第7章-组合逻辑电路

第7章组合逻辑电路

门电路是组成数字电路的最基本单元。本章讲述数字电路的基本逻辑单元—集成门电路，重点介绍组合逻辑电路的特点及组合逻辑电路的分析方法和设计方法，然后介绍常用的各种中规模集成组合逻辑电路如编码器、译码器的工作原理和逻辑功能。

知识目标理解与门、或门、与非门、或非门、异或门的逻辑功能，熟识其图形符号。掌握TTL与非门电路的工作原理、逻辑功能。了解TTL反相器的基本特性，集电极开路门、三态输出门的功能及典型应用。了解常用CMOS门电路的基本工作原理，掌握CMOS门电路的使用常识。掌握组合逻辑电路的分析方法及读图方法，识别给定电路的逻辑功能。熟知编码器、译码器的基本概念，会分析一般的编码器、译码器电路。了解编码器、译码器集成电路的引脚功能及其应用。了解半导体数码管的基本结构和引脚符号的含义。技能目标学会查阅数字集成电路手册，根据逻辑功能要求选用集成门电路。掌握TTL和CMOS集成电路引脚识读方法，掌握其使用常识。掌握集成门电路的逻辑功能测试方法，学会使用集成逻辑门。了解组合逻辑电路一般的设计、调试及检测方法。能根据电路图安装满足特定要求的组合逻辑电路，如表决器、数码显示器等。掌握半导体七段显示数码管的使用方法。7.1集成门电路

用来实现基本逻辑关系的电子电路称为门电路。与前一章所讲的基本逻辑运算关系相对应的门电路有与门、非门、或非门、与或非门、异或门、同或门等几种。

按构成门电路的形式不同，可分为分立元件的门电路和集成门电路两类。

集成门电路具有体积小、重量轻、工作可靠性高、抗干扰能力强、价格低等优点，目前已得到广泛使用。本节重点介绍各种集成门电路的型号、功能、性能指标、引脚排列及应用。

在数字电路中，数字信号是用二值逻辑的1和0表示的，如图7.1（a）所示，关门用1表示，开门用0表示。

图7.1（b）所示为实现上述两种截然不同的状态的基本原理。

开关S断开，可表示关门状态；开关S闭合，可表示为开门状态。

开关S用二极管或三极管实现。改变输入信号ui使二极管或三极管工作在截止和导通两种状态，它们就可以起到图7.1（b）中开关S的作用。（a）生活实例图

（b）原理图

图7.1获得高、低电平的基本原理7.1.1分立元件门电路1．二极管与门

按图7.2（a）所示连接电路，按表7.1所示输入信号，测量Y的输出电位，观察测量结果。（建议仿真演示）（a）二极管与门电路

（b）逻辑符号

图7.2二极管与门归纳

二极管与门电路只有当A、B均输入高电平时，输出方为高电平，在其他情况下均为低电平。

2．二极管或门

最简单的或门电路如图7.3所示，它也是由二极管和电阻组成的。设输入的高电平为UIH=3V，低电平为UIL=0.3V。

按图7.3（a）所示连接电路，按表7.3所示输入信号，测量Y的输出电位，观察测量结果。（建议仿真演示）（a）二极管或门电路

（b）逻辑符号

图7.3二极管或门注意

二极管或门存在着输出电平偏移的问题，所以这种电路结构也只用于集成电路内部的逻辑单元。3．三极管非门

图7.4（a）所示为三极管开关电路，当输入为高电平时，三极管饱和导通，输出Y为低电平；而当输入为低电平时，三极管截止，输出为高电平。

因此，输出与输入的电平之间是反相关系，它实际上就是一个非门（亦称反相器）。

图7.4（b）所示为非门的逻辑符号，非门的输出逻辑表达式为

。（a）三极管非门电路

（b）逻辑符号

图7.4三极管非门7.1.2TTL集成逻辑门电路1．TTL集成逻辑门TTL集成逻辑门电路是三极管—三极管逻辑门电路的简称，是一种双极型三极管集成电路。TTL电路产品型号较多，国外有美国德克萨斯公司SN54/74系列、摩托罗拉公司MC54/74系列等，其中54为军用产品，74为工业产品（主要包括标准型、高速型、低功耗型、肖特基型、低功耗肖特基型等）。

