第8章组合逻辑电路要点解读.ppt

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第8章组合逻辑电路,【本章内容提要】组合逻辑电路的结构特点及功能特点；组合逻辑电路的分析方法与设计方法；编码器、译码器、加法器、数据选择器、数据分配器的工作原理及使用方法；组合电路中的竞争-冒险现象及消除方法。

本章内容提要重点：

（1）组合逻辑电路的结构与功能特点；

（2）组合逻辑电路的分析与设计方法；（3）编码器、译码器、数据选择器、加法器、数值比较器等组合逻辑电路的逻辑功能及应用。

难点：

（1）互斥编码器与优先编码器的功能区别；

（2）用3/8线译码器实现组合逻辑函数；（3）用数据选择器实现组合逻辑函数；（4）组合逻辑芯片的功能扩展。

8.1组合逻辑电路的特点及分析设计方法,8.1.1组合电路的特点1.功能特点组合电路在任意时刻的输出仅仅取决于该时刻输入信号的状态，而与该时刻之前电路的状态无关。

简而言之，组合电路“无记忆性”。

图8-1所示是一个有多输入端和多输出端的组合电路框图，其中A1、A2、Am为输入逻辑变量，Y1、Y2、Yn为输出逻辑变量，输出与输入之间的关系表示为Y1=f1（A1、A2、Am）Y2=f2（A1、A2、Am）（8-1）Yn=fn（A1、A2、Am）,图8-1,2.结构特点组合电路之所以具有以上功能特点，归根结底是由于结构上满足以下特点：

（1）不包含记忆（存储）元件；

（2）不存在输出到输入的反馈回路。

需要指出的是，在第7章介绍的各种门电路均属于组合电路，它们是构成复杂组合电路的单元电路。

8.1.2组合电路的一般分析方法分析组合电路，就是根据已知的逻辑图，找出输出变量与输入变量之间的逻辑关系，从而确定电路的逻辑功能。

分析组合电路，通常遵循以下步骤：

（1）根据给定逻辑图写出输出变量的逻辑表达式；

（2）用公式法或卡诺图法化简逻辑表达式；（3）根据化简后的表达式列出真值表；（4）根据真值表所反映的输出与输入变量的取值对应关系，说明电路的逻辑功能。

例8-1试分析图8-2所示电路的逻辑功能。

解

（1）从输入端依次写出各门电路输出信号的逻辑表达式：

（2）列出逻辑函数真值表，如表8-1所示。

（3）逻辑功能分析由真值表可知，当A、B、C中有多数个为1时，F即为1。

因此，图8-2所示电路具有多数表决的功能，是一个多数表决电路。

例8-2分析图8-3所示电路的逻辑功能。

解

（1）写逻辑表达式。

（2）化简。

图8-3,（或）,（3）由化简后的表达式列出真值表如表8-2所列。

（4）分析逻辑功能。

由真值表可知，只要A、B、C的取值不一样，输出Y就为1；否则，当A、B、C取值一样时，Y为0。

所以，这是一个三变量的非一致电路。

例8-3试分析图8-4所示电路的逻辑功能。

解

（1）写出图8-4的逻辑表达式。

（2）由逻辑表达式得真值表如表8-3所列。

（3）分析逻辑功能.由真值表可知，当4个输入变量中有奇数个1时，输出为1；否则，输入变量中有偶数个1时，输出为0，这样根据输出结果就可以校验输入1的个数是否为奇数，因此图8-4所示电路是一个4输入变量的奇校验电路。

表8-3例8-3真值表ABCDYABCDY00000100010001110010001011010000110101110100111000010101101101100111010111111110,图8-3,8.1.3组合电路的一般设计方法组合电路的设计与分析过程相反，它是根据已知的逻辑问题，首先列出真值表，然后求出逻辑函数的最简表达式，继而画出逻辑图。

组合电路的设计通常以电路简单、所用器件最少为目标。

前面介绍的用公式法和卡诺图法化简逻辑函数，就是为了获得最简表达式，以便使用最少的门电路组合成逻辑电路。

但是由于在设计中普遍采用中、小规模集成电路，一片集成电路包括几个至几十个同一类型的门电路，因此应根据具体情况，尽可能减少所用器件的数目和种类，这样可以使组装好的电路结构紧凑，达到工作可靠的目的。

