数字电子技术第四章(阎石第六版)

组合逻辑电路本章将介绍组合逻辑电路的基本概念和设计原理。组合逻辑电路是数字电子技术的基础,广泛应用于各种电子设备和系统中。我们将深入探讨其工作原理、常见电路以及设计方法,以帮助读者全面掌握这一重要的电路基础知识。SabySadeeqaalMirza4.1组合逻辑电路的基本概念定义组合逻辑电路是由若干个逻辑门电路连接而成的电路系统,其输出仅取决于当前的输入状态,而不依赖于以前的输入状态或内部储存的信息。特点组合逻辑电路没有反馈机制,输出状态仅由当前输入状态决定,没有存储功能。它们实现的是组合逻辑功能。分类组合逻辑电路可分为编码器、译码器、加法器、多路选择器等基本逻辑电路模块。4.1.1组合逻辑电路的定义组合逻辑电路是一种仅根据当前输入信号就能确定输出信号的电路。它不需要任何存储器件,也不会有时间延迟,输出信号会立即根据输入信号确定。组合逻辑电路不会对输入信号产生记忆效应,每次输出只取决于当前的输入。4.1.2组合逻辑电路的特点组合性:输出状态完全由当前输入状态决定,不依赖于之前的输入状态或输出状态。系统没有内部记忆。无时序性:输出响应在任何时间实时发生,没有时间延迟。输出状态与输入状态的变化同步变化。电路简单:组合逻辑电路通常由门电路等基本电路模块组成,结构相对简单。易于分析和设计。4.1.3组合逻辑电路的分类组合逻辑电路可以分为多输入单输出和多输入多输出两大类。前者包括与门、或门、非门等基本逻辑门电路，后者包括译码器、编码器、多路选择器等复杂的组合逻辑电路。从功能上看，组合逻辑电路可以分为算术逻辑电路和数字信号处理电路两大类。前者如加法器、减法器等，后者如数码管驱动电路、模数转换电路等。从实现方式上看，组合逻辑电路可以分为离散器件实现和集成电路实现两大类。前者利用二极管、晶体管等单独器件组成,后者利用ASIC、FPGA等集成电路片实现。基本逻辑运算数字电子技术中的基本逻辑运算包括与逻辑运算、或逻辑运算和非逻辑运算。这些基本逻辑运算是组合逻辑电路的基础,可以用来描述和分析复杂的数字电路。4.2.1与逻辑运算与逻辑运算是最基本的逻辑运算之一。它的逻辑表达式为A·B，其中A和B为两个变量。当且仅当A和B均为1时，与逻辑运算的结果为1；否则结果为0。与逻辑运算可以用来实现基本的逻辑运算，如实现AND门电路。4.2.2或逻辑运算或逻辑运算是一种基本的逻辑运算,用于处理多个逻辑变量之间的关系。在或逻辑运算中,只要有一个或多个输入为1,那么输出就为1。当所有输入都为0时,输出才为0。或逻辑运算用于实现各种组合逻辑电路,可以实现多种功能,如编码器、译码器、多路选择器等。4.2.3非逻辑运算非逻辑运算是指对输入信号进行取反、缩小或延迟等基本逻辑运算。这种运算通常用于对数字信号进行预处理或后处理,以实现特定的功能需求。非门电路就是非逻辑运算的典型代表,它能够将输入信号的逻辑值反转。这种基本的逻辑门电路在数字系统中广泛应用,是实现各种复杂逻辑功能的基础。基本逻辑门电路组合逻辑电路由各种基本逻辑门电路组成。了解这些基本逻辑门电路的工作原理和特性,对于理解和设计组合逻辑电路至关重要。本节将介绍与或非等基本逻辑门电路。4.3.1与门电路与门电路是最基本的逻辑门之一,其逻辑函数为AND运算。与门电路的输出只有在当且仅当所有输入端都为1时输出才为1,其他情况输出均为0。与门电路可以由二极管或晶体管组成,其电路原理简单,可靠性高,广泛应用于数字电子设计。4.3.2或门电路或门电路是组合逻辑电路中最基本的逻辑门之一,它以"或"逻辑运算为基础。或门电路的功能是当一个或多个输入信号为高电平时,其输出信号为高电平。或门电路由多个二极管和一个负载电阻组成,具有简单的电路结构和可靠的工作特性。4.3.3非门电路非门电路是最简单的逻辑电路之一。它具有单个输入和单个输出。非门电路的输出总是与输入相反，即当输入为高电平时，输出为低电平;当输入为低电平时，输出为高电平。这种反相特性使非门电路在组合逻辑电路中广泛应用。非门电路通过对输入信号进行翻转操作来实现其功能。它可以作为其他逻辑门电路的基本构建块,在复杂电路的设计中发挥重要作用。非门电路的简单性和可靠性使其成为数字电子技术中不可或缺的基本元件。4.3.4其他基本逻辑门电路除了与门、或门和非门之外,还有一些其他基本的逻辑门电路,如异或门、同或门和半加器等。