《电工电子技术基础与应用》项目6

电工电子技术基础与应用目录项目1直流电路项目2正弦交流电路项目3变压器与三相异步电动机项目4二极管及其应用项目5三极管及其应用项目6逻辑门电路与组合逻辑电路项目7触发器与时序逻辑电路逻辑门电路与组合逻辑电路项目6客舱安全管理与应急处置签到扫码下载文旌课堂APP扫码签到（202X.X.XXXX:00至202X.X.XXXX:10）签到方式教师通过“文旌课堂APP”生成签到二维码，并设置签到时间，学生通过“文旌课堂APP”扫描“签到二维码”进行签到。。数字电路是指用离散的电路状态（如低电平和高电平）代表信号，并将其按一定规则进行运算的电子电路。根据逻辑功能特点的不同，数字电路可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。其中，组合逻辑电路由基本的逻辑门电路组合而成，它在任何时刻的输出状态仅取决于该电路当时各输入变量的状态组合，而与电路过去的输入、输出状态无关。本项目主要介绍逻辑代数和逻辑门电路的基本知识，组合逻辑电路的分析和设计方法，以及常用的组合逻辑器件。项目导读项目导读学习目标知识目标 能够正确分析数字集成电路的内部逻辑结构 能够正确测试TTL集成门电路的逻辑功能 能够制作简单的组合逻辑电路技能目标 培养逻辑严谨、辩证统一的科学思维 树立科技成才、技能报国的人生理想素质目标 掌握数制转换和编码的方法以及常用的逻辑运算方法 掌握逻辑函数的表示方法 掌握分立元件门电路和TTL集成门电路的电路结构和特性 掌握组合逻辑电路的分析和设计方法 熟悉常用的组合逻辑器件目录任务6.1

掌握逻辑代数的基本知识任务6.2

认识逻辑门电路任务6.3掌握组合逻辑电路的应用任务6.1掌握逻辑代数的基本知识任务引入逻辑代数是一种用于描述客观事物逻辑关系的数学方法，它是分析和设计数字电路的基本工具和理论基础。在逻辑代数中，根据与、或、非三种最基本的逻辑运算规则，可以得到一些基本公式和基本定理，它们是化简逻辑函数表达式（以下简称逻辑式）的主要依据。数字集成电路是基于一定的逻辑运算规则，将相关元器件集成到同一片半导体芯片上而制成的。常见的数字集成电路有74LS00型、74LS20型、74LS08型、74LS02型和74LS32型等。请选择合适的器材，识别常见的数字集成电路，分析它们的内部逻辑结构。本任务的知识与技能要求如下表所示。任务引入任务内容掌握逻辑代数的基本知识学习程度识记理解应用学习任务数制转换

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编码●逻辑运算

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逻辑函数的表示方法●实训任务分析数字集成电路的内部逻辑结构

