简 和 变 换 逻 辑表 达 式 列 出 真 值 表 确 定 功 能 。 - 4 例 1 分 析 如 图 4.1所 示 组 合 逻 辑 电 路 的 功 能 。 ACBCABY ACBCABY 按 照 输 出 代 码 的 不 同 ， 分 二 进 制 编 码 器 和 非 二 进 制 编 码 器 。 1. 二 进 制 编 码 器 输 入 信 号 的 个 数 N与 输 出 变 量 的 位 数 n满 足 n 要 求 输 入 的 N个 信 号 是 互 相 排 斥 的 ， 称 为 线 n线 编 码器 （ 如 / 线

4、 编 码 器 ） - 17 （ ） 列 编 码 表 ： Ii Y1 Y0I0I1I2I3 0 0 0 1 1 0 1 1 例 5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 四 个 信 息 ， 输 出 为 Y0、 Y1 - 18 （ ） 画 编 码 器 电 路 如 图 4.4所 示 。 1 1 I 1 I 3 I 2 Y 0 Y 1图 4.4 4线 2线 编 码 器 （ ） 化 简 ： 310 IIY 321 IIY - 19 2. 非 二 进 制 编 码 器 (如 二 十 进 制 编 码 器 ) 二

5、 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 （ 0线 线 编 码 器 ） 。 同学自己设计（列真值表，写表达式，画逻辑图）各 输 出 逻 辑 函 数 式 为 : 893 IIY 45672 IIIIY 23671 IIIIY 135790 IIIIIY 最 常 见 是 8421 BCD码 编 码 器 ， 输 入 信 号 I0 I9代 表 0 9共 10个 十 进 制 信 号 ， 输 出 信 号 Y0 Y3为 相应 二 进 制 代 码 。 - 20 3. 优 先 编 码 器 优 先 编 码 器 是 当 多 个 输 入 端 同

6、 时 有 信 号 时 ， 电 路 只对 其 中 优 先 级 别 最 高 的 信 号 进 行 编 码 。 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 。 例 5： 电 话 室 有 三 种 电 话 ， 按 由 高 到 低 优 先 级

7、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。 设 计 电 话 编 码 控 制 电 路 。 - 21 （ ） 列 真 值 表 : 真 值 表 如 下 所 示 。 表 4.3 例 5的 真 值 表 输 入 输 出 A B C Y1 Y21 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0（ ） 写 逻 辑 表 达 式 CBAY 1 BAY 2 - 22 （ ） 画 优 先 编 码 器 逻 辑 图 如 图 4.5所 示 。 按 显 示 内 容 分 为 文 字 、 数 字 、 符 号 译码 器 。 - 26 1. 二

8、进 制 译 码 器 （ 变 量 译 码 器 ） 常 用 的 有 ： TTL系 列 中 的 54/74HC138、54/74LS138； CMOS系 列 中 的 54/74HC138、 54/74HCT138等 。 图 3.7所 示 为 74LS138的 符 号 图 、管 脚 图 ， 其 逻 辑 功 能 表 如 表 4.4所 示 。 A0 74LS138 Y0 A1 A2 E2A E1 E2B Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 15 14 13 12 11 10 9 7 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 74LS138

9、A0 GND VCC Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 A1 A2 E2A E2B E1 Y7 (a) (b)图 4.7 74LS138 符 号 图 和 管 脚 图 (a) 符 号 图 ; (b) 管 脚 图 - 27 表 4.4 74LS138译 码 器 功 能 表 输 入 输 出E1 E2B +E2A A2 A1 A0 10 1 01 01 01 01 01 01 0 1 0 0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 01 1 1 1 1 1 0 11

10、1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 11 1 1 0 1 1 1 11 1 0 1 1 1 1 11 0 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 1 - 282. 非 二 进 制 译 码 器 如 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 54/74HC42、54/74HCT42等 。 图 3.8所 示 为 74LS42的 符 号 图 和 管 脚图 。 该 译 码 器 有 A0 A3四 个 输 入 端 , Y0 Y9共 10个 输 出端 , 简 称 4线 -10线 译 码 器

11、 。 74LS42的 逻 辑 功 能 表 如 表 4.5所 示 。 由 功 能 表 4.4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 。 - 29 A0 74LS42 Y0 A1 A2 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 1 2 3 4 5 6 7 8 15 14 13 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 74LS4

12、2 A0 GND VCCY0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 A1 A2 Y7 (a) (b) Y8 Y9 9 10 12 A3 A3 Y9 Y8图 4.8 74LS42 二 十 进 制 译 码 器(a) 符 号 图 ; （ b） 管 脚 图 - 30 表 4.5 74LS42二 -十 进 制 译 码 器 功 能 表 输 入 输 出 A3 A2 A1 A0 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 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0

13、1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 - 31 由 表 4.5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 。 023 1AAAA 显 示 译 码 器 常 见 的 是 数 字 显 示 电 路 ,

14、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 。 七 段 显 示 器 应 用 最 普 遍 。 它 有 共 阳 极 和 共 阴 极 两 种 接法 。 共 阳 极 接 法 (图 4.9(c)是 各 发 光 二 极 管 阳 极 相 接 ， 对 应极 接 低 电 平 时 亮 。 图 4.9(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

