第一章 数字电路基础,1.1 概述,1.2 逻辑代数基础,1.3 逻辑代数的基本关系和常用公式,1.4 逻辑函数的表示方法,1.5 逻辑函数式的化简,1.6 研究逻辑函数的两类问题,1.1 概述,数字信号在电路中常表现为突变的电压或电流。,一、基本概念 1 、数字信号的特点 数字信号在时间上和数值上均是离散的。如电子表 的秒信号，生产线上记录零件个数的记数信号等。,3、在数字电路中，输入信号是“条件”，输出信号是“结果”，因此输入、输出之间存在一定的因果关系，称其为逻辑关系。 它可以用逻辑表达式、 图形和真值表来描述。,有两种逻辑体制：正逻辑体制规定：高电平为逻辑1，低电平为逻辑0。负逻辑体制规定：低电平为逻辑1，高电平为逻辑0。下图为采用正逻辑体制所表的示逻辑信号：,2、正逻辑与负逻辑,数字信号是一种二值信号，用两个电平（高电平和低电平）分别来表示两个逻辑值（逻辑1和逻辑0）。,3. 数制,数制：数字量的计数方法称为数制 任意进制按十进制展开公式 :,不同数制间的转换,1）二十转换,例如：,2）十二转换,整数部分：,例如：,小数部分:例：,3）二十六转换,例：将(01011110.10110010)2化为十六进制,4）十六二转换,例：将(8FAC6)16化为二进制,5）八进制数与二进制数的转换,例：将(011110.010111)2化为八进制,例：将(52.43)8化为二进制,6）十六进制数与十进制数的转换,十六进制转换为十进制,十进制转换为十六进制：通过二进制转化,4 、二进制运算,1.4.1 二进制算术运算的特点算术运算：1：和十进制算数运算的规则相同2：逢二进一特 点：加、减、乘、除 全部可以用移位和相 加这两种操作实现。简化了电路结构,所以数字电路中普遍采用二进制算数运算,4、二进制数运算,反码、补码和补码运算有符号数的表示方法：二进制数的正、负号也是用0/1表示的。在定点运算中，最高位为符号位（0为正，1为负） 如 +89 = （0 1011001）-89 = （1 1011001）,二进制数的补码：,最高位为符号位（0为正，1为负） 正数的反码、补码和它的原码相同 正数的反码 =原码 正数的补码 =原码负数的反码 = 数值位逐位求反 负数的补码 = 反码 + 1如 +5 = （0 101）补-5 = （1 011）补,通过补码，将减一个数用加上该数的补码来实现10 5 = 510 + 7 12= 5 （舍弃进位）7+5=12 产生进位的模7是-5对模数12的补码,若模为16（即四位二进制数时） 1011 0111 = 0100（11 - 7 = 4）1011 + 1001 = 10100 =0100（舍弃进位）（11 + 916 = 4）0111 + 1001 =24 0111是- 1001对模24 （16） 的补码例1.4.1（见书本）,两个补码表示的二进制数相加时的符号位讨论,例：用二进制补码运算求出 1310 、1310 、1310 、1310,结论：将两个加数的符号位和来自最高位数字位的进位相加，结果就是和的符号,解：,5、几种常用的编码,一、十进制代码几种常用的十进制代码,二、格雷码,特点：1.每一位的状态变化都按一定的顺序循环。2.编码顺序依次变化，按表中顺序变化时，相邻代码只有一位改变状态。 应用：减少过渡噪声,三、美国信息交换标准代码（ASC）,ASC是一组七位二进制代码，共128个应用：计算机和通讯领域,一、基本逻辑运算,设：开关闭合=“1”开关不闭合=“0”灯亮，L=1灯不亮，L=0,1.2 逻辑代数的基本运算,与逻辑只有当决定一件事情的条件全部具备之后，这件事情才会发生。