●自我勉励学习目标任务工单学生领取任务工单（详见教材），并完成工单内容。1．知识准备3．任务实施2．工具和器材准备4．任务评价电子电路中的信号分为模拟信号和数字信号两大类。模拟信号在时间上或振幅上是连续的，数字信号在时间上和振幅上都是不连续的，如下图所示。相关知识处理模拟信号的电路称为模拟电路，模拟电路主要研究输出信号与输入信号之间的大小和相位关系。处理数字信号的电路称为数字电路，数字电路主要研究输出信号与输入信号之间的逻辑关系，它是以逻辑代数为数学基础，使用二进制数字信号进行算术运算和逻辑运算的。下面首先介绍逻辑代数的基本知识。6.1.1数制转换相关知识1．将二进制数、八进制数和十六进制数转换为十进制数将二进制数、八进制数和十六进制数转换为十进制数，只需要按如下方式展开，然后将各展开项相加即可。相关知识2．将十进制数转换为二进制数、八进制数和十六进制数1）将十进制整数转换为二进制数、八进制数和十六进制数将十进制整数转换为二进制数、八进制数和十六进制数常用的方法为：除基数取余，直到商为0。例如，将十进制数46转换为二进制数，其计算过程如下。由此可得：。相关知识2）将十进制小数转换为二进制数、八进制数、十六进制数将十进制小数转换为二进制数、八进制数、十六进制数常用的方法为：乘基数取整，直至小数部分为0或达到规定的精度为止。例如，将十进制数0.562转换为二进制数的计算过程如下。当一个数既有整数部分又有小数部分时，则可用上述的“除基数取余”和“乘基数取整”方法分别对整数部分和小数部分进行转换，然后合并起来即可。相关知识3．二进制数与十六进制数之间的相互转换由于十六进制数的基数为16，，因此4位二进制数就相当于1位十六进制数。二进制数转换为十六进制数的方法为：将二进制数整数部分从低位到高位每4位分为一组，最后不满4位者在前面加0，每组以等值的十六进制数代替；同时将二进制数小数部分从高位到低位每4位分为一组，最后不满4位者在后面加0，每组以等值的十六进制数代替。同理，若要将十六进制数转换为二进制数，只需要将每位十六进制数以等值的4位二进制数代替即可。4．二进制数与八进制数之间的相互转换二进制数与八进制数之间的转换同二进制数与十六进制数之间的转换方法相似，即将3位二进制数分为一组进行转换即可。相关知识6.1.2编码将若干位二进制数按一定的方式组合起来，用于表示数和字符等信息的过程称为编码，这些特定的二进制数则称为代码。将代码还原成所表示的数和字符等信息的过程称为译码。十进制代码的编码方式较多，下面主要介绍BCD码和格雷码。1．BCD码若用4位二进制数来表示1位十进制数中的0～9这十个数码，则这些二进制数称为二-十进制码，简称BCD码（binarycodeddecimal）。相关知识点拨BCD码用4位二进制数码表示的只是十进制数的一位。如果要表示一个多位十进制数，则应先将其每一位用BCD码表示，然后把它们组合起来。由于4位二进制数有16种不同的组合方式，因此BCD码有16种代码，而从中选取10种代码来分别与十进制数中的0～9相对应，这会有多种方案，其中常用的有8421码、2421码、5421码和余3码等，如表6-4（详见教材）所示。相关知识1）8421码、2421码和5421码8421码、2421码和5421码都属于恒权码，4位二进制数的每一位都有一定的位权，各位权之和就是它所表示的十进制数。例如，8421码从高位到低位各位的位权分别为8、4、2、1，因此8421码1001表示十进制数9。8421码是最基本、最常见的一种BCD码。2）余3码余3码是对8421码加上二进制数0011（对应十进制数3）而形成的一种无权码。当两个十进制数的和是10时，这两个十进制数相应的余3码的和正好是16，因此可自动产生进位信号，从而给运算带来方便。余3码在运算中必须对运算结果进行修正。2．格雷码格雷码是一种常见的无权码。如表6-5（详见教材）所示为4位格雷码与十进制数的对照表，其中任意两个相邻4位格雷码只有1位二进制数不同，且最大数与最小数之间也仅有1位二进制数不同，即“首尾相连”，因此格雷码又称循环码。格雷码在相邻代码之间转换时，只有一位二进制数码产生变化，这与其他编码同时改变两位或多位的情况相比不容易出错，因此格雷码具有较好的可靠性。6.1.3逻辑运算相关知识逻辑代数的基本运算有与、或、非三种。为了便于理解它们的含义，下面以指示灯的三种控制电路为例，分别对其进行介绍。如下图所示为指示灯的三种控制电路，设A、B分别表示两个开关的状态，并以1表示开关闭合，0表示开关断开；Y表示指示灯的状态，并以1表示指示灯亮，0表示指示灯不亮。相关知识1．基本逻辑运算1）与运算只有当两个开关同时闭合时，指示灯才会亮；只要有一个开关断开，指示灯就不亮。这表明，只有当决定一件事情的条件全部具备之后，这件事情才会发生。这种因果关系称为逻辑与。与运算的逻辑式为与运算的逻辑运算规则为：输入有0，输出为0；输入全1，输出为1。2）或运算只要两个开关中的一个闭合或两个同时闭合，指示灯才会亮；只有当两个开关全部断开时，指示灯才不亮。这表明，在决定一件事情的几个条件中，只要具备一个或一个以上条件，这件事情就会发生。这种因果关系称为逻辑或。或运算的逻辑式为或运算的逻辑运算规则为：输入有1，输出为1；输入全0，输出为0。3）非运算当开关闭合时，指示灯不亮；当开关断开时，指示灯亮。这表明，当决定一件事情的条件具备时，这件事情不发生；当决定一件事情的条件不具备时，这件事情才发生。这种因果关系称为逻辑非。非运算的逻辑式为相关知识2．复合逻辑运算实际的逻辑运算往往要比与、或、非运算复杂得多，但是任何复杂的逻辑运算都可以由这三种基本逻辑运算组合而成。在实际应用中，为了减少逻辑门的数目，使数字电路的设计更方便，还常常使用以下几种复合逻辑运算。1）与非运算与非运算由与运算和非运算组合而成。2）或非运算或非运算由或运算和非运算组合而成。3）异或运算异或运算的逻辑关系为：当两个变量取值相同时，逻辑函数值为0；当两个变量取值不同时，逻辑函数值为1。4）同或运算同或运算的逻辑关系与异或运算的相反，即当两个变量取值相同时，逻辑函数值为1；否则，逻辑函数值为0。相关知识3．逻辑运算的基本公式和基本定理1）逻辑运算的基本公式如表6-13（详见教材）所示为逻辑运算的基本公式。2）代入定理对于任意一个逻辑等式，以某个逻辑变量或逻辑函数同时取代等式两端的同一个逻辑变量后，等式依然成立。利用代入定理可以方便扩展公式。3）反演定理对于任意一个逻辑函数F，若将其中所有的“+”换成“·”，“·”换成“+”，0换成1，1换成0，原变量换成反变量，反变量换成原变量，则得到的结果就是

