第十一章 电工电子课件

第11章

门电路和组合逻辑电路【学习目标】1）了解数字电路的基本概念；掌握各种门电路的逻辑功能；2）掌握逻辑代数的基本运算规律及化简的方法；3）掌握组合逻辑电路的分析步骤和方法；4）了解和熟悉各类常用中规模集成逻辑部件的逻辑功能、工作原理及应用。【能力目标】1）能够识别各种门电路的逻辑符号；2）会分析组合逻辑电路的逻辑功能；3）培养查阅手册合理选用组合集成部件的能力。11.1数字电路概述1.数字电路基本概念(1)数字信号与数字电路电子电路中，在时间上和幅度上都是连续变化的，称为模拟信号。用于传递、加工和处理模拟信号的电路称作模拟电路。在时间上和幅度上都是断续变化的，称为数字信号。用于传递、加工和处理数字信号的电子电路，称作数字电路。

a）模拟信号

b）数字信号

数字电路主要研究输出和输入信号之间的对应逻辑关系，其分析的主要工具是逻辑代数。数字电路特点：1）便于高度集成化。2）工作可靠性高、抗干扰能力强。3）数字信息便于长期保存。4）数字集成电路产品系列多、通用性强、成本低。5）保密性好。数字信息容易进行加密处理，不易被窃取。

(2)数字电路的特点1）按构成电路的半导体器件来分类，可分为双极型（TTL）电路和单极型（CMOS）电路。2）按集成电路的集成度进行分类，可分为小规模集成数字电路（SSI）、中规模集成数字电路（MSI）、大规模集成数字电路（LSI）和超大规模集成数字电路（VLSI）。3）按电路中元器件有无记忆功能可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。

(3)数字电路的分类

(4)高电平与低电平

如图所示，S为受输入信号控制的电子开关（二极管、三极管），当二极管、三极管截止时相当于S断开，输出为高电平；当二极管、三极管导通时，相当于S闭合，输出为低电平。用1表示高电平、0表示低电平的情况称为正逻辑；反之称为负逻辑。获得高、低电平的方法2.数制

(1)二进制和十六进制二进制是以2为基数的计数体制。在二进制中，每位只有0和1两个数码，它的进位规律是逢二进一，即1+1=10。十六进制是以16为基数的计数体制，在十六进制中，每位有0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A（10）、B（11）、C（12）、D（13）、E（14）、F（15）十六个不同的数码，它的进位规律是逢十六进一，各位的权为16的幂。十进制二进制十六进制十进制二进制十六进制012345670000000100100011010001010110011101234567891011121314151000100110101011110011011110111189ABCDEF

2.不同数制间的转换（1）非十进制转换为十进制（2）十进制转换为非十进制

下表中列出了十进制、二进制、十六进制不同数制的对照关系。3.码制

码制是指利用二进制代码表示数字或符号的编码方法。用二进制码表示十进制码的编码方法称为二-十进制码，即BCD码。常用的BCD码几种编码方式如表所示。8421码5421码2421码余3码（无权码）格雷码（无权码）01234567890000000100100011010001010110011110001001000000010010001101001000100110101011110000000001001000110100101111001101111011110011010001010110011110001001101010111100000000010011001001100111010101001100100011.2门电路1.基本门电路（1）与门电路1）与逻辑若决定某一事物结果的所有条件同时具备时，结果才会发生，这种因果关系称为与逻辑。如图所示电路中，开关（条件）A与B都闭合时，灯亮（结果）才会发生，那么与和的关系就是与逻辑关系。逻辑函数表达式为L=A﹒B。与逻辑电路举例2）真值表把输入、输出变量所有相互对应的逻辑值（状态）列在一个表格内，这种表格称为逻辑函数的真值表，简称真值表。二输入变量与逻辑函数的真值表如表所示。3）逻辑符号实现与逻辑关系的逻辑电路称为与门电路，与门电路逻辑符号如图所示。

AB

L000110110001与门逻辑符号

（2）或门电路

1）或逻辑若决定某一事物结果的诸条件中只要有一个或一个以上条件具备时，结果就会发生，这种因果关系叫做或逻辑。实现或逻辑关系的逻辑电路称为或门电路。下图所示电路就是一个或逻辑事例。只要开关A或者B有一个或者两个都合上时，灯L就会亮。

或逻辑电路举例

2）或逻辑的不同表示方法如表所示。逻辑变量赋值同上述与逻辑。

逻辑表达式逻辑真值表或门逻辑符号逻辑规律ABL=A+B00110101有1出1全0出0逻辑式中的“+”表示“或”运算，即逻辑加法运算。或逻辑的几种表达方法表

1）非逻辑只要某一条件具备了，事件便不发生，而当此条件不具备时，事件一定发生，这样的因果关系叫做非逻辑，也称逻辑求反。下图是一个非逻辑的例子。按照与逻辑的赋值规则，可得到非逻辑关系的不同表示方法如表所示。（3）非门电路非逻辑电路举例逻辑表达式逻辑真值表非门逻辑符号逻辑规律AL0110进0出1进1出0逻辑表达式中变量A上边的“－”号表示“非”运算，即逻辑求反运算。逻辑符号中的“○”代表非运算。