,1与运算,与逻辑表达式：,2或运算,或逻辑表达式：LA+B,或逻辑当决定一件事情的几个条件中，只要有一个或一个以上条件具备，这件事情就发生。,3非运算,非逻辑表达式：,非逻辑某事情发生与否，仅取决于一个条件，而且是对该条件的否定。即条件具备时事情不发生；条件不具备时事情才发生。,三、其他常用逻辑运算,2或非 由或运算和非运算组合而成。,1与非 由与运算 和非运算组合而成。,3异或,异或是一种二变量逻辑运算，当两个变量取值相同时，逻辑函数值为0；当两个变量取值不同时，逻辑函数值为1。,异或的逻辑表达式为：,1.4. 逻辑函数的表示方法,解：第一步：设置自变量和因变量。第二步：状态赋值。对于自变量A、B、C设：同意为逻辑“1”，不同意为逻辑“0”。对于因变量L设：事情通过为逻辑“1”，没通过为逻辑“0”。,（一）、逻辑函数的建立,例1. 1 三个人表决一件事情，结果按“少数服从多数”的原则决定，试建立该逻辑函数。,第三步：根据题义及上述规定列出函数的真值表。,一般地说，若输入逻辑变量A、B、C的取值确定以后，输出逻辑变量L的值也唯一地确定了，就称L是A、B、C的逻辑函数，写作：L=f（A，B，C）,逻辑函数与普通代数中的函数相比较，有两个突出的特点： （1）逻辑变量和逻辑函数只能取两个值0和1。 （2）函数和变量之间的关系是由“与”、“或”、“非”三种基本运算决定的。,（二）、逻辑函数的表示方法,1真值表将输入逻辑变量的各种可能取值和相应的函数值排列在一起而组成的表格。,2函数表达式由逻辑变量和“与”、“或”、“非”三种运算符所构成的表达式。,由真值表可以转换为函数表达式。例如，由“三人表决”函数的真值表可写出逻辑表达式：,解：该函数有两个变量，有4种取值的 可能组合，将他们按顺序排列起来即 得真值表。,反之，由函数表达式也可以转换成真值表。,例1. 2 列出下列函数的真值表：,3逻辑图由逻辑符号及它们之间的连线而构成的图形。,例1. 4 写出如图所示 逻辑图的函数表达式。,由函数表达式可以画出逻辑图。,解：可用两个非门、两个与门 和一个或门组成。,由逻辑图也可以写出表达式。,解：,例1.3、 画出下列函数的逻辑图：,1.3 逻辑代数的定律和运算规则,一、逻辑代数的基本公式,1常量和常量的关系 逻辑代数的常量只有“0”和“1”两个，这两个量之间的关系为： 00 = 0 01 = 0 11 = 1 0 + 0 = 0 0 + 1 = 1 1 + 1 = 1 2常量和变量的关系 逻辑代数的变量用字母来表示，常量和变量之间的关系为： 0A = 0 1A = A 0 + A = A 1 + A = 1 3变量和变量的关系 逻辑代数的变量用字母来表示，变量和变量之间的关系为： AA = A A = 0 A + A = A 4需要特殊记忆的式子是： 1 + 1 = 1 1 + A = 1 AA = A A = 0 A + A = A,基本定律,1交换律 AB = BA A + B = B + A 2结合律 A（BC）= （AB）C A + （B + C） =（A + B）+ C 3分配律 A（B + C）= AB + AC A + BC =（A + B）（A + C） 4还原律 (A ) = A 5反演律（得.摩根定理） (A B) = A + B (A+ B) = AB,二、逻辑代数的基本规则,1 .代入规则 对于任何一个逻辑等式，以某个逻辑变量或逻辑 函数同时取代等式两端任何一个逻辑变量后，等式依然 成立。 例如，在反演律中用BC去代替等式中的B，则新的等式 仍成立：,2 .对偶规则,将一个逻辑函数L进行下列变换： ， 0 1，1 0 所得新函数表达式叫做L的对偶式，用 L 表示。 