。4）对偶定理对于任意一个逻辑函数F，若将其中的“+”换成“·”，“·”换成“+”，0换成1，1换成0，则得到的结果就是F的对偶式，用表示。如果两个逻辑函数的表达式相等，那么它们的对偶式也一定相等。6.1.4逻辑函数的表示方法相关知识以逻辑变量为输入信号，以运算结果为输出信号，表述输入信号与输出信号之间逻辑关系的函数称为逻辑函数。逻辑函数常用的表示方法有真值表、逻辑函数表达式（简称逻辑式或函数式）、逻辑图、波形图、卡诺图等。下面先介绍前三种表示方法。相关知识1．真值表用真值表表示逻辑函数时，为避免遗漏，真值表中变量的取值组合应按照二进制递增的次序排列。以三人表决事件为例，根据少数服从多数的原则可得：当A、B、C中至少有两个为1时表决结果才为1，于是可列出这一事件的真值表，如表6-14（详见教材）所示。2．逻辑式将逻辑函数列为与、或、非这三种运算的组合式，即可得到逻辑式。一般情况下，逻辑式可以从真值表或逻辑图得出，由真值表转换为逻辑式的方法为：首先在真值表中找出函数值为1的那些变量组合，每个组合对应一个乘积项；然后将组合中取值为1的变量作为原变量，取值为0的变量作为反变量；最后将这些乘积相加。在三人表决事件中，由其真值表可得反之，也可将逻辑式转换为真值表。其方法为：绘制真值表的表格，将变量及变量的所有取值组合按照二进制递增的次序列入表格左边，然后将所有组合状态逐一代入逻辑式，求出相应的函数值，填入表格输出对应的位置。3．逻辑图将逻辑式中各变量之间的与、或、非等逻辑关系用图形符号表示出来，就可以绘制出该逻辑函数的逻辑图。要将给定的逻辑式转换为逻辑图，只需要用图形符号代替逻辑式中的逻辑运算符号，并按优先顺序将它们连接起来即可。任务6.2认识逻辑门电路

任务引入逻辑门电路是数字电路的基本逻辑单元。如果把一个数字电路看作一个城市的道路交通网络，那么逻辑门电路就相当于各路口的交通信号灯。有了逻辑门电路，数字电路就可以对数字信号进行各种逻辑运算，从而实现相应的逻辑功能。请选择合适的工具和器材，对TTL集成门电路的逻辑功能进行测试。本任务的知识与技能要求如下表所示。任务引入任务内容认识逻辑门电路学习程度识记理解应用学习任务分立元件的开关特性

