数字电子技术 Digital Electronics Technology 第2章 逻辑代数基础 海南大学《数字电子技术》课程组 教学网址:http://hainu.edu.cn/szjpkc 讨论空间:http://975885101.qzone.qq.com/ E-mail: 975885101@qq.com 2018/12/3
2.1 概述 1. 逻辑与逻辑运算 2. 逻辑代数与逻辑变量 逻辑:事物间的因果关系。 2.1 概述 1. 逻辑与逻辑运算 逻辑:事物间的因果关系。 逻辑运算:逻辑状态按照指定的某种因果关系进行推理的过程。 2. 逻辑代数与逻辑变量 逻辑代数:是描述客观事物逻辑关系的数学方法,是进行逻辑分析与综合的数学工具。因为它是英国数学家乔治·布尔(George Boole)于1847年提出的,所以又称为布尔代数。 逻辑变量:逻辑代数中的变量。逻辑变量的取值范围仅为“0”和“1”,且无大小、正负之分。 2018/12/3
2.2 三种基本的逻辑运算 1. 与逻辑(AND) 当决定某一事件的全部条件都具备时,该事件才会发生,这样的因果关系称为与逻辑。 2.2 三种基本的逻辑运算 1. 与逻辑(AND) 当决定某一事件的全部条件都具备时,该事件才会发生,这样的因果关系称为与逻辑。 设定逻辑变量并状态赋值: 逻辑变量:A和B,对应两个开关的状态。1-闭合,0-断开; 逻辑函数:Y,对应灯的状态,1-灯亮,0-灯灭。 描述逻辑关系的图表称为真值表 开关A 开关B 灯Y 断开 灭 闭合 亮 串联开关电路功能表 与逻辑表达式 Y=A·B (逻辑乘) A B Y 1 与逻辑的真值表 A B Y 2018/12/3
2.2 三种基本的逻辑运算 2. 或逻辑(OR) 当决定某一事件的所有条件中,只要有一个具备,该事件就会发生,这样的因果关系叫做或逻辑。 A 2.2 三种基本的逻辑运算 2. 或逻辑(OR) 当决定某一事件的所有条件中,只要有一个具备,该事件就会发生,这样的因果关系叫做或逻辑。 A B Y 1 或逻辑的真值表 或逻辑符号 开关A 开关B 灯Y 断开 灭 闭合 亮 并联开关电路功能表 A Y 或逻辑表达式 Y=A+B (逻辑加) B 2018/12/3
2.2 三种基本的逻辑运算 3. 非逻辑(NOT) 当某一条件具备了,事情不会发生;而此条件不具备时,事情反而发生。这种逻辑关系称为非逻辑或逻辑非。 非逻辑的真值表 A Y 1 非逻辑符号 电路功能表 开关A 灯Y 断开 亮 闭合 灭 非逻辑表达式 Y=A=A’ (逻辑加) A Y 2018/12/3
2.2 三种基本的逻辑运算 4. 复合逻辑 与非 或非 真值表 真值表 X Y F 1 X Y F 1 X X F F Y Y X & F 2.2 三种基本的逻辑运算 4. 复合逻辑 与非 或非 真值表 真值表 X Y F 1 X Y F 1 X Y F X Y F & X Y F X Y F ≥1 2018/12/3
2.2 三种基本的逻辑运算 异或 同或 F=X⊙Y=X’·Y’+X·Y 真值表 真值表 X Y F 1 X Y F 1 = =1 与或非 A 2.2 三种基本的逻辑运算 异或 同或 F=X⊙Y=X’·Y’+X·Y 真值表 真值表 X Y F 1 X Y F 1 B A F B A F B A F = B A F =1 与或非 2018/12/3
2.3 逻辑代数基本与常用公式 1. 基本公式(P24) 序号 公 式 规 律 1 A 0=0 10 A+0=A 01律 2 2.3 逻辑代数基本与常用公式 1. 基本公式(P24) 序号 公 式 规 律 1 A 0=0 10 A+0=A 01律 2 A 1=A 11 A+1=1 3 1’=0; 0’=1(公理) 12 (A’)’=A 还原律 4 A A= A 13 A+A=A 重叠律 5 A A’=0 14 A+A’=1 互补律 6 A B=B A 15 A+B=B+A 交换律 7 A (B C) = (A B) C 16 A+(B+C)=(A+B)+C 结合律 8 A (B+C)=A B + A C 17 A+(BC) =(A+B) (A+C) 分配律 9 (A B)’=A’+B’ 18 (A+B)’=A’B’ 反演律 德摩根(De. Morgan)定理 2018/12/3
