学习情景5.四人表决器的逻辑电路设计与制作

学习情景5

四人表决器的逻辑电路设计与制作学习情景5

四人表决器的逻辑电路设计与制作【学习目标】【技能目标】1.会对TTL间电路识别与测试

2.四人表决器的逻辑电路的设计与制作知识目标

1.掌握罗辑门电路的结构、特点、分析方法

2.了解常用集成门电路的产品

3.掌握罗辑代数的基本知识

4.掌握罗辑代数的化简方法

5.组合罗辑电路的一般设计方法任务5.1逻辑门电路的基本知识

【任务描述】

逻辑门电路是数字电路的基本部件，集成门电路是数字集成电路的一部分，掌握集成门电路产品的识别与测试是电子工程技术人员的基本技能。

【任务分析】1.会TTL门电路的识别与测试

2.会CMOS门电路的识别与测试【知识准备】1．基本门电路的知识

1．1或门电路在决定某件事的条件中，只要任一条件具备，事情就会发生，符合这一规律的逻辑关系，称为或逻辑关系。图5-1-1（a）是实现或逻辑关系的开关电路，在电路中只要开关A或B有一个或一个以上闭合，灯F就会亮。这种开关的闭合和灯亮之间的关系为或逻辑关系。实现或逻辑关系的或门电路简成或门。或门的逻辑符号如图5-1-1(b)。A、B是输入端，输入端的数量可以不止两个，F是输出端。研究逻辑关系所关心的是条件是否满足及结果是否发生,而在门电路中则是输入和输出电平的高与低两种状态，所谓电平，就是表示两个电位的高与低。为了便于逻辑分析和逻辑运算，规定高电平为逻辑1，低电平为逻辑O，这种规定称为正逻辑，反之则称为负逻辑，本书一律采用正逻辑。或门的逻辑功能是：只要输入中有一个或一个以上为1输出便为表1，表5-1-1是或门逻辑功能真值表。或逻辑的运算称为或运算又称逻辑加，或门的逻辑表达式为F=A+B

根据上述逻辑关系可知逻辑加的运算规律为A+O=AA+1=1A+A=A1.2与门电路当决定某事件的全部条件同时具备时，事件才会发生，符合这一规律的逻辑关系，称为或逻辑关系。图5-1-2(a)是实现与逻辑关系的开关电路，在电路中，只有开关A、B同时闭合，灯F才会亮。这里开关的闭合和灯亮之间的关系称为与逻辑关系。实现与逻辑关系的电子电路，简称与门，与门的逻辑符号如图5-1-2（b），输入端可以不止两个。与门逻辑功能是：输入的为1时，输出才为1，表5-1-2是与逻辑功能真值表与逻辑功能运算，又称逻辑乘，与门的逻辑表达式为F=A·B

根据上述逻辑关系，可知逻辑乘运算规律为A·0=0A·1=AA·A=A1·3非门电路决定某事件的条件只有一个，当条件出现时事件不发生，而条件不出现时事件发生，符合这一规律的逻辑关系称为非逻辑关系。图5-1-3(a)是实现非逻辑关系的开关电路，在电路中，只有在开关A不闭合时，灯F才会亮。即结果的发生与条件处于相反的状态，符合这一规律的逻辑关系称为非逻辑关系。实现非逻辑关系的电子电路称为非门电路，简称非门。非门的逻辑符号如图5-1-3（b）,非门只有一个输入端和一个输出端。

非门的逻辑功能是：输入与输出的电平相反。表5-1-3是非门逻辑功能直值表。非逻辑的运算称为非运算，又称逻辑非，非门的逻辑表达式为根据上述逻辑关系，可知是逻辑非的运算规律为：2．常用集成门电路的产品简介数目集成电路按其内部有源器件的不同可以分为两大类。一类为双晶型晶体管集成电路，它主要有晶件管一晶体管逻辑（TTL—Transistor—TransistorLogic）、射极耦合逻辑（ECL—Emictor