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与门、或门和非门电路

●TTL集成门电路的电路结构和电压传输特性

●TTL集成门电路的主要参数

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实训任务测试TTL集成门电路的逻辑功能

●自我勉励学习目标任务工单学生领取任务工单（详见教材），并完成工单内容。1．知识准备3．任务实施2．工具和器材准备4．任务评价相关知识6.2.1分立元件门电路1．分立元件的开关特性1）二极管的开关特性逻辑代数中的各个逻辑变量和逻辑函数的取值只能是“0”或“1”，这里的“0”和“1”表示的是两种不同的逻辑状态，如真和假、开和关、导通和截止、高电平和低电平等。获得高、低电平的电路结构如下图所示。其中，输入电压可以控制开关S的断开与闭合。当开关S断开时，输出电压为高电平，表示一种逻辑状态；当开关S闭合时，输出电压为低电平，表示另外一种逻辑状态。相关知识利用二极管的单向导通性，可用二极管代替如上图所示的开关S。一般情况下，当加在二极管两端的正向电压大于等于0.7V时，二极管处于导通状态，此时的二极管相当于一个具有0.7V电压降的闭合开关；当加在二极管两端的正向电压小于0.7V，或者在二极管两端加的是反向电压时，二极管处于截止状态，此时的二极管相当于处于开路状态的开关。2）三极管的开关特性在数字电路中，三极管的偏置电路应尽量使三极管处于非放大状态，即要求三极管工作在饱和导通状态或截止状态。一般情况下，当三极管发射结电压大于等于0.7V时，三极管处于饱和导通状态，此时的发射结相当于具有0.7V电压降的闭合开关，而集电结相当于具有0.3V电压降的闭合开关。当三极管发射结电压小于0.7V时，三极管处于截止状态，此时三极管各极之间是断开的。相关知识2．与门电路如右图所示为二极管与门电路。其中，A、B为输入变量，Y为输出变量。设，A、B的高、低电平分别为3V和0V，二极管正向导通时的电压降为0.7V。相关知识上述分析结果可以以表格的形式列出，如下表所示。其中，若规定3V及以上为高电平，用逻辑1表示；0.7V及以下为低电平，用逻辑0表示。则由该表可得二极管与门电路的真值表，如下表所示。A/VB/VY/V000.7030.7300.7333.7ABY000010100111由商标可列出与门电路的逻辑式，即

若在二极管与门电路中增加一个输入端和一个二极管，则该电路可变成三个输入端的与门电路。按此方法可构成更多输入端的与门电路。相关知识3．或门电路如下图所示为二极管或门电路，其输入、输出电平如下表所示。二极管或门电路真值表如右表所示。由该表可列出或门电路的逻辑式，即

A/VB/VY/V000032.3302.3332.3ABY000011101111相关知识4．非门电路如右图所示为三极管非门电路，基于该电路制得的电子器件称为反相器。相关知识三极管非门电路的输入、输出电平三极管非门电路的真值表A/VY/V0550.3AY0110由上述分析可得三极管非门电路的输入、输出电平和真值表，如下表所示。由商标可列出非门电路的逻辑式，即相关知识6.2.2TTL集成门电路如果把由分立元件构成的逻辑门电路中的所有元件，如二极管、三极管、电阻及导线等都制作在一块半导体芯片上，再把它们封装在一个管壳内，则可制得集成门电路。与分立元件构成的逻辑门电路相比，集成门电路具有体积小、可靠性高等优点，应用非常广泛。根据内部有源器件类型的不同，集成门电路可以分为双极型集成门电路和单极型集成门电路两大类。其中，最为常见的双极型集成门电路为晶体管-晶体管逻辑（Transistor-TransistorLogic）集成门电路，简称TTL集成门电路。下面以TTL与非门电路为例，介绍TTL集成门电路的相关知识。输入级是一个多发射极三极管，它的等效电路如下图所示，它的作用同二极管与门电路的作用相似中间级的作用同三极管非门电路的作用相同；输出级的作用是提高输出端的带负载能力和抗干扰能力。相关知识1．电路结构如右图所示为TTL与非门电路的电路结构。相关知识2．电压传输特性在TTL集成门电路中，输出电压随输入电压变化的特性称为电压传输特性。描述输出电压与输入电压关系的曲线称为电压传输特性曲线。如下图所示为TTL与非门电路的测试电路及电压传输特性曲线。相关知识相关知识4．主要参数相关知识与时代互动，点亮成就彼此的光近年来，中国科技事业取得举世瞩目的成就，从“上九天揽月”到“下五洋捉鳖”，一大批重大科技创新成果竞相涌现，让海内外中华儿女都为之振奋自豪。然而，中国科技在快速发展的过程中仍然存在许多短板，其中之一就是很多关键核心技术没有掌握在自己手中，包括高端芯片制造在内的诸多领域面临着被“卡脖子”的问题。小小一枚芯片，展示着一个国家的科技实力；小小一枚芯片，也凝聚着几代人的不懈追求。……详见教材砥节砺行任务6.3

