电子技术基础与技能 第4版 教案 18 组合逻辑电路特点及结构

PAGE1武汉市仪表电子学校电工电子教案第六章教案授课班级课程名称电子技术基础与技能教学内容组合逻辑电路的基本知识课堂类型学时学时授课时间教学目标知识目标：1.组合逻辑电路的特点2.组合逻辑电路的分析步骤素养目标：培养学生的逻辑分析能力教学重、难点教学重、难点：组合逻辑电路的分析步骤教学内容及步骤备注6.1组合逻辑电路的基本知识把逻辑门电路按一定的规律加以组合，就可以构成具有各种功能的逻辑电路，称之为组合逻辑电路。6.1.1组合逻辑电路的特点【组合逻辑电路的特点】在组合逻辑电路中任意时刻的输出只取决于该时刻的输入，与电路原来的状态无关。电路无记忆功能。生活中组合逻辑电路的实例有电子密码锁，银行取款机等。【组合逻辑电路的结构】组合逻辑电路主要由逻辑门电路构成，并且输出与输入之间没有反馈连接。其组成框图如图6-2所示。图6-2组合逻辑电路的组成框图6.1.2组合逻辑电路的分析【组合逻辑电路的分析步骤】根据已知的组合逻辑电路(逻辑图)，运用逻辑电路运算规律，确定其逻辑功能的过程，称为组合逻辑电路的分析。其分析步骤为：(1)由逻辑图写表达式：根据给定的逻辑电路图，从输入到输出逐级推出输出表达式。(2)化简表达式。(3)由化简后的表达式列出真值表。(4)描述逻辑功：用文字概括出电路的逻辑功能。上述组合逻辑电路识图分析的过程可表述为：逻辑图逻辑表达式化简真值表电路的逻辑功能案例解析【例6-1】试分析图6-3所示电路的逻辑功能。图6-3逻辑电路图【解析】（1）由逻辑图写输出F的逻辑表达式为：(2)化简=AB+AC+BC（3）列出真值表,如表6-1所示。表6-1真值表ＡＢＣF００００００１００１０００１１１１０００１０１１１１０１１１１１（4）确定电路的逻辑功能。由表6-1真值表可知，三个输入变量Ａ、Ｂ、Ｃ，只要有两个或两个以上变量取值为1时，输出才为1，其余情况输出均为0。由此可见，该电路实现的是少数服从多数的表决器逻辑功能。【例6-2】分析下图6-4所示组合逻辑电路的逻辑功能。图6-4组合逻辑电路【解析】（1）由逻辑图写输出F的逻辑表达式由于上式已是最简式，所以不用再化简。（2）列出对应真值表如表6-2所示。表6-2真值表ABZ1Z2Z300010011001000111010（3）确定电路的逻辑功能。通过对真值表的分析，可以发现，当输入A<B、A=B、A>B时，三个输出Z1、Z2、Z3分别输出高电平1。所以，Z1表示A<B；Z2表示A=B；Z3表示A>B。这是一个一位数值比较电路。【例6-3】分析图6-5描述波形对应组合逻辑电路的功能。图6-5输入信号和输出信号波形【解析】波形图是描述电路的方法之一。根据已知输入输出波形图，可以直接写出电路真值表，如表6-3所示。表6-3真值表输入变量输出变量ABY000011101110分析真值表可知，该组合逻辑电路的功能是：当输入A、B相同时，输出为0；而当输入A、B不同时，输出为1。该电路反映了输入、输出之间“异或”的逻辑关系。注意：（1）在对组合逻辑电路的进行分析的时候，各步骤间不一定每个步骤都需要，如：当表达式已经成为最简时，可省略化简；当已知逻辑函数的工作波形图时，不需要列出表达式，而直接列出真值表。（2）不是每个电路均可用简练的文字来描述其功能。第六章教案授课班级课程名称电子技术基础与技能教学内容组合逻辑电路的设计课堂类型学时学时授课时间教学目的组合逻辑电路的设计步骤教学重、难点教学重、难点：组合逻辑电路的设计步骤教学内容及步骤备注*6.1.3组合逻辑电路的设计与分析过程相反，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。【组合逻辑电路的设计步骤】(1)分析设计要求，确定输入、输出变量并赋值：根据实际问题确定哪些是输入变量，哪些是输出变量；并确定什么情况下为1，什么情况下为0；将实际问题转化为逻辑问题。(2)列真值表：根据逻辑功能的描述列真值表。(3)写逻辑表达式，并化简：由真值表写出逻辑表达式并化简。(4)画逻辑电路图：根据最简逻辑表达式，画出相应的逻辑图。案例解析【例题6-4】一火灾报警系统，设有烟感、温感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，报警系统才产生报警控制信号。