数字电子技术基础第3章数字电子技术基础课件第1次课Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望第第3 3章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 2第第3章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 概述概述3.1 3.1 组合电路的基本分析方法和设计方法组合电路的基本分析方法和设计方法3.2 3.2 加法器和数值比较器加法器和数值比较器3.3 3.3 编码器和译码器编码器和译码器3.4 3.4 数据选择器和分配器数据选择器和分配器3.5 3.5 用中规模集成电路实现组合逻辑函数用中规模集成电路实现组合逻辑函数3.6 3.6 只读存储器只读存储器3.7 3.7 组合电路中的竞争冒险组合电路中的竞争冒险3一、组合逻辑电路的特点一、组合逻辑电路的特点逻辑功能的特点逻辑功能的特点：任意时刻的稳定输出仅仅取决于任意时刻的稳定输出仅仅取决于当时的输入信号，而与电路原来的状态无关。当时的输入信号，而与电路原来的状态无关。 组合逻辑电路的一般结构如图所示。组合逻辑电路的一般结构如图所示。组合逻辑电路的概述组合逻辑电路的概述 电路结构的特点：电路结构的特点： 1、由门电路组合、由门电路组合而成，不包含任何而成，不包含任何记忆元件；记忆元件； 2、信号是单向传、信号是单向传输的，不存在输出输的，不存在输出到输入的反馈回路。到输入的反馈回路。组合逻辑电路I输输入入I0In-1I1Y0Ym-1Y1Y输输出出Y0=F0(I0,I1,In-1)Y1=F1(I0,I1,In-1) Ym-1=Fm-1(I0,I1,In-1) 数字逻辑电路分为组合逻辑电路和时序逻辑电路数字逻辑电路分为组合逻辑电路和时序逻辑电路4二、组合电路逻辑功能的表示方法二、组合电路逻辑功能的表示方法 用来表示逻辑函数的几种方法用来表示逻辑函数的几种方法逻辑图、真值表、逻辑图、真值表、卡诺图、逻辑表达式及时间图等，都可以用来表示组合卡诺图、逻辑表达式及时间图等，都可以用来表示组合电路的逻辑功能。电路的逻辑功能。 三、组合逻辑电路的分类三、组合逻辑电路的分类 1、按照逻辑功能特点不同划分：加法器、比较器、编、按照逻辑功能特点不同划分：加法器、比较器、编码器、译码器、数据选择器和分配器、只读存储器等。码器、译码器、数据选择器和分配器、只读存储器等。 2、按照使用基本开关元件不同划分：、按照使用基本开关元件不同划分：CMOS、TTL等。等。 3、按照集成度不同划分：、按照集成度不同划分：SSI（Small Scale IC，小规小规模集成电路模集成电路 ）、）、MSI （Medium Scale IC，中规模集成电中规模集成电路路 ） 、LSI （Large Scale IC，大规模集成电路大规模集成电路 ） 、VLSI （Very Large Scale IC，超大规模集成电路超大规模集成电路 ）等。）等。5 3.1 3.1 组合电路的基本分析方法和设计方法组合电路的基本分析方法和设计方法 一、分析方法一、分析方法 根据给定的逻辑图写根据给定的逻辑图写出输出函数的逻辑表达式。出输出函数的逻辑表达式。 化简逻辑表达式，求化简逻辑表达式，求出输出函数的最简出输出函数的最简与或与或表表达式。达式。 列出输出函数的真值列出输出函数的真值表。表。 描述电路的逻辑功能。描述电路的逻辑功能。 所谓组合逻辑电路的分析，就是根据给定的逻辑电路所谓组合逻辑电路的分析，就是根据给定的逻辑电路图，求出电路的逻辑功能。图，求出电路的逻辑功能。 