掌握组合逻辑电路的应用任务引入当由三人表决某项提案时，若两人及两人以上同意，则提案通过；否则，提案不能通过。为了实现这一逻辑功能，可设计一个三人表决器。由于采用分立元件门电路无法实现这类功能，因此该三人表决器需要采用如下图所示的组合逻辑电路。请选择合适的工具和器材，制作三人表决器，并对其进行调试。任务引入本任务的知识与技能要求如下表所示。任务内容掌握组合逻辑电路的分析和设计学习程度识记理解应用学习任务组合逻辑电路的分析和设计

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常用组合逻辑器件

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实训任务制作三人表决器

●自我勉励学习目标任务工单学生领取任务工单（详见教材），并完成工单内容。1．知识准备3．任务实施2．工具和器材准备4．任务评价分析组合逻辑电路就是就是对给定的组合逻辑电路进行逻辑分析，求出其相应的输入、输出逻辑关系表达式，确定其逻辑功能。组合逻辑电路的分析方法一般是：首先从电路的输入信号到输出信号逐级列出逻辑式，最终得到表示输出信号与输入信号关系的逻辑式；然后将得到的逻辑式化简为最简式；最后分析电路的逻辑功能，此时需要将逻辑式的最简式转换为真值表，再根据真值表进行分析。6.3.1组合逻辑电路的分析方法相关知识相关知识如右图所示为某组合逻辑电路，其分析方法如下。（1）从输入信号到输出信号逐级列出逻辑式。设P为中间变量，则有（2）化简逻辑式，得到逻辑式的最简式，即（3）根据逻辑式的最简式列出真值表，如表6-29（详见教材）所示。（4）分析逻辑功能。由表6-29可知，当A、B、C三个变量不一致时，输出为1；当A、B、C三个变量一致时，输出为0。设计组合逻辑电路是分析组合逻辑电路的逆过程，即已知逻辑功能要求，据此设计出可实现该逻辑功能的组合逻辑电路。设计组合逻辑电路的一般步骤如下。相关知识组合逻辑电路的设计一般应以电路简单、所用器件最少为目标，并尽量减少所用芯片的种类。（1）分析逻辑功能，明确输入信号与输出信号。（2）根据逻辑功能列出相应的真值表。（3）根据真值表列出逻辑函数的最小项表达式。（4）化简逻辑函数的最小项表达式，并根据可能提供的逻辑电路类型，将其转换为相应的表达式。（5）绘制与表达式对应的逻辑图。6.3.2组合逻辑电路的设计方法在各种数字系统中，经常会大量地使用一些组合逻辑器件，如编码器、译码器、加法器、数据选择器、数值比较器等。为了方便使用，这些组合逻辑器件被制成了标准化集成电路器件。下面将分别介绍这些常用的组合逻辑器件。6.3.3常用组合逻辑器件相关知识能实现编码功能的组合逻辑器件称为编码器，编码器的输入信号为被编信号，输出信号为二进制代码。根据编码形式的不同，编码器可分为二进制编码器和BCD编码器两种；根据编码方式的不同，编码器可分为普通编码器和优先编码器两种；根据输出二进制代码位数的不同，编码器可分为4线-2线编码器、8线-3线编码器和16线-4线编码器等。下面主要介绍二进制编码器和优先编码器的相关知识。1．编码器相关知识相关知识相关知识如下图所示为74LS148型优先编码器的逻辑图。相关知识能实现译码操作的组合逻辑器件称为译码器。二进制代码在编码时被赋予了特定的含意，即表示一个确定的信号或对象。译码器可以将输入代码的状态转换为相应的输出信号，以表示其原意。根据需要，输出信号可以是脉冲信号，也可以是高、低电平信号。2．译码器相关知识如表6-32（详见教材）所示为2线-4线译码器的真值表，如下图所示为其逻辑图。相关知识相关知识74LS138型译码器的逻辑图如下图所示。相关知识在数字电子计算机中，四则运算——加、减、乘、除都是分解成加法运算实现的，因此加法器便成了最基本的运算单元。加法器有半加器和全加器两种类型，它们是能完成1位二进制数相加的组合逻辑器件。1）半加器只考虑两个相加数本身，而不考虑低位进位的加法运算称为半加运算。能实现半加运算的逻辑电路称为半加器。半加器的真值表如表6-34（详见教材）所示。表中的A和B分别表示被加数和加数输入信号，S为和数输出信号，C为向相邻高位的进位输出信号