对偶规则的基本内容是：如果两个逻辑函数表达相等，它们的对偶式也一定相等。 基本公式中的公式l和公式2就互为对偶 式。,3 .反演规则,将一个逻辑函数L进行下列变换： ， ； 0 1，1 0 ； 原变量 反变量， 反变量 原变量。 所得新函数表达式叫做L的反函数，用L表示。,利用反演规则，可以非常方便地求得一个函数的反函数。,例 求以下函数的反函数：,解：,在应用反演规则求反函数时要注意以下两点：,（1）保持运算的优先顺序不变，必要时加括号表明，如例三。 （2）变换中，几个变量（一个以上）的公共非号保持不变，如例四。,1.4 逻辑函数的代数化简法,一、逻辑函数式的常见形式 一个逻辑函数的表达式不是唯一的，可以有多种形式，并且能互相转换。例如：,其中，与或表达式是逻辑函数的最基本表达形式。,二、逻辑函数的最简“与或表达式” 的标准,（1）与项最少，即表达式中“+”号最少。（2）每个与项中的变量数最少，即表达式中“ ”号最少。,三、用代数法化简逻辑函数,1、并项法。运用公式 ，将两项合并为一项，消去一个变量。,2、吸收法。运用吸收律 A+AB=A，消去多余的与项。,如,（3）消去法。,（4）配项法。,在化简逻辑函数时，要灵活运用上述方法，才能将逻辑函数化为最简。,逻辑函数的卡诺图化简法,）,一、 最小项的定义与性质,二、逻辑函数的最小项表达式,任何一个逻辑函数表达式都可以转换为一组最小项之和，称为最小项表达式。 例 将以下逻辑函数转换成最小项表达式：,解：,=m7+m6+m3+m1,例 将下列逻辑函数转换成最小项表达式：,解：,=m7+m6+m3+m5=m（3,5,6,7）,三、卡诺图,1相邻最小项 如果两个最小项中只有一个变量互为反变量，其余变量均相同，则称这两个最小项为逻辑相邻，简称相邻项。 例如，最小项ABC和 就是相邻最小项。,如果两个相邻最小项出现在同一个逻辑函数中，可以合并为一项，同时消去互为反变量的那个量。如,2 .卡诺图,最小项的定义： n个变量的逻辑函数中，包含全部变量的乘积项称为最小项。n变量逻辑函数的全部最小项共有2n个。 用小方格来表示最小项，一个小方格代表一个最小项，然后将这些最小项按照相邻性排列起来。即用小方格几 何位置上的相邻性来表示最小项逻辑上的相邻性。,3卡诺图的结构,（1）二变量卡诺图,（2）三变量卡诺图,（3）四变量卡诺图,仔细观察可以发现，卡诺图具有很强的相邻性： （1）直观相邻性，只要小方格在几何位置上相邻（不管上下左右），它代表的最小项在逻辑上一定是相邻的。 （2）对边相邻性，即与中心轴对称的左右两边和上下两边的小方格也具有相邻性。,四、用卡诺图表示逻辑函数,1从真值表到卡诺图,2从逻辑表达式到卡诺图,（1）如果表达式为最小项表达式，则可直接填入卡诺图。 （2）如表达式不是最小项表达式，但是“与或表达式”，可将其先化成最小项表达式，再填入卡诺图。也可直接填入。,五、逻辑函数的卡诺图化简法,1卡诺图化简逻辑函数的原理 : （1）2个相邻的最小项结合，可以消去1个取值不同的变量而合并为l项。 （2）4个相邻的最小项结合，可以消去2个取值不同的变量而合并为l项。 （3）8个相邻的最小项结合，可以消去3个取值不同的变量而合并为l项。,总之，2n个相邻的最小项结合，可以消去n个取值不同的变量而合并为l项。,2用卡诺图合并最小项的原则（画圈的原则）（1）尽量画大圈，但每个圈内只能含有2n（n=0,1,2,3）个相邻项。要特别注意对边相邻性和四角相邻性。 （2）圈的个数尽量少。 （3）卡诺图中所有取值为1的方格均要被圈过，即不能漏下取值为1的最小项。,（4）在新画的包围圈中至少要含有1个末被圈过的1方格，否则该包围圈是多余的。,