15、 亮 。4.3.3. BCD-七 段 显 示 译 码 器 - 32 a b c d e f g h 9 8 7 6 2 3 4 5 d c () h a b c d e f g () h a b c d e f g () h R R 图 4.9 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 - 33 a b c d e f b c a b d e g a b c d g b c f g a c d f g a c d e f g a b c a b c d e f g a b c d f g图 4.10七 段 数

16、字 显 示 器 发 光 段 组 合 图 如 图 4.11为 显 示 译 码 器 74LS48的 管 脚 排 列图 ， 表 4.7所 示 为 74LS48的 逻 辑 功 能 表 ， 它 有三 个 辅 助 控 制 端 - 34 A0 74LS48 Ya A1 A2 LT IB / YBR 7 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 74LS48 GND VCC Yf Yg Ya Yb Yc Yd Ye A2 LT (a) (b) A3 IBR 6 A1 IB / YBR IBR A3 A0 Yb Yc Yd Ye Yf Yg图 4.11 7

17、4LS48 的 符 号 图 和 管 脚 排 列 图 - 35 表 4.7 74LS48显 示 译 码 器 的 功 能 表 输 入 输 出 字型 A3 A2 A1 A0 a b c d e f g11111111 11 1 0000000011 0000111100 0011001100 0101010101 1111111111 1011010111 1111100111 1101111111 1011011010 1010001010 1000111011 0011111011LT BRI BRB YI / - 36 输 入 输 出 字型 A3 A2 A1 A0 a b c d e f g1

18、1111110 0 1111110 0011110 1100110 0101010 111111001 000100001 001000001 010000001 010000001 100010001 001110001 111110001LT BRI BRB YI / - 37 1. 译 码 器 实 现 函 数 例 6 用 一 个 3线 -8线 译 码 器 实 现 函 数 解 如 表 48所 示 ， 当 E1接 +5V,E2A和 E2B接 地 时 。 得到 对 应 个 输 入 端 的 输 出 Y：0120 AAAY 0121 AAAY 0122 AAAY 0123 AAAY 0124 AA

19、AY 0125 AAAY 0126 AAAY 0127 AAAY 译 码 器 的 应 用 - 38 将 输 入 变 量 A、 B、 C分 别 代 替 A2、 A1、 A0,则 可 到 函 数 : CBACBACBAY CBACBACBA 240 YYY 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 所 示 . Y 0 Y 1 Y 2 Y 3 Y 4 Y 5 Y 6 Y 7 S 1 S 2 S 3A 0A 1A 2 (b) 符 号 图 AA E - 42 如 图 4.14所 示 是 四 选 一 选 择 器 的 逻 辑

20、 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 , D0 D3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 。 四 选 一 数 据 选 择 器输 出 逻 表 达 式 EE EABDDBABDADBAY )( 3210 功 能 表 如 表 4. 所 示 。 - 43 表 4.8 四 选 一 功 能 表 输 入 输 出 E A1 A2 Y

21、1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0D0D1D2D3常 用 芯 片 ： 四 选 一 74ls153 - 44图 4.15 74LS151 数 据 选 择 器 （ a） 符 号 图 ; (b) 管 脚 图 E 74LS151 A0 A1 W W 5 16 7 11 10 74LS151D0 GND D1 D2 W (a) (b) 9 4 3 2 1 15 14 13 12 A2 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 A0 A1 A2 D3 W E 1 16 8 9 八 选 一 数 据 选 择 器 74LS151 - 45 表 4. 74LS151的 功 能 表 0 1

22、D0 D1 D2D3D4D 5D6D7 1 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 W A2 A1 A0 0D1D2D3D4D5D6D7D - 46 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. 所 示 。 当 A3=0时

23、 , 低 位 片 4LS151工 作 , 根 据 地 址 控 制 信 号A3A2A1A0选 择 数 据 D0 D7输 出 ； A3=1时 , 高 位 片 工 作 , 选 择 D8 D15进 行 输 出 。 2. 数 据 选 择 器 的 功 能 扩 展 例 8 用 两 片 74LS151连 接 成 一 个 十 六 选 一 的 数 据 选 择 器 - 47E A0A1A2 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7低位片(74LS151) W W D0 D1 D2D3 D4 D5 D6 D7 1 E A0A1A2 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 高位片(74LS151) W W

24、 D8 D9D10D11D12D13D14D15 A0A1A2A3 1 1 Y Y图 4.16 例 8的 连 接 图 - 48 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 。BABCACABY BABCACABY CBACBABCACAB 6310 mmmm 3. 数 据 选 择 器 的 应 用 解 把 逻 辑 函 数 变 换 成 最 小 项 表 达 式 ： 例 9 试 用 八 选 一 数 据 选 择 器 74LS151产 生 逻 辑 函 数 - 49 八 选 一 数 据

