第6章 组合逻辑电路,6.1 门电路 6.2 组合逻辑电路的分析方法和设计方法 6.3 编码器 6.4 译码器 6.5 数据选择器和分配器 6.6 加法器和数值比较器 6.7 基础实验 6.8 技能训练 6.9 本章小节,www.jiaocaiwang.com,www.jiaocaiwang.com,6.1 门电路,目前各种数字电路都广泛采用集成电路。构成集成电路的半导体器件主要有两大类：一类是双极型晶体管逻辑门；另一类是单极型MOS集成电路，常用的是TTL电路和CMOS电路。,一、 TTL门电路,1TTL与非门,如图6-1所示为TTL与非门集成电路图及逻辑符号。该电路由三部分组成，第一部分是由多发射极三极管VT1构成的输入级实现与逻辑，其等效电路图如图6-2所示，第二部分是VT2构成的反相放大器，第三部分是由VT3、VT4、VT5组成的推拉式输出电路，用以提高输出的负载能力和抗干扰能力。,www.jiaocaiwang.com,图6-1 TTL与非门电路图及逻辑符号 a) 电路 b) 逻辑符号,www.jiaocaiwang.com,（1）TTL与非门的工作原理 当输入至少有一个为低电平，VT2、VT5都截止，而VT3、VT4导通，输出为高电平。 当全部输入端为高电平时，VT2和VT5饱和，VT3和VT4均截止， 输出为低电平。,综上所述，当输入全为高电平时，输出为低电平，这时VT5饱和，电路处于开门状态；当输入端至少有一个为低电平时，输出为高电平，这时VT5截止，电路处于关门状态。,www.jiaocaiwang.com,（2）TTL与非门的电压传输特性,图6-3 TTL与非门电压传输特性,www.jiaocaiwang.com,（3）主要参数,1）输出高电平UOH和输出低电平UOL,电压传输特性曲线截止区的输出电压为UOH，饱和区的输出电压为UOL。一般产品规定UOH2.4V，UOL0.4V。,2）阈值电压Uth,电压传输特性曲线转折区中点所对应的输入电压为Uth，也称门槛电压。一般TTL与非门的Uth1.4V。,3）关门电平UOFF和开门电平UON,www.jiaocaiwang.com,在保证输出电压为标准高电平（2.7V左右）时，所允许输入低电平的最大值，称为关门电平UOFF。在保证输出电压为标准低电平（0.3V）时，所允许的输入高电平的最小值，称为开门电平UON。一般产品要求UOFF0.8V，UON1.8V。,www.jiaocaiwang.com,2其他类型的TTL门电路,（1）集电极开路门（OC门）,图6-3 集电极开路与非门 a) 电路结构 b) 逻辑符号,在工程实践中，往往需要将两个门的输出端并联以实现与逻辑的功能称为线与。但是普通TTL与非门的输出端是不允许直接相连的。,www.jiaocaiwang.com,如图6-3所示是实现线与逻辑的OC门，其逻辑表达式为,www.jiaocaiwang.com,（2）三态输出门（TSL门）,三态输出门简称三态门，也是在计算机中广泛应用的一种特殊门电路，是指逻辑门的输出除有高、低电平两种状态外，还有第三种状态高阻状态（或称为禁止状态）的门电路，简称TSL（Tristate Logic）门。,图6-4 三态与非门 a) 电路结构 b) 逻辑符号（高电平有效） c)逻辑符号（低电平有效）,www.jiaocaiwang.com,EN为控制端，又称使能端，当EN=1（高电平）时，二极管截止，其结构相当于普通TTL与非门，三态门处于工作状态，输出,，这时称使能端EN高电平有效；,当EN=0（低电平）时，它一方面使二极管导通，使V3的基极电位钳制在1V左右，致使V4截止，另一方面，V1处于正向工作状态，促使V2、V5截止，这样V4 和V5都截止，输出端呈现高阻状态。,三态输出门电路主要用于总线传输，例如计算机或微处理系统，其连接形式如图6-8所示。