《数字电子技术基础》(第五版)教学课件 清华大学 阎石 王红

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《数字电子技术基础》(第五版)教学课件 清华大学 阎石 王红 《数字电子技术基础》(第五版)教学课件 清华大学 阎石 王红 联系地址:清华大学 自动化系 邮政编码:100084 电子信箱:wang_hong@tsinghua.edu.cn 联系电话:(010)62792973

第四章 组合逻辑电路

4.1概述 一、组合逻辑电路的特点 从功能上 从电路结构上 任意时刻的输出仅 取决于该时刻的输入 不含记忆(存储)元件

二、逻辑功能的描述 组合逻辑 电路 组合逻辑电路的框图

4.2.2 组合逻辑电路的设计方法 一、逻辑抽象 分析因果关系,确定输入/输出变量 定义逻辑状态的含意(赋值) 列出真值表 二、写出函数式 三、选定器件类型 四、根据所选器件:对逻辑式化简(用门) 变换(用MSI) 或进行相应的描述(PLD) 五、画出逻辑电路图,或下载到PLD 六、工艺设计

设计举例: 设计一个监视交通信号灯状态的逻辑电路 如果信号灯 出现故障, Z为1 R A G Z

设计举例: 1. 抽象 输入变量: 红(R)、黄(A)、绿(G) 输出变量: 故障信号(Z) 2. 写出逻辑表达式 输入变量 输出 R A 1 1. 抽象 输入变量: 红(R)、黄(A)、绿(G) 输出变量: 故障信号(Z) 2. 写出逻辑表达式

设计举例: 3. 选用小规模SSI器件 4. 化简 5. 画出逻辑图

4.3 若干常用组合逻辑电路 4.3.1 编码器 编码:将输入的每个高/低电平信号变成一个对应的二进制代码 普通编码器 优先编码器

一、普通编码器 特点:任何时刻只允许输入一个编码信号。 例:3位二进制普通编码器 输 入 输 出 I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 输 入 输 出 I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 Y2 Y1 Y0 1 特点:任何时刻只允许输入一个编码信号。 例:3位二进制普通编码器

利用无关项化简,得:

二、优先编码器 特点:允许同时输入两个以上的编码信号,但只对其中优先权最高的一个进行编码。 例:8线-3线优先编码器 输 入 输 出 I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 Y2 Y1 Y0 X 1 特点:允许同时输入两个以上的编码信号,但只对其中优先权最高的一个进行编码。 例:8线-3线优先编码器 (设I7优先权最高…I0优先权最低)

实例: 74HC148 低电平

选通信号 选通信号

附 加 输 出 信 号 为0时,电路工作无编码输入 为0时,电路工作有编码输入

输 入 输 出 1 X

附加输出信号的状态及含意 状态 1 不工作 工作,但无输入 工作,且有输入 不可能出现

控制端扩展功能举例: 例: 用两片8线-3线优先编码器 16线-4线优先编码器 其中, 的优先权最高· · ·

状态 1 不工作 工作,但无输入 工作,且有输入 不可能出现

第一片为高优先权 只有(1)无编码输入时,(2)才允许工作 第(1)片 时表示对 的编码 低3位输出应是两片的输出的“或”

三、二-十进制优先编码器 将 编成0110 ~ 1110 的优先权最高, 最低 输入的低电平信号变成一个对应的十进制的编码

4.3.2 译码器 译码:将每个输入的二进制代码译成对应的输出高、低电平信号。 常用的有:二进制译码器,二-十进制译码器,显示译码器等 输 入 输 出 A2 A1 A0 Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0 1 一、二进制译码器 例:3线—8线译码器

真值表 逻辑表达式: 用电路进行实现 用二极管与门阵列组成的3线-8线译码器

集成译码器实例:74HC138 附加 控制端 低电平输出

74HC138的功能表: 输 入 输 出 S1 A2 A1 A0 X 1

利用附加控制端进行扩展 例: 用74HC138(3线—8线译码器) 4线—16线译码器

D3=1 D3=0

二、二—十进制译码器 将输入BCD码的10个代码译成10个高、低电平的输出信号 BCD码以外的伪码,输出均无低电平信号产生 例:74HC42

三、用译码器设计组合逻辑电路 1. 基本原理 3位二进制译码器给出3变量的全部最小项; 。。。 n位二进制译码器给出n变量的全部最小项; 任意函数 将n位二进制译码输出的最小项组合起来,可获得任何形式的输入变量不大于n的组合函数