这些逻辑门电路都能实现一些特定的逻辑运算,在数字电路设计中有广泛的应用。这些特殊的逻辑门电路均有自己的符号和真值表,在设计复杂数字电路时非常有用。组合逻辑电路的分析与设计组合逻辑电路的分析和设计是数字电子技术中的重要内容。它包括使用真值表法、卡诺图法和布尔代数法等多种方法,从输入输出特性出发,分析和设计出满足要求的组合逻辑电路。这些分析和设计技术为实现复杂的数字电子系统提供了基础。4.4.1真值表法真值表是一种描述组合逻辑电路行为的直观方法。它以输入信号的所有可能组合为行，输出信号的值为列，交叉点的值就是该组合输入时的输出结果。通过构建真值表，可以清晰地分析组合逻辑电路的功能和性能。真值表的构建过程简单直观，便于理解和设计电路。对于复杂的组合逻辑电路，真值表会变得非常庞大，不利于分析和设计。4.4.2卡诺图法卡诺图是一种用于分析和简化布尔函数的图形化工具。它通过将变量排列在横纵坐标上,将真值表中的1和0对应到图中的矩形单元格。通过识别图中的最大矩形区域,可以简化复杂的布尔表达式,得到最简单的逻辑电路实现。4.4.3布尔代数法布尔代数法是组合逻辑电路分析和设计的重要工具。它利用布尔代数的基本运算—与、或、非等来描述和简化逻辑电路的功能。通过应用布尔代数的一些定律和化简技巧，可以得到更加简洁、节约资源的逻辑电路实现方案。这种方法不仅可用于分析现有电路，更能帮助设计师设计出更优秀的新型逻辑电路。布尔代数法为逻辑电路的分析与设计提供了一种系统化、理论化的方法。组合逻辑电路的实现组合逻辑电路有多种实现方式,包括利用二极管和晶体管、集成电路以及FPGA等技术。这些实现方式各有优缺点,适用于不同的应用场景。掌握组合逻辑电路的各种实现技术,有助于设计出更加高效、稳定的数字电子系统。4.5.1二极管和晶体管实现在早期的数字电子电路中,二极管和晶体管是最基础的电子元件。通过合理地组合这些单元元件,可以实现各种复杂的组合逻辑电路。二极管和晶体管提供了实现布尔逻辑运算的基础,能够可靠地执行与、或、非等基本逻辑运算。电路设计师利用二极管和晶体管的开关特性,构建出电流受控的逻辑门电路。通过合理的电路拓扑和参数设计,可以实现可靠的组合逻辑电路功能。这种方法虽然较为简单原始,但仍广泛应用于一些特殊场合。4.5.2集成电路实现集成电路(IntegratedCircuit,IC)是当代电子技术的重大发明,它将大量电子元件集成在一块半导体芯片上,是组合逻辑电路实现的主要方式之一。集成电路具有体积小、重量轻、可靠性高、功耗低等优点,广泛应用于各种电子产品中。现代集成电路集成度非常高,可将数百万到数十亿个晶体管集成在一个芯片上。不同规模和功能的集成电路可用于实现各种组合逻辑电路,如编码器、译码器、加法器等。随着工艺的不断进步,集成电路的性能不断提高,成本不断下降,在数字电子系统中得到广泛应用。4.5.3FPGA实现FPGA(FieldProgrammableGateArray)是一种可编程的集成电路,可以用于实现组合逻辑电路。相比于传统的离散元件实现,FPGA具有以下优势:可编程性强,能够通过编程快速修改电路配置,提高了设计灵活性。集成度高,在单个芯片上可以集成大量逻辑门和寄存器,实现复杂的组合逻辑电路。工作速度快,内部互连布线减少了时延,适合高速数字电路应用。FPGA通过编程的方式来实现组合逻辑电路,相比于集成电路实现具有更强的灵活性和可重构性。这使得FPGA在许多领域如信号处理、通信等广泛应用。FPGA实现组合逻辑电路现代数字电子系统越来越倾向于采用可编程逻辑器件(FPGA)来实现组合逻辑电路。FPGA具有足够的灵活性和强大的编程能力,可以快速地实现复杂的数字逻辑功能。通过软件编程,可以轻松地进行逻辑电路的设计和修改,大大提高了系统开发的效率。4.6.1编码器和译码器编码器和译码器是组合逻辑电路的重要应用之一。编码器将输入信号转换为二进制编码输出，而译码器则将二进制编码输入转换为相应的输出信号。它们在数字系统中广泛应用，如键盘、显示器、内存地址选择等。编码器和译码器电路实现简单、功能丰富、应用广泛，是数字电子技术不可或缺的重要组成部分。多路选择器多路选择器是一种组合逻辑电路,用于根据控制信号选择输入信号中的一路传送到输出端。主要应用于数字系统中的数据选择和寻址等场景,如指令寻址、存储器寻址、数据选择等。多路选择器的输入端可以有多个,输出端通常只有一个,且输出信号随控制信