由于TTL集成电路生产工艺成熟，产品参数稳定，工作可靠，开关速度高，因此获得了广泛的应用。

我国TTL系列产品型号较多，如T4000、T3000、T2000等。国外TTL集成电路只要型号一致，其功能、性能、引脚排列和封装形式就一致。（1）与非门

图7.5（a）所示为74LS00（T4000）四2输入与非门引脚排列图，图7.5（b）所示为74LS10三3输入与非门的引脚排列图，其逻辑表达式分别为

和

。（a）四2输入端与非门

（b）三3输入端与非门

图7.5TTL与非门引脚排列图（2）与门

图7.6所示为三3输入与门（74LS11）的引脚排列图，其逻辑表达式为

。图7.6三3输入与门的引脚排列图（3）非门

图7.7所示为六反相器（非门74LS04）的引脚排列图，其逻辑表达式为

。图7.7非门引脚排列图（4）或非门

图7.8所示为四2输入或非门（74LS02）的引脚排列图，其逻辑表达式为

。图7.8或非门引脚排列图2．其他类型TTL逻辑门

在TTL电路中，还有其他功能的门电路，如OC门、三态输出门等。（1）OC门

前面介绍的典型TTL与非门不能将两个或两个以上门的输出端并联在一起。而实际电路中往往需要将两个或两个以上与非门的输出端并联在一起，称为线与。

解决这个问题的办法是将与非门的集电极开路。

将集电极开路的与非门称为OC门，图7.9（a）所示为OC门（74LS03）的引脚排列图，图7.9（b）所示为其逻辑符号。（a）引脚排列图

（b）逻辑符号

图7.9OC门OC门的主要应用如下所述。①实现线与。几个OC门的输出端并联在一起使用，称为线与。为了保证OC门正常工作，必须再接上一个上拉电阻RL与电源VCC相连。图7.10所示为由3个OC门输出端并联后经电阻RL接VCC的电路。这些OC门中只有当输入端A、B、C、D、E、F同时为高电平时，输出Y才是低电平，只要每个OC门的输入端中有一个为低电平时，输出Y则为高电平，其逻辑表达式为②驱动显示器。显示电路采用OC输出结构，其输出管耐压值有15V、30V等几种，导通时允许吸收电流为10～40mA不等，可用来驱动不同类型的显示器件（如发光二极管、荧光数码管等）。图7.11所示为用OC门驱动发光二极管的显示电路。当A、B为高电平时，OC门的输出才为低电平，二极管处于正向导通，发光；反之，输出高电平，发光二极管熄灭。图7.10用OC门实现线与

图7.11显示电路（2）三态输出门（TS门）

具有3种输出状态，即高电平、低电平、高电阻的门电路，称为三态门电路。

图7.12所示为三态门的逻辑符号，它是在普通门电路的基础上，多了一个控制端EN或

，称为使能端。图7.12三态门的逻辑符号（a）=0有效

（b）EN=1有效工程应用

利用三态门实现信号传输控制1．用三态输出门构成单向总线。图7.13所示为由三态输出门构成的单向总线。当EN1、EN2、EN3轮流为高电平1，且任何时刻只有一个三态输出门工作时，输入信号A1B1、A2B2、A3B3轮流以与非关系将信号送到总线上，而其他三态输出门由于EN=0而处于高阻状态。2．用三态输出门构成双向总线。图7.14所示为由三态输出门构成的双向总线。当EN=1时，G2输出高阻，G1工作，输入数据D0经G1反相后送到总线上；当EN=0时，G1输出高阻，G2工作，总线上的数据经G2反相后输出。可见，通过EN的取值可控制数据的双向传输。图7.13用三态输出门构成的单向总线

图7.14用三态输出门构成的双向总线3．TTL门电路使用注意事项（1）TTL集成电路引脚排列方法

图7.15所示为TTL集成电路外形图。TTL集成电路通常是双列直插式，不同功能的集成电路，其引脚个数不同。

引脚编号排列方法是：把凹槽标志置于左方（图中箭头指向为凹槽），引脚向下，逆时针自下而上顺序排列。图7.15双列直插式TTL集成电路外形（2）多余或暂时不用的输入端的处理①暂时不用的与输入端可通过1k