设计一个产生报警控制信号的电路。【解析】(1)分析设计要求，设输入、输出变量并逻辑赋值输入变量：烟感A、温感B、紫外线光感C；输出变量：报警控制信号Y；逻辑赋值：用1表示肯定，用0表示否定(2)列真值表，如表6-4所示。表6-4真值表ＡＢＣＹ００００００１００１０００１１１１０００１０１１１１０１１１１１(3)由真值表写逻辑表达式并化简化简得最简式：Y=AB+AC+BC(4)画逻辑电路图，如图6-6所示。图6-6火灾报警控制逻辑电路图第六章教案授课班级课程名称电子技术基础与技能教学内容技能训练一设计半加器电路课堂类型学时学时授课时间教学目的1、了解组合逻辑电路的分析与设计方法。2、能够利用74LS86及74LS00来组成半加器教学重、难点教学重、难点：能够利用74LS86及74LS00来组成半加器教学内容及步骤备注【训练内容及步骤】1．逻辑功能描述：从二进制数加法的角度看，只考虑了两个加数本身求和，没有考虑低位来的进位数，就是所谓半加，实现半加操作的电路，称为半加器。2．根据逻辑功能，列出半加器的真值表，如表6-7。输入输出ABSC0000011010101101表6-7真值表3．由真值表可列出半加器逻辑表达式。4．由表达式画出半加器的逻辑图，如图6-8所示。图6-8半加器的逻辑图5．利用异或门74LS86及与非门74LS00组成半加器。根据半加器的逻辑图进行连线，连接线路如图6-10所示。a)74LS86引脚排列图b）74LS86实物图c）74LS00引脚排列图d）74LS00实物图图6-974LS86和74LS00引脚排列图6．验证所设计的半加器电路的逻辑功能，记录在表6-8中。表6-8实验数据输入输出ABSC00011011第六章教案授课班级课程名称电子技术基础与技能教学内容二进制编码器课堂类型学时学时授课时间教学目的1、二进制编码器概念2、二进制编码器特点教学重、难点教学重、难点：二进制编码器特点教学内容及步骤备注6.2编码器将十进制数、文字、符号等转换成若干位二进制信息符号的过程称为编码。例：商品条形码、键盘编码器。在数字电路中用二进制代码表示有关的信号过程就称为二进制编码，如图6-16所示。实现编码功能的组合逻辑电路称为编码器。6.2.1二进制编码器【概念】将各种有特定意义的输入信息编成二进制代码的电路称为二进制编码器。编码时，用n位二进制代码可对N≤2n个输入信号进行编码，如图6-17所示。例如：一个由8个输入按键组成的键盘编码器。输入端：需要8条信号传输线对应8个输入按键；输出端：只需要3条数据线，对应输出的3位二进制代码。即每个按键输入状态对应一组3位二进制代码。【特点】任何时刻只允许输入一个有效信号，不允许同时出现两个或两个以上的有效信号。例如，在上面所述的8个输入按键组成的键盘编码器中，每次只能按下一个按键，不能同时按下两个以上的按键。【3位二进制编码器（3线-8线二进制编码器）】如图6-18所示。图6-183位二进制编码器示意图I0、I1…、I7表示8路输入，分别代表十进制数0、1、2…、7八个数字。编码器的输出是3位二进制代码，用Y0、Y1、Y2表示。编码器在任何时刻只能对0、1、2、…、7中的一个输入信号进行编号，不允许同时输入两个1。由此得出编码器的真值表，如表6-11所示。从真值表可以写出逻辑函数表达式：根据逻辑表达式可画出由3个或门组成的3位二进制编码器的逻辑图，如图6-19所示。第六章教案授课班级课程名称电子技术基础与技能教学内容编码器（二）课堂类型学时学时授课时间教学目的1、二—十进制编码器2、优先编码器教学重、难点教学重点：二—十进制编码器教学难点：优先编码器教学内容及步骤备注6.2.2二—十进制编码器将0～9十个十进制数转换为二进制代码的电路，称为二—十进制编码器，也称为10线—4线编码器。最常见的二—十进制编码器是8421码编码器。I0、I1、I2、…I9表示10路输入，Y0、Y1、Y2、Y3为4条输出线，则8421码编码器的真值表如表6-12所示。表6-12真值表输入输出Y3Y2Y1Y00（I0）00001（I1）00012（I2）00103（I3）00114（I4）01005（I5）01016（I6）01107（I7）01118（I8）10009（I9）1001根据真值表写出逻辑表达式：根据逻辑表达式画出8421BCD编码器逻辑电路图，如图6-20所示。