3.1.1 3.1.1 组合电路的基本分析方法组合电路的基本分析方法 给定组合逻辑电路给定组合逻辑电路写输出逻辑表达式写输出逻辑表达式化简化简分析其功能分析其功能列出真值表列出真值表分析其功能分析其功能6二、分析举例：二、分析举例：解解 ： 、根据逻辑图写输出逻辑表达式并化简、根据逻辑图写输出逻辑表达式并化简1：组合逻辑电路如图，组合逻辑电路如图，试分析其逻辑功能。试分析其逻辑功能。、根据逻辑表达式列真值表、根据逻辑表达式列真值表、由真值表分析逻辑功能、由真值表分析逻辑功能当当AB相同时，输出为相同时，输出为0 0当当AB相异时，输出为相异时，输出为1 1异或功能。异或功能。&YAB01100 00 11 01 1YA B7分析举例分析举例2：分析图中所示电路的逻辑功能，输入信号：分析图中所示电路的逻辑功能，输入信号A、B、C、D是一组二进制代码。是一组二进制代码。&ABCDY 解解 1. 逐级写输出函数的逻辑表达式逐级写输出函数的逻辑表达式WX2. 化简化简3. 列真值表列真值表A B C DA B C DYY0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 111111111000000004. 功能说明：功能说明：当输入四位代码中当输入四位代码中 1 的个数为的个数为奇数奇数时输时输出为出为 1，为，为偶数偶数时输出为时输出为 0 检奇电路检奇电路。8解解：、根据逻辑图写输出逻辑表达式、根据逻辑图写输出逻辑表达式练习：练习：1、组合逻辑电路如图，试分析其逻辑功能。组合逻辑电路如图，试分析其逻辑功能。Y31111ABCYY1Y21、化简逻辑表达式、化简逻辑表达式电路的输出电路的输出Y只与输入只与输入A、B有有关，而与输入关，而与输入C无关。无关。Y和和A、B的逻辑关系为与非运算的关系。的逻辑关系为与非运算的关系。、电路的逻辑功能、电路的逻辑功能92 2：试分析图示电路的逻辑功能。试分析图示电路的逻辑功能。解：解：第一步：由逻辑图第一步：由逻辑图可以写输出可以写输出F的逻的逻辑表达式为：辑表达式为： 10第二步：原式可变换为第二步：原式可变换为 第四步：确定电路的逻辑第四步：确定电路的逻辑功能。功能。 由真值表可知，三个变量由真值表可知，三个变量输入输入，只有两个，只有两个及两个以上变量取值为及两个以上变量取值为1 1时，时，输出才为输出才为1 1。可见电路可实现。可见电路可实现多数表决多数表决逻辑功能。逻辑功能。第三步：列出真值表如表所示。第三步：列出真值表如表所示。ABCF0000010000100111100010111101111111 3.1.2 3.1.2 组合电路的基本设计方法组合电路的基本设计方法 一、设计方法一、设计方法 根据要求，设计出适合需要的组合逻辑电路应该遵循根据要求，设计出适合需要的组合逻辑电路应该遵循的基本步骤，可以大致归纳如下：的基本步骤，可以大致归纳如下： 1、进行逻辑抽象进行逻辑抽象 分析设计要求，确定输入、输出信号及它们之间的分析设计要求，确定输入、输出信号及它们之间的因果关系。因果关系。 设定变量，即用英文字母表示有关输入、输出信号，设定变量，即用英文字母表示有关输入、输出信号，表示输入信号者称为输入变量，有时也简称为变量，表表示输入信号者称为输入变量，有时也简称为变量，表示输出信号者称为输出变量，有时也称为输出函数或简示输出信号者称为输出变量，有时也称为输出函数或简称函数。称函数。 组合逻辑功辑电路的设计是根据给定的实际逻辑问题，组合逻辑功辑电路的设计是根据给定的实际逻辑问题，求出实现其逻辑功能的逻辑电路。求出实现其逻辑功能的逻辑电路。12 状态赋值，即用状态赋值，即用0 0和和1 1表示信号的有关状态。表示信号的有关状态。 列真值表。根据因果关系，把变量的各种取值和相列真值表。根据因果关系，把变量的各种取值和相应的函数值，以表格形式一一列出，而变量取值顺序则应的函数值，以表格形式一一列出，而变量取值顺序则常按二进制数递增排列，也可按循环码排列。