组合电路的设计可遵循以下步骤：

（1）设定输入、输出变量并进行逻辑赋值；

（2）根据功能要求列出真值表；（3）根据真值表写出逻辑表达式并化成最简；（4）根据最简表达式画出逻辑图。

例8-4设计一个三人表决电路，要求实现：

大多数人同意时，结果才能通过。

解

（1）设定变量并进行逻辑赋值。

用A、B、C表示三个人，即输入变量；用Y代表结果，即输出变量。

且采用正逻辑赋值，A、B、C为1表示同意，为0表示不同意；Y为1表示结果通过，为0表示不通过。

这种用字母表示特定事物的过程叫做设定变量，用二进制代码0和1表示事物两种相反状态的过程称为逻辑赋值。

如果没有特别说明，一般均采用正逻辑进行赋值。

（2）根据题目要求列真值表，如表8-4所列。

（3）由真值表写出逻辑表达式并化简。

（4）画逻辑图。

若用与非门实现，则先求最简与非-与非表达式,逻辑图如图8-5所示。

图8-5,例8-5设计一个燃油锅炉自动报警器。

要求燃油喷嘴在开启状态下，如锅炉水温或压力过高则发出报警信号。

要求用与非门实现。

解

（1）设定变量并进行逻辑赋值。

将喷嘴开关、锅炉水温、压力分分别用A、B、C表示；A=1表示喷嘴开关打开，A=0表示喷嘴开关关闭；B、C为1表示温度、压力过高，为0表示温度、压力正常。

报警信号作为输出变量用F表示，F=0表示正常，F=1报警。

（2）根据题意列真值表，如表8-5所示。

（3）根据真值表写表达式并化为最简。

由于要求用与非门实现，所以需将表达式变换成与非-与非式。

即,（4）画逻辑图。

用与非门实现的逻辑图如图8-6所示。

例8-6设A、B、C为某保密锁的3个按键，当A键单独按下时，锁既不打开也不报警；只有当A、B、C或者A、B或者A、C分别同时按下时，锁才能被打开，当不符合上述组合状态时，将发出报警信息，试分别用与非门和或非门设计此保密锁的逻辑电路。

解

（1）设定变量并进行状态赋值.设A、B、C为三个按键，按下为1，不按为0。

设F和G分别为开锁信号和报警信号，开锁为1，不开锁为0，报警为1，不报警为0。

（2）根据题意列真值表，如表8-6所示。

（3）根据真值表写表达式并化为最简。

若用与非门实现，需将表达式变换成与非-与非式。

即,若用或非门实现，需将表达式变换成或非-或非式。

根据第1章介绍的求或非-或非式的方法，可得,（4）画逻辑图。

用与非门和或非门实现的逻辑图分别如图8-7和图8-8所示。

8.2常用组合逻辑电路介绍,常用组合逻辑电路：

编码器、译码器、加法器、数据选择器、数值比较器、数据分配器、函数发生器等电路是常用的组合逻辑电路，它们经常、大量地出现在各种数字系统中。

为了使用方便，已经将这些逻辑电路制成了中、小规模集成电路产品。

在设计大规模集成电路时，也经常调用这些模块，作为所设计电路的组成部分。

下面就分别介绍这些电路的工作原理及使用方法。

8.2.1编码器1.什么是编码一般地说，用文字、符号或者数字表示特定事物的过程都可以叫做编码。

例如，人一出生就要起名字，入学后被编上学号，运动员身上带的号码布等等，都属于编码。

而数字电路中的编码，是指用二进制代码表示不同的事物。

能够实现编码功能的电路称做编码器。

n位二进制代码可以组成2n种不同的状态，也就可以表示2n个不同的信息。

若要对N个输入信息进行编码，则满足N2n（8-2）n为二进制代码的位数，也即输入变量的个数。

当N=2n时，是利用了n个输入变量的全部组合进行的编码，称为全编码，实现全编码的电路叫做全编码器（或称二进制编码器）；当N2n时，是利用了n个输入变量的部分状态进行的编码，称为部分编码。