,www.jiaocaiwang.com,图6-5 三态输出门电路构成总线传输结构,www.jiaocaiwang.com,3TTL集成门电路使用,（1）常用TTL集成电路,表6-1 TTL器件型号组成的符号及意义,www.jiaocaiwang.com,如图6-6所示是TTL系列中74LS00及74LS20管脚排列示意图。,图6-6 74LS00、74LS20管脚排列图,www.jiaocaiwang.com,（2）TTL门电路使用注意事项,1) TTL集成电路的工作电压（UCC）应满足在标准值5V0.5V的范围内。 2) TTL集成电路的输出端所接负载不能超过规定的扇出系数。 3) TTL集成电路的输出端不能直接接地或直接与5V电源相连，否则会损坏器件。 4）TTL集成电路的输出端不能并联使用（OC门、TSL门除外），否则会损坏集成电路。,www.jiaocaiwang.com,5）注意TTL门多余输入端的处理方法。对于与门、与非门TTL门电路的多余输入端的处理方法如图6-7所示，在干扰很小的情况下，可以悬空（表示逻辑1）；直接或通过（13k）电阻接电源UCC；和使用输入端并接。或门、或非门的多余输入端不能悬空，可以和使用输入端并接，也可以直接或通过电阻（R0.9k）接地。,图6-7 TTL与非门多余输入端的处理方法,www.jiaocaiwang.com,TTL或非门多余输入端的处理,www.jiaocaiwang.com,二、 CMOS门电路,1CMOS与非门、或非门,图6-8 CMOS与非门,图6-13 CMOS或非门,电路具有与非功能，即,电路具有或非功能，即,www.jiaocaiwang.com,2CMOS传输门,图6-14 CMOS传输门,当控制端,加高电平UDD，,端加低电平0V时，,VF1、VF2中,至少有一管导通，即传输门为导体状态，相当于开关闭合；当控制端,加0V，,端加高电平UDD时，VF1、VF2,相当于开关断开。,www.jiaocaiwang.com,3CMOS门电路使用,表6-2 CMOS器件型组成符号及意义,（1）常用CMOS集成电路,www.jiaocaiwang.com,图6-11所示是CMOS系列中CC4011及CC4012管脚排列示意图。,图6-11 CC4011、CC4012管脚排列图,www.jiaocaiwang.com,（2）CMOS集成电路使用注意事项 TTL电路的使用注意事项，一般对CMOS电路也适用。因CMOS电路容易产生栅极击穿问题，所以要特别注意以下几点： 1）CMOS门电路工作电压范围较宽（+3V+18V），但不允许超过规定的范围。电源极性不能接反。 2）避免静电损失。存放CMOS电路不能用塑料袋，要用金属将管脚短接起来或用金属盒屏蔽。工作台应当用金属材料覆盖并应良好接地。焊接时，电烙铁壳应接地。,www.jiaocaiwang.com,3）输出端不允许直接与电源或地相连，否则将导致器件损坏。 4）多余输入端的处理方法。CMOS电路的输入阻抗高，易受外界干扰的影响，所以CMOS电路的多余输入端不允许悬空。多余输入端应根据逻辑要求或接电源（与非门、与门），或接地（或非门、或门），或与其他输入端并接。,www.jiaocaiwang.com,6.2 组合逻辑电路的分析方法和设计方法,逻辑电路按照逻辑功能的不同可分为两大类：一类是组合逻辑电路，另一类是时序逻辑电路。所谓组合逻辑电路是指电路在任何时刻的输出只与该时刻的输入状态有关，而与原来的输出状态无关。,组合逻辑电路的特点： （） 输出、输入之间没有反馈延迟通路。 （） 电路中不含记忆元件。,www.jiaocaiwang.com,一、组合逻辑电路的分析方法,所谓组合逻辑电路的分析，就是根据给定的逻辑电路，通过分析确定出电路的逻辑功能，或者检查电路设计是否合理、经济。,1组合逻辑电路的分析步骤,1）根据已知的逻辑图，从输入到输出逐级写出逻辑函数表达式。 