常按二进制数递增排列，也可按循环码排列。 2 2、进行化简、进行化简 输入变量比较少时，可以用卡诺图化简。输入变量比较少时，可以用卡诺图化简。 输入变量比较多用卡诺图化简不方便时，可以用公输入变量比较多用卡诺图化简不方便时，可以用公式法化简。式法化简。 3 3、画逻辑图、画逻辑图 变换最简与或表达式变换最简与或表达式，根据所用元器件根据所用元器件(分立元件分立元件 或或 集成芯片集成芯片)的情况将函数式进行化简。的情况将函数式进行化简。求出所需要的求出所需要的最简式。最简式。 根据最简式画出逻辑图。根据最简式画出逻辑图。13 二、设计举例二、设计举例 例例1 1：试设计一个三人多数表决电路，要求提案通过试设计一个三人多数表决电路，要求提案通过时输出为时输出为1 1，否则为，否则为0 0。 解：解：分析：分析：“多数表决电路多数表决电路”是按照少数服从多数的是按照少数服从多数的原则对某项决议进行表决，确定是否通过。原则对某项决议进行表决，确定是否通过。 令令 逻辑变量逻辑变量A、B、C 分别代表参加表决的分别代表参加表决的3 3个个成员，并约定逻辑变量取值为成员，并约定逻辑变量取值为0 0表示反对表示反对，取值为，取值为1 1表示表示赞成；赞成； 逻辑函数逻辑函数Y表示表决结果。表示表决结果。Y取值为取值为0 0表示决议被表示决议被否定，否定，Y取值为取值为1 1表示决议通过。表示决议通过。 按照少数服从多数的原则可知，函数和变量的关系是：按照少数服从多数的原则可知，函数和变量的关系是：当当3 3个变量个变量A、B、C中有中有2 2个或个或2 2个以上取值为个以上取值为1 1时，函数时，函数Y的值为的值为1 1，其他情况下函数，其他情况下函数Y的值为的值为0 0。141 1、列真值表、列真值表2 2、由真值表可写出：、由真值表可写出：Y(A,B,C)=m(3,5,6,7)11100001BC00 01 11 10 01AY3 3、填卡诺图化简逻辑函数、填卡诺图化简逻辑函数000101110 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1YA B C 4 4、 输出函数式输出函数式Y=AB+BC+AC5 5、用与门、或门设计、用与门、或门设计电路电路6 6、用与非门设计电路、用与非门设计电路 思考：若思考：若只只用二输入与非门设用二输入与非门设计电路，如何画逻辑图？计电路，如何画逻辑图？提示：提示：的形式画逻辑图的形式画逻辑图。将函数式化为将函数式化为&1 1ABCY&ABCY&15首先确定输入变量首先确定输入变量： 设：设：A,B,C为输入变量分别代表参加表决的逻辑变量，为输入变量分别代表参加表决的逻辑变量，Y为输出为输出变量，表示输出结果。变量，表示输出结果。 规定：规定：A,B,C为为1 1表示赞成，为表示赞成，为0 0表示反对。表示反对。Y=1=1表示通过，表示通过，Y=0 =0 表示反对。表示反对。ABAC第二步：函数化简第二步：函数化简第三步：画逻辑电路图第三步：画逻辑电路图解：解：第一步：列真值表第一步：列真值表真值表真值表ABCY00000010010001101000101111011111ABCY& 例例2 2：设计一个三变量表决器，其中设计一个三变量表决器，其中A A具有否决权。具有否决权。BCA000111100111116 例例3 3：设计一个楼上、楼下开关的控制逻辑电路来控设计一个楼上、楼下开关的控制逻辑电路来控制楼梯上的路灯，使之在上楼前，用楼下开关打开电制楼梯上的路灯，使之在上楼前，用楼下开关打开电灯，上楼后，用楼上开关关灭电灯；或者在下楼前，灯，上楼后，用楼上开关关灭电灯；或者在下楼前，用楼上开关打开电灯，下楼后，用楼下开关关灭电灯。