6.2.3优先编码器前面讨论的编码器中，在同一时刻仅允许有一个输入信号，如有两个或两个以上信号同时输入，输出就会出现错误的编码。优先编码器允许同时输入两个或两个以上输入信号，电路将对优先级别高的输入信号编码，这样的电路称为优先编码器。计算机的键盘输入逻辑电路就是优先编码器的典型应用。图6-21所示为8线-3线74LS148优先编码器的引脚排列图，其真值表如表6-13所示。图6-21优先编码器74LS148）引脚排列图表6-1374LS148集成电路真值表第六章教案授课班级课程名称电子技术基础与技能教学内容数据选择器与分配器课堂类型学时学时授课时间教学目的1、数据选择器2、数据分配器教学重、难点教学重、难点：数据选择器与分配器逻辑功能教学内容及步骤备注*6.3数据选择器与分配器6.3.1数据选择器在数字电系统中，常常要求从多条线路中选择我们需要的信号并将他们分配到指定的线路中。如图6-22所示是数据的选择与分配的示意图。8图6-22数据的选择与分配的示意图【数据选择器】（1）概念：在多路数据传输中，根据地址码的要求，能把其中的一路信号挑选出来的电路就是数据选择器，又称多路选择器或多路开关。数据选择器功能示意图如图6-23所示。常见数据选择器包括2选1、4选1、8选1、16选1等。图6-23数据选择器功能示意图（2）4选1数据选择器如图6-24所示为4选1数据选择器的功能示意图和逻辑图。其中D3-D0为数据输入端，A1、A0为地址信号输入端，Y为数据输出端，为使能端，又称选通端，输入低电平有效。其真值表如表6-14所示。表6-14真值表a)功能示意图b)逻辑图图6-244选1数据选择器的功能示意图和逻辑图由真值表可知：当=1时，输出Y＝0，数据选择器不工作。当=0时，数据选择器工作。其输出为：图6-25所示为双4选1数据选择器CTLS153的引脚排列图、逻辑功能示意图和实物图。他内部包含两个4选1数据选择器，两组输入共用一组地址控制端A1、A0。a）引脚排列图b）逻辑功能示意图c）实物图图6-25双4选1数据选择器CTLS1536.3.2数据分配器【数据分配器】根据地址信号的要求将公共数据总线上的一路数据分配到指定输出通道上去的电路，称为数据分配器。数据分配是数据选择的逆过程，他的功能相当于一个波段开关，有一个输入端、多个输出端及输入端相对应的地址输入端，根据地址输入端的要求，将输入信号送到指定的输出端。数据分配器经常和数据选择器一起构成数据传送系统。图6-27所示为由3线－8线译码器CT74LS138构成的8路数据分配器。图中A2～A0为地址信号输入端，～为数据输出端，可从使能端STA、、中选择一个作为数据输入端D。如或作为数据输入端D时，输出原码。图6-273－8线译码器构成的数据分配器第六章教案授课班级课程名称电子技术基础与技能教学内容译码器课堂类型学时学时授课时间教学目的1、二进制译码器的功能2、3线一8线译码器CT74LS138及其应用教学重、难点教学重、难点：3线一8线译码器CT74LS138及其应用教学内容及步骤备注6.4译码器译码是编码的逆过程。在数字电路中，将具有特定含义的二进制代码变换成一定的输出信号，以表示二进制代码的原意，这一过程称为译码。实现译码功能的组合电路为译码器。译码过程及译码器分类，如图6-28。【二进制译码器的功能】（1）二进制译码器的功能：是将n位二进制代码译成2n个十进制数。如图6-29所示。n位二进制代码是输入量，代表2n个十进制输出量。2）特点：每输入一组代码，多个输出端中仅一个输出端有输出，可高电平1有效或低电平0有效。（3）3位二进制译码器（3线—8线译码器）框图，如图6-30所示。图6-303位二进制译码器（3线—8线译码器）框图【3线一8线译码器CT74LS138及其应用】（1）CT74LS138的逻辑图、外引脚排列，如图6-31所示。他有3个输入端、8个输出端。A2,A1,A0为二进制代码输入端；为输出端，输出低电平有效；STA，和为使能端。（2）CT74LS138集成电路处于工作状态时各输出端的逻辑表达式：（3）CT74LS138集成电路真值表,如表6-15所示。