CouprldLogic）和集成注入逻辑（IntegratedInjectionLogic）等几种类型。别一类为MOS（MetaLoxideseniconductor）集成电路，其有源器件采用金属——氧化物——半导体场效应管，它又可分为NMOS、PMOS和CMOS等几种类型。2．1TTL集成电路是双极型中导体集成电路中的一种，这种电路具有生产较早，制造工艺成熟、产量大、品种全、价格低、速度快的特点，是中小规模集成电路的主流。2.1.1TTL集成电路产品简介按照国际通用标划分，依工作温度不同，TTL集成电路分为TTL54系列（—55℃~125℃）和TTL74系列（—70~0℃）。每一系列按工作速度、功耗有的不同，又分为标准系列、H系列、S系列、LS系列和ALS系列等。国产TTL电路共有5个系列，其中，有4个系列是作为主要的产品系列，即T1000、T2000、T3000、T4000T系列。T1000系列相当于国际SN54/74通用系列，（即标准系列）；T2000系列相当于国际SN54H/74H高速系列；T3000系列相当于国际SN54S/74S肖特基系列；T4000系列相当于国际SN54LS/74LS低功耗肖特基系列。这4个主要系列的重要差别反映在平均传输延迟时间和平均功耗这两个参数上。其他电参数和引线引脚基本彼此相容。（1）74系列（简称N-TTL）。这类IC是以双极型晶体管（即通常所说的晶体管）为开关元件。输入级采用多发射极晶体管形式（各输入端分别对应一条发射极）。开关放大电路电都TTL。在速度和功耗方面，都处于现在数字IC的中等程度，品种丰富、互换性强，一般均以“74”（民用）或“54”（军用）为型号前缀，以“74”为头的均与N—TTL即74系列对应品种引脚相容。初始的N—TTL现仍有使用，但正在被淘汰。除FSC（仙童公司）的F-TTL外，其余系列产品都出自美国TL（德克萨斯仪器公司）。（2）74LS系列（简称LS、LS-TTL等）。这是TTL类型中的主要应用产品系列，也是逻辑IC的重点产品之一。品种和产生厂家都非常多，长年大批量制造，价格很低。在功耗、价格方面优势明显，但将逐步让位于H-CMOS和ALS—TTL，仅是目前还在广泛使用。（3）74S系列（简称S、S—TTL等）。这是TTL的高速型，与LS—TTL一起成为重点产品。品种比74LS系列少，功耗比LS—TTL的大得多，但速度较高。（4）74ALS系列（简称ALS、ALS—TTL等）。采用介质隔离、离了注入等新技术，寄生电容小、高，速度得以提高。这是LS—TTL的后继产品，速度（传输时间典型值为4ns）、功耗（电型值为1mW）等都有较大改进，1983年TL公司已发表ALS和AS系列320种产品。特性近似LS系列，容易取代LS。（5）74系列（简称AS、AS-TTL等）。这是S—TTL的后继产品，速度和功耗都比S-TTL有所改进，典型值为传输时间1.5ns、功耗8mW，是ALS系列的兄弟高速型。将要与ALS—TTL系列合起来成为TTL类型的新的主要标准产品。（6）74F系别（简称F、F-TTL或FAST等）。这是美国FSC采用介质隔离、离子注入等新技术开发的类似于ALS、AS的高速版TTL产品，性能介于ALS和AS之间。品种较少，将来也可能成为TTL的主流产品之一。2.1.2与非门电路与非门是TTL集成电路的基础，其他门电路与其大同小异。实现与非逻辑关系的电路称为与非门电路，简称与非门。与非逻辑关系就是先“与”后“非”，逻辑表达式为2.2CMOS电路

CMOS电路由PMOS管和NMOS管组成的一种互补型MOS集成电路，简称CMOS电路，这种电路制造方便，功耗小，带负载和抗干扰能力强，工作速度接近TTL电路，在大规模和超大规模集成电路中多数采用这种电路。2.2.1CMOS集成电路主要系列简介（1）4000B系列。4000B系列是CMOS的国际上流行的通用标准系列，与LS—TTL系列并列为20世纪80年代数字IC系列产品的代表。原先的4000B（美RCA）和4500B（美MOTA）已作为一个系列，国标称为CC4000B系列。一般来说其速度最低，功耗最小，并且价格低，品种多。（2）40H系列。40H系列是日本东芝公司初创的较高速铝栅CMOS，以后夏普公司生产的，分别用TC40H、LR40H为型号。我国生产的定为CC40H系列，速度与N—TTL相当，不及LS——TTL。因不久后出现了更高速版硅栅H—CMOS（74HC系列），随之被取代，但在要求速度不太高的应用中，从功耗、价格上来说仍有一定使用价值。（3）74HC系列（简称为HS或H—CMOS等）。74HC系列是具有CMOS低功耗性和LS—TTL高速性的产品。其初产于NSC（美国国家半导休公司）、MOTA（摩托罗拉）两公司，尔后许多厂家也相继开发成为第二产源，货源丰富，不仅速度大大提高，还避免了CMOSR4000B系列等存在易阻塞（可控硅效应易触发）性等缺点。其性能均得到很大改进，品种丰富，有200种以上，引脚与TTL类相容，有少数属4000B系列中的高速版品种与相应4000B品种的引脚相容2.2.2或非门电路下面介绍GMOS或非门的工作原理实现或非逻辑关系的电路称为或非门电路，简称或非门。或非逻辑关系就是先“或”后“非”。逻辑表达式为【任务实施】1.实施地点：电子技术实训室2.实训所需器材：（1）+5V直流稳压电源1台（2）万用表1块（3）函数发生器1台（4）双踪示波器1台（5）CT74LS201片（6）电位器1只3.实施内容与步骤（1）学生分组：4人左右一组，指定组长。工作始终各组人员尽量固定。（2）教师布置工作任务。学生了解工作内容，明确工作目标，制作实施方案。（3）教师通过图片，实物或多媒体分析演示、让学生了解TTL的功能和特性。（4）实际进行TTL的识别与测试发给学生几片不同TTL集成块要求学生从外形、型号及简单的方法进行识别测试，分析各种TTL与非门的参数特性

