第3章组合逻辑电路

1、第第3 3章章 组合逻辑电路组合逻辑电路【学习目标】【学习目标】 本章介绍组合逻辑电路的分析方法和本章介绍组合逻辑电路的分析方法和设计方法，以及编码器、译码器、数据选择器、数据设计方法，以及编码器、译码器、数据选择器、数据分配器、加法器、数值比较器等常用的中规模组合逻分配器、加法器、数值比较器等常用的中规模组合逻辑器件，重点介绍用中规模集成电路（辑器件，重点介绍用中规模集成电路（MSIMSI）设计组合）设计组合逻辑电路。最后简单介绍组合逻辑电路中的竞争逻辑电路。最后简单介绍组合逻辑电路中的竞争- -冒险冒险问题。问题。【能力目标】【能力目标】 理解组合逻辑电路的基本概念、特点，理解组合逻辑电路

2、的基本概念、特点，掌握组合逻辑电路的一般分析、设计方法。重点掌握掌握组合逻辑电路的一般分析、设计方法。重点掌握常用中规模集成电路（常用中规模集成电路（MSIMSI）的工作原理、逻辑功能、）的工作原理、逻辑功能、使用方法及典型应用。使用方法及典型应用。数字逻辑电路分为类：数字逻辑电路分为类：组合逻辑电路和时序逻辑电路。组合逻辑电路和时序逻辑电路。组合电路逻辑功能特点：组合电路逻辑功能特点：任意时刻的输出仅取决于该任意时刻的输出仅取决于该时刻的输入，而与信号作用前电路原来的状态无关；时刻的输入，而与信号作用前电路原来的状态无关； 时序电路逻辑功能特点：时序电路逻辑功能特点：任意时刻的输出不仅取任意

3、时刻的输出不仅取决于该时刻的输入，而与信号作用前电路原来的状态决于该时刻的输入，而与信号作用前电路原来的状态有关。有关。3.1 组合逻辑电路的特点组合逻辑电路的特点xxxfyxxxfyxxxfymnnmm,21212221113.2. 1 3.2. 1 组合电路的分析步骤组合电路的分析步骤 （1）由已知的逻辑图，写出相应的逻辑函数式；）由已知的逻辑图，写出相应的逻辑函数式； （2）对函数式进行化简；）对函数式进行化简； （3）根据化简后的函数式列真值表，找出其逻辑功能。）根据化简后的函数式列真值表，找出其逻辑功能。3.2 3.2 组合逻辑电路的分析与设计方法组合逻辑电路的分析与设计方法例：例：

4、试分析图示电路的逻辑功能。试分析图示电路的逻辑功能。解：解：第一步：由逻辑图可以写第一步：由逻辑图可以写输出输出F的逻辑表达式为：的逻辑表达式为： BCACABF所谓组合逻辑电路的分析，就是根据给定的逻辑电路图，求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。出电路的逻辑功能。 第二步：可变换为第二步：可变换为 F = AB+AC+BC 第三步：列出真值表。第三步：列出真值表。F真值表真值表 第四步：确定电路的逻辑功第四步：确定电路的逻辑功能。能。 由真值表可知，三个变量输由真值表可知，三个变量输入入，只有两个及两，只有两个及两个以上变量取值为个以上变量取值为1时，输出

5、时，输出才为才为1。可见电路可实现多数。可见电路可实现多数表决逻辑功能。表决逻辑功能。 设计步骤：设计步骤： (1)分析设计要求，设置输入输出变量并逻辑赋值；分析设计要求，设置输入输出变量并逻辑赋值； (2)列真值表；列真值表； (3)写出逻辑表达式，并化简；写出逻辑表达式，并化简； (4)画逻辑电路图。画逻辑电路图。与分析过程相反，组合逻辑电路的设计是根据给定的实与分析过程相反，组合逻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最简单的逻辑电路。际逻辑问题，求出实现其逻辑功能的最简单的逻辑电路。 例：例：一火灾报警系统，设有烟感、温感和紫外光感三种一火灾报警系统，设有烟感、温感