2.二进制编码器二进制编码器也叫全编码器，其框图如图8-9所示。

框图中，输入信号I1、I2I2n为2n个有待于编码的信息，输出信号Yn、Yn-1Y1为n位二进制代码，其中Yn为代码的最高位，Y1为最低位。

例如，当n=3时，称为3位二进制编码器；当n=4时，称为4位二进制编码器。

图8-9,编码器的编码特点：

对于编码器而言，在编码过程中，一次只能有一个输入信号被编码，被编码的信号必须是有效电平，有效电平可能是高电平，也有可能是低电平，这与电路设计有关，不同编码器，其有效电平可能不同。

例如，某个编码器的输入有效电平是高电平，表明只有当输入信号为高电平时才能被编码，而输入为低电平时不能被编码。

对于输出的二进制代码来说，可能是原码，也有可能是反码，这也取决于电路设计中所选取的门电路的种类。

例如，十进制数“9”的4位原码是1001，而反码是0110。

二进制编码器讨论：

二进制编码器又分为普通编码器和优先编码器。

（1）普通编码器以3位二进制普通编码器为例。

表8-7是该编码器的真值表，由表可以看出：

输入信号为低电平有效，因此输入信号“I”上面带有反号；输入信号之间互相排斥，即不允许有两个或两个以上输入信号同时为有效电平，因此，这种普通编码器又称作互斥编码器。

输出信号为原码，所以“Y”上面没有反号，这种二进制编码器又可称作8线-3线（8/3线）编码器。

根据真值表可以写出输出变量Y2、Y1、Y0的表达式为：

由表达式画出逻辑电路图如图8-10（a）所示，图（b）是该3/8线互斥编码器的逻辑符号。

图8-10,

（2）优先编码器与普通编码器不同，优先编码器允许同时有几个输入信号为有效电平，但电路只能对其中优先级别最高的信号进行编码。

同样以8/3线优先编码器为例，设输入信号I7I0为高电平有效（“I”上不带反号），输出为原码（Y2、Y1、Y0上也没有反号）。

若输入信号的优先级别依次为I7、I6、I1、I0，则可以得到表8-8所列的真值表（表中“”表示取0取1均可）。

显然，表中输入信号允许同时有多个为有效电平1。

由表8-8可分别写出Y2、Y1、Y0的表达式如下：

若用与或非门实现且反码输出，即输出为、，则上面的式子可写成：

如果输入为低电平有效，即反变量输入，则根据、的表达式可画出8/3线优先编码器的逻辑图，如图8-11所示。

特别地，当输入低电平有效时，常将反相器的“o”画在输入端，如图中G1G7。

另外注意，图中为隐含码，即当输入信号均无输入时（即均为1），此时，、均为1，此即的编码。

图8-11,（3）集成8/3线优先编码器图8-12（a）是集成TTL8/3线优先编码器74LS148的引脚排列图，图（b）是其逻辑符号，在理论分析中，采用的都是集成电路的逻辑符号。

而集成电路的外部引脚排列图多用于实际连线中。

表8-9是它的真值表。

74LS148除了具备表8-8所示的8/3线优先编码器的功能外，还增加了一些功能端、和。

图8-12,为使能端，低电平有效，即当=0时，电路才处于工作状态，对输入信号进行编码。

否则，当=1时，编码被禁止，输出为无效的高阻态，用1表示。

和分别称作选通输出端和扩展输出端，它们均用于编码器的级联扩展。

级联应用时将高位片的端与低位片的端连接起来，可以扩展编码器的功能，并且要使=0，必须均为无效电平1。

在级联应用时可作输出位的扩展端。

例8-7试用两片8/3线优先编码器74LS148级联，构成16/4线编码器。

解连线图如图8-13所示。

图8-13,是编码输入信号，低电平有效，优先级别最高，优先级别最低；组成4位二进制反码作输出信号。

当高位片无输入而低位片有输入时（即全为1，中至少有一个为0时），高位片的=0，低位片工作，=1，输出为的编码10001111（反码）。

当高位片有输入时（即中至少有一个为低电平时），高位片的=1，低位片停止工作，=0，输出为的编码00000111（反码）。

3十进制编码器将10个输入信号I9I0分别编成对应的8421BCD码的电路称为十进制编码器，也称为二-十进制编码器或8421BCD码编码器。

计算机的键盘输入逻辑电路就是由编码器组成。

图8-14所示是用十个按键和门电路组成的8421BCD码编码器，其中代表10个按键，即对应十进制数09的输入键，低电平有效；A、B、C、D为输出代码，组成4位