①验证TTL集成与非门74LS20

按图5-1-6连接实验电路，用逻辑开关改变输入端A、B、C、D逻辑电平。门的输入端接由LED发光二极管组成逻辑电平显示器（又称0-1指示器）的显示插口，LED亮为逻辑“1”不亮为逻辑“0”。按表5-1-6，逐个测试集成块中两个与非门的逻辑功能，实验测试中，只要对输入1111，0111，1011，1101，1110等5项进行检测就可以判断其逻辑功能是否正常。表5-1-6

②74LS20主要参数的测试

a、按图5-1-7导通电源电流Iccl，Iccl指所有输入端悬空，输出端空载时，电源提供器件的电源，测试结果的记入表5-1-7b、截止电源电流按图5-1-7（b）接线，是指输出端空载，每个门各有一个以上的输入端接地，其余输入端悬空，电源提供给器件的电流。测试结果计入表5-1-7中，通常〉，它们的大小标志器件的静态功耗的大小。C、低电平输入电源按图5-1-7（b）接线，是指被测输入端接地，其余输入端悬空，输出端空载时，由被测输入端流出的电流值，测试结果注入表5-1-7中。D、电压传输特性按图5-1-8接线，调节电位器RP使从零向高电平变化，逐点测试和的对应值。【学习小结】1.门电路是利用半导体器件的开关特性构成的，是数字电路中最基本的逻辑单元。与门、或门和非门是三种基本逻辑门，能实现与、或、非三种基本逻辑关系。2.TTL、ECL以及，都属于双极型数字集成电路，因为这些电路所用的三极管都是双极型的。TTL电器表现出的非逻辑功能，应掌握熟悉其参数在外部表现出的电压传输特性。3.在MOS数字集成电路中，CMOS电路是重点，由于采用了N沟道管的P沟道管互补式电路，所以功耗小，而且现在生产的高速CMOS路，其工作速度可与TTL电路媲美，在整个数字集成的电路中，CMOS电路占据主导地位的趋势日益明显。【自我评估】（1）输入波形如图所5-1-9所示,试画出下列输出波形（2）不同系列的TTL门电路，在其开关特性和功耗方面有哪些主要差别？【任务描述】

将门电路按照一定的规律连接起来，可以组成只有各种逻辑功能的逻辑电路。而逻辑代数是分析和设计逻辑电路的数学工具，因此掌握逻辑代数是电子工程技术人员的基本技能。【任务分析】1.掌握逻辑代数的基本知识

2.掌握逻辑代数的代简方法

3.组合逻辑电路的一般设计方法任务5.2四人表决器的设计与制作【知识准备】1.逻辑代数的公式和定理;

1.1基本运算1.2基本定律2.逻辑代数的化简直接根据逻辑要求而归纳出来的逻辑表达式及其对应的逻辑电路，往往不是最简单的形式，这就需要对逻辑表达式进行化简。逻辑函数的化简有公式法和卡诺图法，公式化简法就是运用逻辑代数的基本公式和定理来化简逻辑函数的一种方法。3.组合逻辑电路的一般设计方法3.1组合逻辑电路设计的目的设计组合电路的目的是根据功能要求设计最佳电路。即根据给出的实际问题，求出能够实现这一逻辑要求的最简的逻辑电路，这就是组合逻辑电路的设计，它是分析的逆过程。3.2设计组合逻辑电路的步骤

1）分析设计要求。根据题意，确定输入、输出个数及它们的相互关系，并对它们进行逻辑赋值（即确定0和1代表的含义）。

2）根据功能要求列出真值表。

3）根据真值表进行化简，得到最简逻辑表达式。

4）根据最简表达式画逻辑图。例5-5

设计一个表决电路，有A、B、C三人进行表决，当有两人或两人以上同意时决议才算通过，但同意的人中必须有A在内。解：（1）确定输入、输出变量；设输入变量A、B、C分别代表三个人，1表示同意，0表示不同意；输出变量Y表示决议是否通过，1表示通过，0表示没有通过。（2）根据题目要求列真值表，如表5-2-1所示。（3）由真值表写出逻辑函数表达式并化简得（4）画出逻辑图：逻辑电路图如图5-1a所示。若要求用与非门实现，则需要将化简后的与或表达式转换为与非形式，即画出的逻辑电路图如图5-1b所示。【任务实施】实施地点：电子技术实训室实训所需器材（1）CT74LS175一片3.实施内容与步骤（1）学生分组：4人左右一组，指定组长。工作始终各组人员尽量固定。（2）教师布置工作任务，学生了解工作内容，明确工作目标，制定实施方案。（3）教师通过图片，实物或多媒体分析演示让学生了解四人表决器的逻辑电器设