6、和紫外光感三种类型的火灾探测器。为了防止误报警，只有当其中有两种类型的火灾探测器。为了防止误报警，只有当其中有两种或两种以上类型的探测器发出火灾检测信号时，报警系统或两种以上类型的探测器发出火灾检测信号时，报警系统产生报警控制信号。设计一个产生报警控制信号的电路。产生报警控制信号。设计一个产生报警控制信号的电路。解：解：(1)分析设计要求，设输入输出变量并逻辑赋值；分析设计要求，设输入输出变量并逻辑赋值； 输入变量：烟感输入变量：烟感A 、温感、温感B，紫外线光感，紫外线光感C； 输出变量：报警控制信号输出变量：报警控制信号Y。 逻辑赋值：用逻辑赋值：用1表示肯定，用表示肯定，用0表示否定。表

7、示否定。 (2)列真值表列真值表 (3) 由真值表写逻辑表达式，并化简；由真值表写逻辑表达式，并化简； 化简得最简式：化简得最简式： (4) 画逻辑电路图：画逻辑电路图： 人们为解决实践上遇到的各种逻辑问题，设计了许多逻人们为解决实践上遇到的各种逻辑问题，设计了许多逻辑电路。然而，我们发现，其中有些逻辑电路经常、大量辑电路。然而，我们发现，其中有些逻辑电路经常、大量出现在各种数字系统当中。为了方便使用，各厂家已经把出现在各种数字系统当中。为了方便使用，各厂家已经把这些逻辑电路制造成中规模集成的组合逻辑电路产品。这些逻辑电路制造成中规模集成的组合逻辑电路产品。 比较常用的组合逻辑部件有编码器、译

8、码器、数据选择比较常用的组合逻辑部件有编码器、译码器、数据选择器、加法器和数值比较器等等。器、加法器和数值比较器等等。 3.3 用二进制代码表示文字、符号或者数码等特定对象的过用二进制代码表示文字、符号或者数码等特定对象的过程，称为编码。实现编码的逻辑电路，称为编码器。程，称为编码。实现编码的逻辑电路，称为编码器。 目前经常使用的编码器有普通编码器和优先编码器目前经常使用的编码器有普通编码器和优先编码器两种。两种。 若编码状态数为若编码状态数为2n，编码输出位数为，编码输出位数为n，则称之为二，则称之为二进制编码器。进制编码器。 8-3 EncoderI0I1 Y0 I2 Y1 : Y 2 :

9、I7 I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7Y2Y1Y0 任何时刻只允许输入任何时刻只允许输入一个编码请求一个编码请求其它输入取值组合不允许出现，为无关项。其它输入取值组合不允许出现，为无关项。75310IIIIY76321IIIIY76542IIIIY（2）二进制优先编码器（）二进制优先编码器（ Priority Encoder） 在优先编码器中，允许同时输入两个以上的有效编码在优先编码器中，允许同时输入两个以上的有效编码请求信号。当几个输入信号同时出现时，只对其中优先权请求信号。当几个输入信号同时出现时，只对其中优先权最高的一个进行编码。优先级别的高低由设计者根据输入最高的一个进行

10、编码。优先级别的高低由设计者根据输入信号的轻重缓急情况而定。信号的轻重缓急情况而定。InputsOutputsEI I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 A2 A1 A0 GS EO1 x x x x x x x x0 x x x x x x x 00 x x x x x x 0 10 x x x x x 0 1 10 x x x x 0 1 1 10 x x x 0 1 1 1 10 x x 0 1 1 1 1 10 x 0 1 1 1 1 1 10 0 1 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1