2. 举例 例:利用74HC138设计一个多输出的组合逻辑电路,输出逻辑函数式为:

四、显示译码器 1. 七段字符显示器 如:

2. BCD七段字符显示译码器 (代码转换器)7448 输 入 输 出 数字 A3 A2 A1 A0 Ya Yb Yc Yd Ye Yf 输 入 输 出 数字 A3 A2 A1 A0 Ya Yb Yc Yd Ye Yf Yg 字形 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

真值表 卡诺图

BCD-七段显示译码器7448的逻辑图

7448的附加控制信号:(1) 灯测试输入 当 时,Ya ~ Yg全部置为1

7448的附加控制信号:(2) 灭零输入 当 时, 时,则灭灯

7448的附加控制信号:(3) 灭灯输入/灭零输出 输入信号,称灭灯输入控制端: 无论输入状态是什么,数码管熄灭 输出信号,称灭零输出端: 只有当输入 ,且灭零输入信号 时, 才给出低电平 因此 表示译码器将本来应该显示的零熄灭了

例:利用 和 的配合,实现多位显示系统的灭零控制 例:利用 和 的配合,实现多位显示系统的灭零控制 整数部分:最高位是0,而且灭掉以后,输出 作为次高位的 输入信号 小数部分:最低位是0,而且灭掉以后,输出 作为次低位的 输入信号

4.3.3 数据选择器 一、工作原理

例:“双四选一”,74HC153 分析其中的一个“四选一” A1 A0 Y1 1 X D10 D11 D12 D13

例:用两个“四选一”接成“八选一” “四选一”只有2位地址输入,从四个输入中选中一个 “八选一”的八个数据需要3位地址代码指定其中任何一个

二、用数据选择器设计组合电路 1. 基本原理 具有n位地址输入的数据选择器,可产生任何形式的输入变量不大于n+1的组合函数

例如:

4.3.4 加法器 一、1位加法器 1. 半加器,不考虑来自低位的进位,将两个1位的二进制数相加 输 入 输 出 A B S CO 1

2. 全加器:将两个1位二进制数及来自低位的进位相加 输 入 输 出 A B CI S CO 1 74LS183 74HC183

二、多位加法器 串行进位加法器 优点:简单 缺点:慢

2. 超前进位加法器 基本原理:加到第i位 的进位输入信号是两 个加数第i位以前各位 (0 ~ j-1)的函数, 可在相加前由A,B两数确定。 优点:快,每1位的和 及最后的进位基本同时产生。 缺点:电路复杂。 74LS283

三、用加法器设计组合电路 基本原理: 若能生成函数可变换成输入变量与输入变量相加 若能生成函数可变换成输入变量与常量相加 例:将BCD的8421码转换为余3码 输 入 输 出 D C B A Y3 Y2 Y1 Y0 1

思考:已知X是3位二进制数(其值小于等于5),试实现Y=3X 并用7段数码管进行显示 ? ? Y=3X D2 D1 D0

4.3.5 数值比较器 用来比较两个二进制数的数值大小 一、1位数值比较器 A,B比较有三种可能结果

二、多位数值比较器 原理:从高位比起,只有高位相等,才比较下一位。 例如:

2. 集成电路CC14585 实现4位二进制数的比较

3. 比较两个8位二进制数的大小

4.4 组合逻辑电路中的竞争-冒险现象 4.4.1 竞争-冒险现象及成因 一、什么是“竞争” 两个输入“同时向相反的逻辑电平变化”,称存在“竞争” 二、因“竞争”而可能在输出产 生尖峰脉冲的现象,称为 “竞争-冒险”。

三、2线—4线译码器中的竞争-冒险现象

4.4.2 * 略 4.4.3 消除竞争-冒险现象的方法 一、接入滤波电容 尖峰脉冲很窄,用很小的电容就可将尖峰削弱到 VTH 以下。 二、引入选通脉冲 取选通脉冲作用时间,在电路达到稳定之后,P的高电平期的输出信号不会出现尖峰。

三、修改逻辑设计 例:

4.5用multisim分析组合逻辑电路 例:用mulitisim分析逻辑电路.找出电路的逻辑函数式和逻辑真值表。