电阻接电源，或电源小于等于5V可直接接电源，如图7.16（a）所示。②不使用的与输入端可以悬空（悬空输入端相当于接高电平1），不使用的或输入端接地（接地相当于接低电平0）。实际使用中，悬空的输入端容易接收各种干扰信号，导致工作不稳定，一般不提倡。③将不使用的输入端并接在使用的输入端上，如图7.16（b）所示。这种处理方法影响前级负载及增加输入电容，影响电路的工作速度。④TTL电路输入端不可串接大电阻，不使用的与非输入端应剪短，如图7.16（c）所示。（a）接高电平

（b）与使用端并联

（c）剪去

图7.16与非门闲置输入端的处理方法（3）输出端的处理①TTL一般门电路输出端不允许线与连接，也不能和电源或地短接，否则将损坏器件。②OC门和三态门电路可以实现线与连接。（4）其他注意事项①安装时要注意集成块外引脚的排列顺序，接插集成块时用力适度，防止引脚折伤。②焊接时用25W电烙铁较合适，焊接时间不宜过长。③调试使用时，要注意电源电压的大小和极性，尽量稳定在+5V，以免损坏集成块。④引线要尽量短，若引线不能缩短时，要考虑加屏蔽措施或采用合线。要注意防止外界电磁干扰的影响。*7.1.3CMOS集成门电路

除了三极管集成电路以外，还有一种场效应管组成的集成电路，这就是MOS集成电路。

MOS集成电路按所用的管子不同，分为PMOS电路、NMOS电路、CMOS电路，这里重点介绍CMOS门的集成单元电路。1．CMOS反相器CMOS反相器是由N沟道和P沟道的MOS管互补构成的，其电路组成如图7.17所示。

当输入端A为高电平1时，输出Y为低电平0；反之，当输入端A为低电平0时，输出Y为高电平，其逻辑表达式为

。图7.17COMS反相器电路图

反相器集成电路CC4069的引脚图如图7.18所示。图7.18CC4069引脚图2．CMOS与非门

常用的CMOS与非门如CC4011等，图7.19所示为CC4011引脚图。3．CMOS或非门

常用的CMOS或非门如CC4001等，图7.20所示为CC4001引脚图。图7.19CC4011引脚图

图7.20CC4001引脚图4．CMOS数字集成电路的特点①静态功耗低。②工作电源电压范围宽。③逻辑摆幅大。④噪声容限大。⑤输入阻抗高。⑥扇出系数大。5．CMOS门电路使用注意事项①测试CMOS电路时，禁止在CMOS本身没有接通电源的情况下输入信号。②电源接通期间不应把器件从测试座上插入或拔出；电源电压为3～5V，电源极性不能倒接。③焊接CMOS电路时，电烙铁的容量不得大于20W，并要有良好的接地线。④输出端不允许直接接地或接电源；除具有OC结构和三态输出结构的门电路外，不允许把输出端并联使用以实现线与逻辑。⑤同TTL门电路一样，多余的输入端不能悬空，与门的多余输入端应接电源VDD，或门的多余输入端接低电平或VSS，如图7.21所示。也可将多余端与使用端并联，但这样会影响信号传输速度。图7.21与或非门闲置输入端的处理7.2组合逻辑电路的分析和设计

图7.25所示为我们生活中常见的一些实际装置，其中图（a）为交通信号灯实例，图（b）为表决器实例。

若图（a）中路口两侧的灯同时显示为红色，则信号灯出现了故障。如何实现故障监测呢？本节介绍的组合逻辑电路可实现上述功能。（a）交通信号灯实例

（b）表决器实例

图7.25逻辑控制电路实例

组合逻辑电路中任意时刻的输出状态取决于该时刻输入信号的状态，而与电路原来所处的状态无关，即电路不存在记忆和存储的功能。

组合逻辑电路应用十分广泛，可以把一些特定功能的组合逻辑电路，如加法器、编码器、数据选择器、数据分配器等，设计制作成中、小规模集成电路产品。

描述组合逻辑电路功能的方法有逻辑表达式、真值表、卡诺图、逻辑图、波形图等。在中、小规模集成电路中，通常用逻辑表达式和真值表来表示逻辑功能。7.2.1组合逻辑电路的分析方法