11、 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0低电平低电平有效有效允许编码，允许编码，但无有效编但无有效编码请求码请求优先权优先权最高最高反码输出反码输出EI I7 A2 I6 A1I5 A0I4I3 GSI2 EOI1 I074X14867911415543213121110选通输出端选通输出端GS和扩展输出端和扩展输出端EO：为扩展编码器功能而设置。：为扩展编码器功能而设置。当当GS=0，且，且EI=0时，表示时，表示“电路电路工作，且有编码输入工作，且有编码输入”；当；当EO=0 ，且且EI=0时，表示

12、时，表示“电路工作，但无电路工作，但无编码输入编码输入”。 选通输入端选通输入端EI：只有在：只有在EI=0时，编码器才处于工作状态；而在时，编码器才处于工作状态；而在EI=1时，编码器处于禁止状态，时，编码器处于禁止状态，所有输出端均被封锁为高电平。所有输出端均被封锁为高电平。 译码：译码： 编码的逆过程，将编码时赋予代码的特定含义编码的逆过程，将编码时赋予代码的特定含义“翻译翻译”出来。出来。 译码器：译码器： 实现译码功能的电路。实现译码功能的电路。 输入为输入为 n位二进制代码，输出为位二进制代码，输出为2n个状态，则称之为二个状态，则称之为二进制译码器。进制译码器。 1S23SS2A

13、1A0A0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y3线线-8线译码器线译码器74138真值表真值表输入输出11111111101111111110000011111111000110111111100101101111110011111011111010011110111101011111101110110111111011011111111110)7, 2 , 1 , 0(imYii321SSSS S为控制端（又称使为控制端（又称使能端），能端）， S=1 译码工译码工作；作； S=0 禁止译码，禁止译码， 输出全输出全1 。【例】【例】 试用试用3 3线线-8-8线译码器线译码器7413874138

14、构成构成4 4线线-16-16线译码器。线译码器。二二-十进制译码器的逻辑功能是将输入的十进制译码器的逻辑功能是将输入的BCD码译成十个码译成十个输出信号。输出信号。译中译中为为0拒绝拒绝伪码伪码 数字显示器件数字显示器件 数字显示器件是用来显示数字、文字或者符号的器件，数字显示器件是用来显示数字、文字或者符号的器件，常见的有辉光数码管、荧光数码管、液晶显示器、发光常见的有辉光数码管、荧光数码管、液晶显示器、发光二极管数码管、场致发光数字板、等离子体显示板等等。二极管数码管、场致发光数字板、等离子体显示板等等。我们主要讨论发光二极管数码管。我们主要讨论发光二极管数码管。 LED数码管数码管 L

15、ED数码管又称为半导体数码管，它是由多个数码管又称为半导体数码管，它是由多个LED按按分段式封装制成的。分段式封装制成的。 LED数码管有两种形式：共阴型和共阳型。数码管有两种形式：共阴型和共阳型。七段显示七段显示LED数码管数码管(a) 外形图外形图 (b) 共阴型共阴型 (c) 共阳型共阳型公共阴极公共阴极公共阳极公共阳极高电平驱动高电平驱动低电平驱动低电平驱动 发光二极管（发光二极管（LED）的特点及其驱动方式）的特点及其驱动方式 LED具有许多优点，它具有许多优点，它不仅有工作电压低不仅有工作电压低(1.53V)、体积小、寿命长、可靠性高体积小、寿命长、可靠性高等优点，而且响应速度快等

16、优点，而且响应速度快(100ns)、亮度比较高。、亮度比较高。一般一般LED的工作电流选的工作电流选在在510mA，但不允许超过，但不允许超过最大值（通常为最大值（通常为50mA）。）。LED可以直接由门电路可以直接由门电路驱动。驱动。 mAVVFDIVVR10255R为限流电阻为限流电阻 1 1 1 1 1 1 00 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 11 1 1 1 0 0 10 1 1 0 0 1 11 0 1 1 0 1 10 0 1 1 1 1 11 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 11 1 1 0 0 1 10 0 0 1 1 0 10 0 1 1 0