非逻辑的几种表达方法表名称与非或非异或同或函数式真值表逻辑符号ABY001011101110AB

Y001010100110

AB

Y000011101110ABY001010100111

常见的有与非门、或非门、异或门、同或门，它们的表达方法列于下表中。（4）复合逻辑门2.集成逻辑门电路

（1）TTL与非门TTL与非门内部基本结构如图所示，多发射极管V1为输入级，V2为中间级，V3和V4组成输出级。当A、B中有一个或两个为低电平时，对应发射结正偏导通，VCC经R1为V1提供基极电流。V2因没有基极电流而截止，因此V3也截止。

当A、B全为高电平或全部悬空（视为高电平输入），VCC经R1经V1集电结为V2提供基极电流，V2导通。V2导通一方面为V3提供基极电流，使V3也导通，另一方面使V4截止。V3导通，V4截止输出低电平。由此可见，所示电路实现了“有0为1，全1出0”的与非逻辑功能，是TTL与非门。a）内部基本结构

b）逻辑符号

【TTL与非门】（2）CMOS门电路

由金属氧化物绝缘栅型场效应（MOS）管构成的单极型集成电路称为CMOS电路。常用的CMOS门电路有反相器、与非门、或非门、传输门、三态门等。无论是TTL门电路还是CMOS门电路，它们都能实现相应的逻辑功能。【CMOS电路和TTL电路的比较：】1）CMOS电路的工作速度比TTL电路的低。2）CMOS带负载的能力比TTL电路强。3）CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在3～18V，抗干扰能力比TTL电路强。4）CMOS电路的功耗比TTL电路小得多。5）CMOS集成电路的集成度比TTL电路高。

6）CMOS电路容易受静电感应而击穿，在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好，尤其是CMOS电路多余不用的输入端不能悬空，应该以不影响电路的逻辑功能为原则，接地或接高电平。而TTL电路多余输入端可以悬空，视为高电平输入。3.组合逻辑电路（1）逻辑代数逻辑代数又称为布尔代数，它描述客观事物间的逻辑关系。根据三种基本逻辑运算，可推导出一些基本公式和定律，形成了一些运算规则。1）逻辑代数的基本公式、定律见后表。逻辑代数的基本公式和定律表

名称公式0-1律0·0=00+0=00·1=00+1=11·1=11+1=10·A=00+A=A1·A=A1+A=1重叠律A·A=AA+A=A互补律还原律交换律结合律分配律反演律（德·摩根定理）吸收律2）逻辑代数的公式化简法

通常求得最简的与或式。最简与或式是指包含的乘积项最少，而且每个乘积项里的因子也最少的与或式。常用的化简方法列于表中。方法名称所用公式方法说明并项法将两项合并为一项，消去一个因子。A和B可以是一个逻辑式吸收法将多余的乘积项AB吸收掉消去法消去乘积项中的多余因子消去多余的项BC配项法或用该式乘某一项，可使其变为两项，再与其它项合并化简。用该式在原式中配重复乘积项或互补项，再与其它项合并化简。（2）组合逻辑电路

由门电路组成，没有记忆单元，任意时刻电路的输出信号仅取决于该时刻输入信号，与电路原来的状态无关，这类数字电路称为组合逻辑电路。组合逻辑电路的分析步骤如下：1）写出输出逻辑函数式。2）列真值表。3）分析逻辑功能。11.3

常用组合逻辑器件

1.编码器

所谓编码，就是用二进制码来表示给定的数字、字符或信息。（1）普通编码器在普通编码器中，任何时刻只允许输入一个编码信号，否则输出将发生混乱。若输入信号的个数N与输出变量的个数n满足N=2n，此电路称为二进制编码器。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。常见的编码器有8线－3线，16线－4线等。（2）优先编码器

在优先编码器中，允许同时输入两个以上编码信号。不过在设计优先编码器时，已经将所有的输入信号按优先顺序排了队，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。

【74LS148是常用的8线-3线优先编码器】a）符号图

b）管脚图

【74LS148的功能】如表所示。

输入输出1000000000××××××××111111110×××××××10××××××110×××××1110××××11110×××111110××1111110×1111111011111100000101001110010111011111100101010101010101

2.译码器

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。若译码器输入的是n位二进制代码，则其输出端子数N≤2n。N=2n称为完全译码，N<2n称为部分译码。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有发光二极管译码器和液晶显示译码器；按显示内容分为文字、数字、符号译码器。（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。下图所示为74LS138的符号图，管脚图。a）符号图

b）管脚图

【74LS138逻辑功能表】如表所示。输入输出A2

A1

A0×0111111111×00000000××××××00000101001110010111011111111111111111111111111011111101111110111111011111101111110111111011111101111111（2）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）七段数码显示器如图所示的半导体发光二极管显示器是数字电路中使用最多的七段显示器，它有共阴极和共阳极两种接法。

a）管脚排列图b）共阴极接线图c）共阳极接线图七段数码显示器发光段组合图【字符显示与发光段组合图】如图所示。

2）显示译码器【显示译码器74LS48的管脚排列图】如图所示。a）符号图

b）管脚图74LS48的功能表功能或十进制数输入输出A3A2A1A0abcdefg灭灯试灯动态灭零××0×10××××××××00000(输入)1000000001111111000000001234567111×1×1×1×1×1×1×000000010010001101000101011001111111111111111100110000110110111110010110011101101100111111110000

74LS48的功能表(续)功能或十进