图7.25（b）所示为一个3人投票表决器，而其功能是由逻辑电路来实现的。

组合逻辑电路分析就是要根据给定电路，找出输入和输出之间的关系，即得到电路的逻辑功能。1．组合逻辑电路分析的一般步骤

图7.26所示是组合电路的分析步骤。图7.26组合逻辑电路的分析步骤①根据所给定的组合逻辑电路图，写出逻辑函数表达式。②将表达式化简，以得到最简表达式。③由表达式列真值表。④根据真值表来确定电路的逻辑功能，用简练语言说明其功能。2．组合电路分析举例图7.273人表决器逻辑电路图7.2.2组合逻辑电路的设计

图7.25（a）所示为某路口的交通信号设备，如果信号灯发生故障，我们如何能及时发现问题并排除呢？这就要求安装检测报警系统。

组合逻辑电路的设计，就是根据给出的实际问题，求出能够实现这一逻辑功能的实际电路。它是组合电路分析的逆过程。1．组合逻辑电路的设计方法

图7.28所示为组合逻辑电路的设计步骤。①分析实际问题，根据要求确定输入、输出变量，分析它们之间的关系，将实际问题转化为逻辑问题，确定逻辑变量并赋值。确定什么情况下为逻辑1，什么情况下为逻辑0，建立正确的逻辑关系。②列真值表。根据逻辑功能的描述列真值表。③由真值表写出逻辑表达式（写出函数最小项之和的标准式）并化简。④根据最简逻辑表达式，画出相应的逻辑图。2．组合电路的设计举例图7.28组合逻辑电路的设计步骤7.3常用组合逻辑电路7.3.1编码器

在计算器和计算机等数字电路中，处理的都是二进制数代表的信息。

如图7.32所示，从计算机的键盘输入的是A、B、C或123等信息，而这些输入的内容变成所对应的只有1和0的符号后，才能进行运算处理。图7.32计算电路的生活实例

将十进制数、文字、字母等转换成若干位二进制信息符号的过程称为编码，能够完成编码功能的组合逻辑电路称为编码器（设置在数字电路的输入部分），常见的有二进制编码器、二—十进制编码器（BCD编码器）、优先编码器等。

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。将0～9十个十进制数编成二进制代码的电路，叫做二—十进制编码器，也称为10线—4线编码器。

这两类编码器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。而优先编码器中则不存在这样的问题，它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。

图7.33所示为74LS148优先编码器的实物图、示意图和引脚排列图。（a）实物图

（b）示意图

（c）引脚排列图

图7.3374LS148优先编码器

按图7.34所示连接电路，L0～L4接发光二极管，按表7.7所示输入信号状态（表7.7中×表示任意状态），观察输出状态的变化，并记录在表7.7中。（建议仿真演示）图7.34编码器功能测试7.3.2译码器

计算机电路的运算输出是二进制数，但日常生活中是以十进制数为基础的，因此在输出这些运算结果时，必须将二进制变成十进制。

把二进制代码“翻译”成一个相对应的输出信号的过程称为译码，译码是编码的逆过程，实现译码的电路称为译码器。

图7.35所示为译码器的实际应用电路，目前译码器主要由集成门电路构成，它有n个输入端，M个输出端，M≤2n。

若M=2n，称为全译码；M<2n，称为部分译码。

常用译码器有二进制译码器、二—十进制译码器和显示译码。图7.35译码器实物图1．二进制译码器

将n位二进制数译成M个输出状态的电路称为二进制译码器。现以74LS138集成电路为例介绍3线—8线译码器。74LS138的逻辑图及外引脚排列如图7.36所示，A0、A1、A2为输入线；

～

为8条输出线；STA、

、

被称为使能控制端。

按图7.37所示连接电路，L0～L4接发光二极管，8脚接地，16脚接+5V（图中未画出），按表7.8所示输入信号状态（表中7.8中×表示任意状态），观察输出状态的变化，并记录在表7.8中。（建议仿真演示）图7.3674LS138集成译码器