2.3 逻辑代数基本与常用公式 2. 常用公式(P25) 序号 公 式 规 律 19 A+A B=A 吸收律 20 2.3 逻辑代数基本与常用公式 2. 常用公式(P25) 序号 公 式 规 律 19 A+A B=A 吸收律 20 A+A’ B=A+B 21 A B+A B’=A 22 A(A+B)= A 23 A B+A’ C+B C=A B+A’C A B+A’ C+B C D=A B+A’C 24 A(AB)’=AB’;A’(AB)’=A’ 2018/12/3
2.4 逻辑代数的基本定理 1. 代入定理 2. 反演定理 例:已知 Y=AB’+(C+D’)E’,求Y’。 2.4 逻辑代数的基本定理 1. 代入定理 在任何一个含有变量A的逻辑等式中,若以一函数式取代该等式中所有A的位置,该等式仍然成立。 2. 反演定理 在一个逻辑式Y中,若将其中所有的“+”变成“·”,“·”变成“+”,“ 0”变成“1”,“1”变成“0”,原变量变成反变量,反变量变成原变量,所得函数式即为原函数式的反逻辑式,记作:Y’ 。 例:已知 Y=AB’+(C+D’)E’,求Y’。 解: Y’=(AB’+(C+D’)E’)’= (A’+B)(C’D+E) 2018/12/3
2.4 逻辑代数的基本定理 3. 对偶定理 例: x+x·y=x x·(x+y)=x x·y+x·z+y·z=x·y+x ·z 2.4 逻辑代数的基本定理 3. 对偶定理 若两个函数式相等,那么它们的对偶式也相等。 对偶式:在一个逻辑式Y中,若将其中所有的“+”变成“·”,“·”变成“+”,“0”变成“1”,“1”变成“0”,所得函数式即为原函数式的对偶式,记作:YD。 例: x+x·y=x x·(x+y)=x x·y+x·z+y·z=x·y+x ·z (x+y) ·(x+z) ·(y+z)= (x+y) ·(x+z) 2018/12/3
2.5 逻辑函数及其表示方法 1. 逻辑函数 2. 逻辑函数的表示方法 输出和输入(逻辑)变量之间的函数关系。 Y=F(A,B,C,…) 2.5 逻辑函数及其表示方法 1. 逻辑函数 输出和输入(逻辑)变量之间的函数关系。 Y=F(A,B,C,…) 2. 逻辑函数的表示方法 逻辑真值表、逻辑函数式、逻辑图、波形图和卡诺图。 (1)逻辑真值表:是由输出变量取值与对应的输入变量取值所构成的表格。列写方法是: a) 找出输入、输出变量,并用相应的字母表示; b) 列出所有输入变量可能的取值,计算对应的输出值,并以表格形式列写出来。 2018/12/3
2.5 逻辑函数及其表示方法 例:三人表决电路,当输入变量A、B、C中有两个或两个以上取值为1时,输出为1;否则,输出为0。 2.5 逻辑函数及其表示方法 例:三人表决电路,当输入变量A、B、C中有两个或两个以上取值为1时,输出为1;否则,输出为0。 三人表决电路的真值表 2018/12/3
2.5 逻辑函数及其表示方法 例:三人表决电路逻辑图 (2)逻辑函数式 2.5 逻辑函数及其表示方法 (2)逻辑函数式 是将逻辑函数中输出变量与输入变量之间的逻辑关系用与、或、非等逻辑运算符号连接起来的式子,又称函数式或逻辑式。 例:三人表决电路逻辑图 例:三人表决电路: (3)逻辑图 是将逻辑函数中输出变量与输入变量之间的逻辑关系用与、或、非等逻辑符号表示出来的图形。 2018/12/3
2.5 逻辑函数及其表示方法 (4)波形图(P31) (5)各种表示方法之间的转换 由真值表求逻辑表达式 2.5 逻辑函数及其表示方法 (4)波形图(P31) (5)各种表示方法之间的转换 由真值表求逻辑表达式 1)把真值表中逻辑函数值为1的变量组合挑出来; 2)若输入变量为1,则写成原变量,若输入变量为0,则写成反变量; 3)把每个组合中各个变量相乘,得到一个乘积项; 4)将各乘积项相加,就得到相应的逻辑表达式。 2018/12/3
2.5 逻辑函数及其表示方法 由逻辑表达式列出真值表 2.5 逻辑函数及其表示方法 由逻辑表达式列出真值表 按照逻辑表达式,对逻辑变量的各种取值进行计算,求出相应的函数值,再把变量取值和函数值一一对应列成表格。 2018/12/3
2.5 逻辑函数及其表示方法 由逻辑函数式求逻辑电路 1)画出所有的逻辑变量; 2)用“非门”对变量中有“非”的变量取“非”; 2.5 逻辑函数及其表示方法 由逻辑函数式求逻辑电路 1)画出所有的逻辑变量; 2)用“非门”对变量中有“非”的变量取“非”; 3)用“与门”对有关变量的乘积项,实现逻辑乘; 4)用“或门”对有关的乘积项,实现逻辑加; 2018/12/3