第六章教案授课班级课程名称电子技术基础与技能教学内容常用数码显示器课堂类型学时学时授课时间教学目的1、数字显示电路组成2、数码显示器件教学重、难点教学重、难点：数字显示电路组成教学内容及步骤备注6.4．2常用数码显示器在数字系统中工作的是二进制的数字信号，而人们习惯十进制的数字或运算结果，因此需要用数字显示电路，显示出便于人们观测、查看的十进制数字。【数字显示电路组成】用来驱动各种显示器件，从而将用二进制代码表示的数字、文字、符号翻译成人们习惯的形式，从而直观地显示出来的电路，称为显示译码器。显示译码器主要由译码器和驱动器两部分组成，通常这二者都集成在一块芯片中。显示译码器的输入一般为二—十进制代码，其输出的信号用以去驱动显示器，显示出十进制数字来。因此，数字显示电路通常由显示译码器和显示器组成。如图6-34所示。图6-34显示译码器和显示器【数码显示器件】数码显示器件种类繁多，其作用是用以显示数字和符号。用于十进制数的显示，目前使用较多的是分段式数码显示器。如图6-35所示为由7段发光线段a、b、c、d、e、f、g按一定的形式排列成“日”字形。通过字段发光的不同组合，可显示0～9十个数字和a～f等英文字母。图6-35七段数码显示器的示意图数字显示译码器将BCD代码译成数码管显示字所需要的相应高、低电平信号，就可使数码管显示出BCD代码所表示的对应十进制数，这是一种代码译码器。显示器的连接示意图如图6-36所示。图6-36显示器的连接示意图七段显示器主要有荧光数码管、半导体数码管和液晶数码显示器。半导体数码管在数字电路中是比较方便使用的，他是将发光二极管LED排列成“日”字形状制成的，。【半导体数码管】半导体（发光二极管）数码管有共阳极和共阴极两种接法。如图6-37所示，图中的R为限流电阻。在图6-37a）接法中，译码器输出低电平来驱动发光二极管发光，而在图6-37b）接法中，译码器需要输出高电平来驱动各发光二极管发光。a)共阳极接法b)共阴极接法图6-37半导体数码管的共阳极和共阴极两种接法优点是工作电压较低、体积小、寿命长、工作可靠性高、响应速度快、亮度高。缺点是工作电流大，每个字段的工作电流约为10mA左右。【液晶数码显示器】液晶是液态晶体的简称。他是既具有液体的流动性，又具有某些光学特性的有机化合物。液晶数码显示器，如图6-38所示。优点是工作电压低，功耗极小。缺点是显示欠清晰，响应速度慢。图6-38液晶数码显示器图6-39荧光数码管显示器【荧光数码管显示器】具有工作电压较低、驱动电流小、寿命较长、显示清晰、视角大等优点，是目前仍被采用的一种数码管。因为人眼对绿光特别敏感，所以荧光数码管发出的绿光也便于观察。常见的荧光数码管的字形笔段分六段、七段、八段和九段多种。段数愈多，字形的笔划也愈多，易于读数，但译码电路相应在复杂些。荧光数码管的段数必须与译码器相配套。荧光数码管显示器，如图6-39所示。第六章教案授课班级课程名称电子技术基础与技能教学内容技能训练二搭接显示译码器课堂类型学时学时授课时间教学目的1、认识二进制译码器的逻辑功能、特点及典型应用，进一步理解译码器的原理2、学会正确选择、使用译码器和数码管显示器。教学重、难点教学重、难点：学会正确选择、使用译码器和数码管显示器教学内容及步骤备注【训练内容及步骤】1.验证74LS138译码器显示状态（1）将如图6-40所示74LS138集成门电路块插入数面包板中。将第8脚接地（GND），第16脚接+5V电源（VCC）。输入端信号A0、A1、A2和使能端信号STA、、接6个逻辑开关，输出端信号～分别接8个LED发光二极管。（2）接通电源，按表设置各个输入信号和使能端信号的逻辑电平开关,观察输出结果并填入表6-17中。3.用7段（数码）译码驱动器74LS248和共阴极数码管LC5011组成可以显示0—9十个数字的译码数字显示器。（1)将译码驱动器74LS248和共阴极数码管LC5011插入面包板中。按图6-42连接线路。为试灯端，低电平有效；为灭零输入端，低电平有效；为灭灯输出端/灭零输出端，低电平有效；A、B、C、D为数据输入端，高电平有效；a、b、c、d、e、f、g为译码输出端，低电平有效。（2）为了检查数码显示器的好坏，使试灯端——为0，其余为任