图7.37译码器功能测试知识拓展——常见的二进制译码器介绍

常见的二进制译码器分为2线—4线译码器、3线—8线译码器、4线—16线译码器等。

集成电路外引脚排列如图7.39所示，型号如表7.9所示。图7.39译码器引脚排列图功

能常用组件型号2线—4线译码74LS13974LS53974LS155T41393线—8线译码54/74LS13854/74LS548T3138T41384线—16线译码74LS154T4154表7.9 常见二进制译码器组件型号2．二线—十进制译码器

将4位BCD码翻译成对应的10个十进制输出信号的电路称为二线—十进制译码器。由于它有4输入端，10个输出端，又称为4线—10线译码器。

74LS42译码器的逻辑电路图和集成电路引脚排列图如图7.40所示。图7.4074LS42译码器引脚排列图3．显示译码器

在数字系统中，常常需要将测量的数据和运算结果直观地显示出来，这就需要由显示电路来完成。

译码显示电路的功能是将输入的BCD码译成对应的数字、文字、符号，再由驱动显示器显示出来，因此，显示译码器由译码器和显示器组成。

如图7.41所示，译码器和驱动器通常都集中在同一集成块中，输入为二进制代码，输出显示为十进制数。图7.41译码器的实例图（1）七段半导体数码显示器

图7.42所示为由7个发光二极管排列成的数码显示器的示意图。

发光二极管分别用a、b、c、d、e、f、g这7个字母代表，按一定的形式排列成“日”字形。通过字段的不同组合，可显示0～9十个数字。图7.42七段显示数字图形示意图7个发光段有两种接法，共阳极接法如图7.43（a）所示，共阴极接法如图7.43（b）所示，图中的R为限流电阻。

在前一种接法中，译码器输出低电平来驱动显示段发光，而在后一种接法中，译码器需要输出高电平来驱动各显示段发光。（a）共阳极接法

（b）共阴极接法

图7.43半导体数码显示器的内部接法（2）集成显示译码器

集成显示译码器品种很多，其功能也不尽相同。

下面以CT74LS247为例，对它的各功能做一些简单的分析。

CT74LS247的引脚排列图和逻辑功能示意图如图7.44所示。（a）引脚排列图

（b）逻辑功能示意图

图7.44显示译码器CT74LS2477.4实例综合分析——智力竞赛抢答器7.4.1电路构成

图7.45所示为一种4路智力抢答器电路原理图，按钮AN1～AN4可以接受4个人的操作。

当某一个按钮被按下时，其对应的LED灯亮，同时继电器J吸合，继电器开关闭合，电铃电路被接通使之发出铃声，此时其他键均失效。图7.45智力抢答器电路原理图

在图7.45中，4个与非门GA、GB、GC、GD的输出端标识分别为A、B、C、D，它和与非门的输入端A、B、C、D有对应的连接线，为了使电路图比较明了，连接线并没有画出，而是用字母标识来表示，这种电路连线的表示方式在电视机、收录机等较复杂的整机原理电路中广泛应用。7.4.2工作原理分析

在按键AN1～AN4均处于释放状态时，各个与非门中与按键相连接的那个输入端经1k

电阻接地，则该输入端可视为0电平，因此各个与非门的输出端A、B、C、D均为1，此时各个与非门中凡标有A、B、C、D的输入端也均为1，与非门GE输出0，继电器不动作。

设按键AN1先被按下，与非门GA输入高电平1，因GA其余3个输入端原来已为1，所以这时输出为A=0，发光二极管LED1被点亮，提示处于1号台抢答状态。同时因与非门GE有一输入端为低电平，故其输出为高电平，该高电平使三极管VT饱和，继电器吸合，电铃响。GA输出A=0的状态同时加到了GB、GC、GD门的输入端，因此这3个门处于关闭状态，它们的输出总为高电平，此时按键AN2、AN3、AN4不起作用，这就达到了抢答的目的。7.5技能训练7.5.1门电路的检测学习目标熟悉数字电路实验箱的结构、基本功能和使用方法。掌握TTL