25、选 择 器 的 输 出 逻 辑 函 数 表 达 式 为 4012302201210120012 1 DAAADAAADAAADAAADAAAY 701260125012 DAAADAAADAAA 7766554433211100 DmDmDmDmDmDmDmDm 将 式 中 A2、 A1、 A0用 A、 B、 C来 代 替 , D 0=D1=D3=D6=1, D2=D4=D5=D7=0， 画 出 该 逻 辑 函 数 的 逻 辑 图 ， 如 图 4.17 - 50 E A 0 A 1 A 2 D 0 D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 Y 74LS151 A B C 1 0

26、图 4.17 例 9的 逻 辑 图 - 51 例 10 用 数 据 选 择 器 实 现 三 变 量 多 数 表 决 器 。 7653 ACBCABY mmmm ABCCABCBABCA 则 有 ： D0 = D1 = D2 = D4 = 0 D3 = D5 = D6 = D7 = 1 解 ： 三 变 量 多 数 表 决 器 在 例 1中 已 分 析 , 其 逻 辑 表 达 式 为 - 52 画 出 逻 辑 图 如 图 4.18所 示 E A 0 A 1 A 2 D 0 D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 Y 74LS151 A B C 1 0 图 4.18 例 10的 逻

27、辑 图 - 53 4.5.1 加 法 器 1. 半 加 器 半 加 器 是 只 考 虑 两 个 加 数 本 身 ， 而 不 考 虑 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。 （ b） 逻 辑 符 号 - 58 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

28、成 ， 图 4.21是 四 位 串 行 进 位 加 法 器 。 CI CO S0 A0 B0 C0C1 CI CO S1 A1 B1 C1 CI CO S2 A2 B2 C2 CI CO S3 A3 B3 C3图 4.21 四 位 串 行 进 位 加 法 器 3. 多 位 加 法 器 - 59 4.5.2 数 值 比 较 器1. 定 义 及 功 能 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 A B、 A B和 A B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

29、 路 ，输 入 变 量 是 两 个 比 较 数 和 ,输 出 变 量 YA B、 YA B、 YA B分 别 表 示 A B、 A B和 A B三 种 比较 结 果 ， 其 真 值 表 如 表 4.11所 示 。 - 60 表 4.11 一 位 数 字 比 较 器 的 真 值 表 输 入 输 出 A B YAB YAB3， 则 A一 定 大 于 B; 反之 , 若 A3B3， 则 一 定 有 A小 于 B； 若 A3 B3， 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。 - 64 表 4.1 四 位 数 字 比

30、 较 器 功 能 表 输 入 输 出 A3B3 A2B2 A1B1 A0B0 IA B IA B IA B FA B FA B FA B A3 B3 1 0 0 A3 B3 0 1 0 A3=B3 A2 B2 1 0 0 A3=B3 A2 B2 0 1 0 A 3=B3 A2 B2 A1 B1 1 0 0 A3=B3 A2 B2 A1 B1 0 1 0 A3=B3 A2 B2 A1=B1 A0 B0 1 0 0A3=B3 A2 B2 A1=B1 A0 B0 0 1 0A3=B3 A2 B2 A1=B1 A0=B0 1 0 0 1 0 0A3=B3 A2 B2 A1=B1 A0=B0 0 1 0

31、 0 1 0A3=B3 A2 B2 A1=B1 A0=B0 0 0 1 0 0 1 - 65 (2). 数 字 比 较 器 的 扩 展 74LS85数 字 比 较 器 的 串 级 输 入 端 IA B、 IA B、 IA B是 为 了 扩 大 比 较 器 功 能 设 置 的 , 当 不 需 要 扩 大 比 较 位数 时 , IA B、 IA B接 低 电 平 , IA B接 高 电 平 ； 若 需 要扩 大 比 较 器 的 位 数 时 , 只 要 将 低 位 的 FA B、 FA B和 FA B分 别 接 高 位 相 应 的 串 接 输 入 端 IA B、 IA B、 IA B即 可 。 用

32、两 片 74LS85组 成 八 位 数 字 比 较 器 的 电 路 如 图4.24所 示 。 - 66 A3 B3 A2 B2 A1 B1 A0 B0 AB AB AB a3 b3 a2 b2 a1 b1 a0 b0 “0” “1” FAB FAB FAB (低位) A3 B3 A2 B2 A1 B1 A0 B0 AB AB AB a7 b7 a6 b6 a5 b5 a4 b4 FAB FAB FAB (高位) AB AB AB图 4.24 两 片 74LS85扩 展 连 接 图！ ！ ！ 单 片 74LS85的 使 用 - 67 4. 6 组 合 逻 辑 电 路 中 的 竞 争 冒 险 现

33、象4.6.1 竞 争 冒 险 现 象 及 其 成 因1. 在 组 合 电 路 中 ， 当 输 入 信 号 的 状 态 改 变 时 ， 输 出 端 可 能会 出 现 不 正 常 的 干 扰 信 号 ， 使 电 路 产 生 错 误 的 输 出 ， 这 种 现象 称 为 竞 争 冒 险 。 产 生 竞 争 冒 险 的 原 因 ： 主 要 是 门 电 路 的 延 迟 时 间 产 生 的 。 AA 1 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 。 - 73 - 74 - 75 - 76 - 77 - 78 - 79 - 80