2.5 逻辑函数及其表示方法 A A B A B Y=A B+AB B AB 由逻辑图求逻辑表达式 & ≥1 1 2.5 逻辑函数及其表示方法 由逻辑图求逻辑表达式 由输入到输出逐级推导,按照每个门的符号写出每个门的逻辑函数,直到最后得到整个逻辑电路的表达式。 A 1 & A B ≥1 A B B Y=A B+AB AB 2018/12/3
2.5 逻辑函数及其表示方法 3. 逻辑函数的两种标准形式 (1)最小项和的形式——积之和(“与—或”表达式) 2.5 逻辑函数及其表示方法 3. 逻辑函数的两种标准形式 (1)最小项和的形式——积之和(“与—或”表达式) 最小项:设 m 为包含 n 个因子的乘积项,且这 n 个因子以原变量形式或者反变量形式在m中出现且只出现一次,称 m 为 n 变量的一个最小项。n变量共有2n个最小项。 最小项的编号规则:把最小项 m 值为1 的输入变量取值看作二进制数,其对应的十进制数即为该最小项的编号,记作mi 。 2018/12/3
2.5 逻辑函数及其表示方法 三变量的最小项编号表 2018/12/3
2.5 逻辑函数及其表示方法 最小项的性质: a) 对应任意一组输入变量取值,有且只有一个最小项值为1; b) 任意两个最小项之积为0; 2.5 逻辑函数及其表示方法 最小项的性质: a) 对应任意一组输入变量取值,有且只有一个最小项值为1; b) 任意两个最小项之积为0; c) 全体最小项之和为1; d)具有逻辑相邻性的两个最小项相加,可合并为一项,并消去一个不同因子。 将函数式化成最小项和的形式的方法为: 该函数式中的每个乘积项缺哪个因子,就乘以该因子加上其反变量,展开即可。 2018/12/3
2.5 逻辑函数及其表示方法 例:将函数式化成最小项和的形式。 解: 2018/12/3
2.5 逻辑函数及其表示方法 (2)最大项积的形式——和之积(“或—与”表达式) 2.5 逻辑函数及其表示方法 (2)最大项积的形式——和之积(“或—与”表达式) 最大项:设M为包含n个因子的和,且这n个因子以原变量形式或者反变量形式在M中出现且只出现一次,称M为n变量的一个最大项。n变量共有2n个最大项。 最大项的编号规则:把最大项 M 值为0 的输入变量取值看作二进制数,其对应的十进制数即为该最大项的编号,记作Mi 。 2018/12/3
2.5 逻辑函数及其表示方法 三变量的最大项编号表 2018/12/3
2.5 逻辑函数及其表示方法 最大项的性质: a) 对应任意一组输入变量取值,有且只有一个最大项值为0; b) 任意两个最大项之和为1; 2.5 逻辑函数及其表示方法 最大项的性质: a) 对应任意一组输入变量取值,有且只有一个最大项值为0; b) 任意两个最大项之和为1; c) 全体最大项之积为0; d) 具有逻辑相邻性的两个最大项相乘,可合并为一项,并消去一个不同因子。 将函数式化成最大项积的形式的方法为: 首先化成最小项和的形式,然后直接写成除了这些最小项编号以外的最大项积的形式。 2018/12/3
2.5 逻辑函数及其表示方法 例:将函数式化成最大项积的形式。 解: 2018/12/3
2.5 逻辑函数及其表示方法 4. 逻辑函数形式的变换 例:(P38-39) 其他表达式 与非-与非式: C A B F = 或-与非式: 2.5 逻辑函数及其表示方法 4. 逻辑函数形式的变换 例:(P38-39) 其他表达式 与非-与非式: C A B F = 或-与非式: ) )( ( C A B F + = 或非-或式: D C B A F + = 或非-或非式: C A B F + = 与或非式: CD AB F + = 与非-与式: C A AB F = 2018/12/3
2.6 逻辑函数的化简方法 1. 最简与或表达式 2. 公式化简法 表达式中的乘积项最少; 乘积项中含的变量少。 2.6 逻辑函数的化简方法 1. 最简与或表达式 表达式中的乘积项最少; 乘积项中含的变量少。 2. 公式化简法 并项:利用AB+AB’=A将两项并为一项,且消去一个变量B。 吸收: 利用A+AB = A消去多余的项AB。 消项:利用AB+A’C+BC=AB+A’C、AB+A’C+BCD=AB +A’C消去多余项BC或BCD。 消元:利用A+A’B=A+B消去多余变量A。 配项:利用A+A=A或A+A’=1进行配项。 2018/12/3