17、 0 10 1 0 0 0 1 11 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 10 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 01 1 1 1 1 1 1a b c d e f g输输 出出1111111111111111001BI/RBO输入输入/输出输出0123456789101112131415灭灯灭灯灭零灭零试灯试灯功能功能（输入）（输入）1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 00 LT RBI显示显示字形字形输输 入入0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 0

18、0 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 1 0 0 0 0 A3 A2 A1 A0七段显示译码器七段显示译码器74487448的功能表的功能表 ：称为消隐：称为消隐输入输入/灭零输出端，均为灭零输出端，均为低电平有效。低电平有效。 ：称为灭零输入：称为灭零输入端，低电平有效，用于端，低电平有效，用于将无效的零灭掉。将无效的零灭掉。 ：称为灯测试输入：称为灯测试输入端 ， 低 电 平 有 效 。 当端 ， 低 电 平 有 效 。 当 它为它为0时，数码管显示数时，数码管显示数字字8，表明该数码管正常，表明该数码管

19、正常工作；否则，数码管不能工作；否则，数码管不能正常显示。数码管正常显正常显示。数码管正常显示时接高电平。示时接高电平。LTRBIRBOBI例：例：用七段显示译码器用七段显示译码器74LS48驱动共阴型驱动共阴型LED数码管。数码管。 例：例：设计一个有灭零控制的设计一个有灭零控制的10位数码显示系统，位数码显示系统，要求保留小数点后一位有效数字。要求保留小数点后一位有效数字。 能够按照给定的地址将某个数据从一组数据中选出来能够按照给定的地址将某个数据从一组数据中选出来的电路。的电路。1 1四选一数据选择器四选一数据选择器E1S0SY0D1D2D3D4选选1数据选择器功能表数据选择器功能表输入

20、输出使能地址1000000101001174x153双双4选选1数据选择器数据选择器A0 A1D10 1YD11D12 2YD13D20D21D22D2374X15375142164315109111213D10 D20D11 D21D12 D22D13 D23 D10 0 D11 0 D12 0 D13 0 0 D20 0 D21 0 D22 0 D23 0 00 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 X X1Y 2Y A1 A0输出输入1S2S1S2S2 2

21、集成数据选择器集成数据选择器74x1518选选1数选器数选器021012107210YD AA AD AA AD A A A7001177iii 0D mDmD mDm0E 当当 时时 例：例：试用一个双试用一个双4选选1数据选择器数据选择器74LS153接成一接成一个个8选选1数据选择器。数据选择器。 例：例：试用一个双试用一个双4选选1数据选择器数据选择器74LS153实现逻实现逻辑函数：辑函数：CABCABZ10)(10010110010101100101011010011001AACAACAAAACAACAACAAAACAACAACAACAAAACACAAACABCABZBAAA01，

22、 解：解：令令1;0;3210DCDCDD3 3数据分配器数据分配器0100YDA ADm1101YDA ADm2102YDA ADm3103YDA ADm S=A B= AB+A BCO=AB0 01 01 00 10 00 1 1 01 1A B输入SCO输出半加器半加器全加器全加器74LS183双全加器双全加器 全加器能把本位两个加数全加器能把本位两个加数An 、 Bn 和来自低位的进位和来自低位的进位Cn-1三者相加，得到求和结果三者相加，得到求和结果Sn 和该位的进位信号和该位的进位信号Cn 。Sn Cn0 0 00 00 0 11 00 1 01 00 1 10 11 0 01 0

23、1 0 10 11 1 00 11 1 11 1An Bn Cn-11111111)()(nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnCBACBACBACBACBACBACBASnnnnnnnnnnnnnnBACBABACBACBAC111)(串行进位加法器串行进位加法器集成的集成的4 4位超前进位加法器位超前进位加法器74HC28374HC283 用加法器设计组合逻辑电路用加法器设计组合逻辑电路8421BCD码0011余3码例：将8421BCD码转换成余3码。余3码8421BCD码3(即0011) 数值比较器：能够比较数字大小的电路。数值比较器：能够比较数字大小的电路。由真值表写出逻辑表达式