2）利用公式法或卡诺图法化简逻辑函数表达式。 3）列真值表。 4）确定其逻辑功能。,www.jiaocaiwang.com,2组合逻辑电路的分析举例,例6-1 分析如图6-12所示组合电路的逻辑功能。,解：写出逻辑表达式,化简可得最简与或表达式为,图6-12 例6-1的逻辑图,从逻辑表达式可以看出，电路具有“异或”功能。,1）明确实际问题的逻辑功能，确定输入、输出变量数及表示符号，并对它们进行逻辑赋值。 2）根据逻辑功能要求列出真值表。 3）由真值表利用卡诺图法进行化简得到逻辑表达式。 4）根据要求画出逻辑图。,www.jiaocaiwang.com,二、组合逻辑电路的设计方法,所谓组合逻辑电路的设计，就是根据给出的逻辑功能要求，设计出实现该功能的逻辑电路。显然，组合逻辑电路的设计是逻辑电路分析的逆过程。,1组合逻辑电路的设计步骤,www.jiaocaiwang.com,2组合逻辑电路的设计举例,例6-2 用与非门设计一个举重裁判表决电路。设举重比赛有3个裁判，一个主裁判和两个副裁判。杠铃是否举起由每一个裁判按一下自己面前的按钮来确定。只有当两个或两个以上裁判判明成功，并且其中有一个为主裁判时，表明成功的灯才亮。,解：（1）确定输入、输出变量的个数：设输入变量A、B、C分别表示主裁判及两个副裁判，1表示裁判判明成功，0表示不成功；输出变量Y表示成功的灯是否亮，1表示亮，0表示灭。,www.jiaocaiwang.com,（2）列真值表：见表6-3所示。,表6-3 例6-2的真值表,www.jiaocaiwang.com,（3）化简：利用卡诺图化简，如图6-13所示可得,图6-13 例6-2的卡诺图,（4）画逻辑图：逻辑电路图如图6-19所示。,图6-14 例6-2的逻辑图,一、编码器的分类,www.jiaocaiwang.com,6.3 编码器,所谓编码就是将特定含义的输入信号（文字、数字、符号）转换为二进制代码的过程。完成编码工作的数字电路称为编码器。,1普通编码器,图6-15所示电路是实现由2位二进制代码对4个输入信号进行编码的编码器，这种编码器有4根输入线，2根输出线，常称为4线-2线编码器。,www.jiaocaiwang.com,图6-15 2位二进制编码器逻辑图,采用组合逻辑电路的分析方法对图6-20进行分析，可列出各输出逻辑表达式为：,www.jiaocaiwang.com,由输出表达式可列出编码表见表6-4所示。,表6-4 2位二进制编码器编码表,表中逻辑1为有效电平；逻辑0为无效电平。,www.jiaocaiwang.com,2优先编码器,优先编码器是当多个输入端同时有信号时，电路只对其中优先级别较高的输入信号进行编码。编码具有唯一性。优先级别是由编码器设计者事先规定好的。,www.jiaocaiwang.com,二、集成优先编码器,1集成3位二进制优先编码器74LS148,图6-16 74LS148优先编码器 a) 逻辑符号 b) 引脚图,www.jiaocaiwang.com,表6-5 74LS148的逻辑功能表,www.jiaocaiwang.com,为使能输入端，低电平有效，即只有当,=0时，,为选通输出端，,输出低电平时，表示,为扩展输出端，当,=0时，,=0，说明有编码信号输入，,=1表示不是编码输出。,编码器才工作。,“电路工作，但无编码输入”。,只要有编码信号，则,输出信号是编码输出；,www.jiaocaiwang.com,用两片74LS148级联起来，可以构成16线-4线优先编码器， 如图6-17所示。,www.jiaocaiwang.com,2集成二十进制优先编码器74LS147,74LS147是10线4线8421BCD码优先编码器，它有10个输入端和4个输出端，能把十进制数转换为8421BCD码。输入端和输出端都是低电平有效，,www.