2.6 逻辑函数的化简方法 并项:利用AB+AB’=A将两项并为一项,消去变量B。 吸收: 利用A+AB = A消去多余的项AB。 2.6 逻辑函数的化简方法 并项:利用AB+AB’=A将两项并为一项,消去变量B。 吸收: 利用A+AB = A消去多余的项AB。 2018/12/3
2.6 逻辑函数的化简方法 消项:利用AB+A’C+BC=AB+A’C、AB+A’C+BCD=AB+A’C消去多余项BC或BCD。 2.6 逻辑函数的化简方法 消项:利用AB+A’C+BC=AB+A’C、AB+A’C+BCD=AB+A’C消去多余项BC或BCD。 消元:利用A+A’B=A+B消去多余变量A。 2018/12/3
2.6 逻辑函数的化简方法 配项:利用A+A=A或A+A’=1进行配项。 2018/12/3
2.6 逻辑函数的化简方法 3. 卡诺图化简法 逻辑函数的卡诺图化表示法 2.6 逻辑函数的化简方法 3. 卡诺图化简法 逻辑函数的卡诺图化表示法 用各小方块表示n变量的全部最小项,并使具有逻辑相邻性的最小项在几何位置上也相邻地排列起来,所得图形称为n变量最小项的卡诺图。 二变量卡诺图 三变量卡诺图 2018/12/3
2.6 逻辑函数的化简方法 四变量卡诺图 五变量卡诺图 逻辑函数式和卡诺图之间的相互转换 函数式转换成卡诺图:首先将该函数式化成最小项和的形 2.6 逻辑函数的化简方法 四变量卡诺图 五变量卡诺图 逻辑函数式和卡诺图之间的相互转换 函数式转换成卡诺图:首先将该函数式化成最小项和的形 式;然后将该函数式中包含的最小项在卡诺图相应位置处填1,其余位置处填0。 2018/12/3
2.6 逻辑函数的化简方法 2018/12/3
2.6 逻辑函数的化简方法 卡诺图化简圈“1”的原则: 每次所圈最小项(卡诺图中的1)个数尽量多,但所圈1的的个数应为 2i 个; yz 2.6 逻辑函数的化简方法 卡诺图化简圈“1”的原则: 每次所圈最小项(卡诺图中的1)个数尽量多,但所圈1的的个数应为 2i 个; yz 1 x 00 01 11 10 0 1 1 yz wx 00 01 11 10 00 01 11 10 1 yz x 00 01 11 10 0 1 2018/12/3
2.6 逻辑函数的化简方法 每个圈至少包括一个没有被圈过的1; 所有1至少被圈过一次。 yz x 00 01 11 10 yz 0 1 wx 2.6 逻辑函数的化简方法 每个圈至少包括一个没有被圈过的1; 所有1至少被圈过一次。 1 yz x 00 01 11 10 0 1 1 yz wx 00 01 11 10 00 01 11 10 1 yz wx 00 01 11 10 00 01 11 10 2018/12/3
2.6 逻辑函数的化简方法 合并最小项规则: 在所圈的最小项中,变量取值全是0的,在表达式中以反变量的形式出现;变量取值全是1的,在表达式中以原变量的形式出现;变量取值既有0也有1的,在表达式中不出现。 所圈的2i个相邻的最小项,可以消去i个变量取值既有0也有1的变量。 1 yz x 00 01 11 10 0 1 例:化简下列逻辑函数。 (1) F=∑x,y,z(1,2,5,7) 2018/12/3
2.6 逻辑函数的化简方法 1 yz x 00 01 11 10 0 1 2018/12/3
2.6 逻辑函数的化简方法 具有无关项的逻辑函数的卡诺图化简 无关项:约束项和任意项统称为无关项。 2.6 逻辑函数的化简方法 具有无关项的逻辑函数的卡诺图化简 无关项:约束项和任意项统称为无关项。 约束:指具体的逻辑问题对输入变量取值所加的限制。 约束项:不允许出现的输入变量取值所对应的最小项。 约束条件:可以用全部约束项之和等于0表示。 任意项:是指在某些输入变量取值下,函数值是0还是1都不影响电路的逻辑功能,这些输入变量取值所对应的最小项称为任意项。 2018/12/3
2.6 逻辑函数的化简方法 例:试用卡诺图法化简具有无关项的逻辑函数: 2018/12/3
2.6 逻辑函数的化简方法 例:试用卡诺图法化简具有无关项的逻辑函数: yz wx 00 01 11 10 00 01 11 10 1 d 2.6 逻辑函数的化简方法 例:试用卡诺图法化简具有无关项的逻辑函数: yz d 1 00 01 11 10 wx 00 01 11 10 2018/12/3
作业 P58-65 2.1(1)、(3)、(5); 2.2(1)、(3); 2.3- 2.7的(1); 2.8; 2.10-2.20的(1)、(3); 2.22-2.25的(1)、(3); 2018/12/3