用楼上开关打开电灯，下楼后，用楼下开关关灭电灯。 解：解：设定变量和状态赋值：设定变量和状态赋值：设楼上开关为设楼上开关为A，楼下开，楼下开关为关为B，灯泡为，灯泡为Y。并设。并设A、B闭合时为闭合时为1 1，断开时为，断开时为0 0；灯亮时灯亮时Y为为1 1，灯灭时，灯灭时Y为为0 0。 列真值表：列真值表：根据逻辑要求列出真值表如下。根据逻辑要求列出真值表如下。 逻辑表达式：逻辑表达式：由真值表由真值表得逻辑逻辑表达式得逻辑逻辑表达式已为最简与或表达式A BY0 000 111 011 1017画逻辑电路图：画逻辑电路图：用与非门实现用异或门实现18 例例4 4：设计一个路灯控制电路，要求实现的功能是：设计一个路灯控制电路，要求实现的功能是：当总电源开关闭合时，安装在三个不同地方的三个开当总电源开关闭合时，安装在三个不同地方的三个开关都能独立地将灯打开或熄灭；当总电源开关断开时，关都能独立地将灯打开或熄灭；当总电源开关断开时，路灯不亮。路灯不亮。 解：解： 逻辑抽象逻辑抽象 输入、输出信号：输入信号是四个开关的状态，输输入、输出信号：输入信号是四个开关的状态，输出信号是路灯的亮、灭。出信号是路灯的亮、灭。 设定变量用设定变量用S表示总电源开关，用表示总电源开关，用A、B、C表示安表示安装在三个不同地方的分开关，用装在三个不同地方的分开关，用Y表示路灯。表示路灯。 状态赋值：用状态赋值：用0表示开关断开和灯灭，用表示开关断开和灯灭，用1表示开关表示开关闭合和灯亮。闭合和灯亮。19 列真值表：由题意不难理解，一般列真值表：由题意不难理解，一般地说，四个开关是不会在同一时刻动作地说，四个开关是不会在同一时刻动作的，反映在真值表中任何时刻都只会有的，反映在真值表中任何时刻都只会有一个变量改变取值，因此按循环码排列一个变量改变取值，因此按循环码排列变量变量S、A、B、C的取值较好，如右表的取值较好，如右表所示。所示。00000000101010100 0 0 00 0 0 10 0 1 10 0 1 00 1 1 00 1 1 10 1 0 10 1 0 01 1 0 01 1 0 11 1 1 11 1 1 01 0 1 01 0 1 11 0 0 11 0 0 0YS A B C 进行化简进行化简 由下图所示由下图所示Y的卡诺图可得的卡诺图可得101001010000000 0BC10110001SA00 0111 1020 画逻辑图画逻辑图 用异或门和与门实现。用异或门和与门实现。 变换表达式变换表达式 逻辑图：如下图所示。逻辑图：如下图所示。11&ABCSY21练习：练习： 设计一个监视交通信号灯工作状态的逻辑电路。设计一个监视交通信号灯工作状态的逻辑电路。正常情况下，红、黄、绿灯只有一个亮，否则视为故正常情况下，红、黄、绿灯只有一个亮，否则视为故障状态，发出报警信号，提醒有关人员修理。障状态，发出报警信号，提醒有关人员修理。 解解 1. 逻辑抽象逻辑抽象输入变量：输入变量：1 - 亮亮0 - 灭灭输出变量：输出变量：R（红红）Y（黄黄）G（绿绿）Z（有无故障有无故障）1 - 有有0 - 无无列真值表列真值表R Y GZ0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1100101112. 卡诺图化简卡诺图化简RYG0100 01 11 101111122练习：练习：设计一个监视交通信号灯工作状态的逻辑电路。设计一个监视交通信号灯工作状态的逻辑电路。正常情况下，红、黄、绿只有一个亮，否则视为故障正常情况下，红、黄、绿只有一个亮，否则视为故障状态，发出报警信号，提醒有关人员修理。状态，发出报警信号，提醒有关人员修理。 解解 3. 画逻辑图画逻辑图&1&111RGYZ23作业题作业题P225 题题3.1(a) P226 题题3.524