24、：由真值表写出逻辑表达式：由表达式画出逻辑图。由表达式画出逻辑图。BAFBA BAFBA ABBAFBA 输输 入入输输 出出A BFAB FAB FA=B0 00 11 01 10 0 10 1 01 0 00 0 1FA BFA BFA B1&A1B1真值表真值表（1）1位数值比较器位数值比较器（2） 4位二进制数比较器位二进制数比较器集成数值比较器集成数值比较器7485 （3）数值比较器的位数扩展）数值比较器的位数扩展串联方式串联方式 用用2片片7485组成组成8位二进制数比较器。位二进制数比较器。6BB4AA765745BAABB3A B7 74 48 85 5( (1 1)

25、)1113B2A200BF3AFIABA B2A BA3BAA B0BAFA BA1AIB2IBA B0010FA3A B2A BBA BF7 74 48 85 5( (2 2) )BAFA1AA B0A BA BI0BIB32I1FA BA BFA BF并联方式：并联方式：并联方式比串联方式的速度快。并联方式比串联方式的速度快。用用5片片7485组成组成16位二进制数比较器位二进制数比较器BA23312BAA B001BAA BA BIA BIIFA BA BF1007 74 48 85 5（4 4）A03A3AB2AB1BB021IIA BA BIA BA BFA BF7 74 48 85

26、 5（3 3）02BA10I03A BAF1FAB0A BBIA B2BA BA B7 74 48 85 5（5 5）I3A1FA BFA BFA BA BF8A8B12A12BAA B0A B4IBA BAI0AB1A B03A B0B0210FA0AAA1BAA BBI3B7 74 48 85 5（2 2）F02B37 74 48 85 5（1 1）B202A10A B31I01FA BA BIBA B0IB4AF13.4 3.4 3.4.1 3.4.1 用编码器设计组合逻辑电路用编码器设计组合逻辑电路 【例】【例】 用两片用两片8线线- -3线优先编码器线优先编码器74148组成组成16

27、线线- -4线优先线优先编码器，其逻辑图如图所示，试分析其工作原理。编码器，其逻辑图如图所示，试分析其工作原理。【例】【例】 试用试用8线线-3线优先编码器线优先编码器74148组成组成8421编码器。编码器。3.4.2 3.4.2 用译码器设计组合逻辑电路用译码器设计组合逻辑电路【例】【例】 用用74138和适当的门电路设计一个一位的二进制全减器。和适当的门电路设计一个一位的二进制全减器。【例】【例】 用用74138和适当的门电路实现逻辑函数和适当的门电路实现逻辑函数(2,4,6,8,10,12,14)Fm【例】试用【例】试用3线线-8线译码器构成的线译码器构成的1分分8数据分配器。数据分配

28、器。3.4.3 3.4.3 用数据选择器设计组合逻辑电路用数据选择器设计组合逻辑电路1 1用数据选择器实现逻辑函数用数据选择器实现逻辑函数【例】【例】 利用利用8选选1 1数据选择器数据选择器74HC151实现逻辑函数实现逻辑函数FABCABCA BCABC。2 2数据选择器的扩展数据选择器的扩展 （1 1）字扩展）字扩展【例】【例】 用四片用四片8 8选选1 1数据选择器数据选择器74LS15174LS151和和1 1片片2 2线线-4-4线译码器构线译码器构成一个成一个3232选选1 1数据选择器。数据选择器。（2 2）位扩展）位扩展【例】【例】 用一位用一位8选选1数据选择器构成一个两位的数据选择器构成一个两位的8选选1数据选择器。数据选择器。 3 3实现并行数据到串行数据的转换实现并行数据到串行数据的转换3.4.4 3.4.4 用加法器设计组合逻辑电路