第3章 組合邏輯電路

第3章組合邏輯電路【學(xué)習(xí)目標(biāo)】本章介紹組合邏輯電路的分析方法和設(shè)計(jì)方法，以及編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、數(shù)據(jù)分配器、加法器、數(shù)值比較器等常用的中規(guī)模組合邏輯器件，重點(diǎn)介紹用中規(guī)模集成電路（MSI）設(shè)計(jì)組合邏輯電路。最后簡單介紹組合邏輯電路中的競爭-冒險(xiǎn)問題。【能力目標(biāo)】理解組合邏輯電路的基本概念、特點(diǎn)，掌握組合邏輯電路的一般分析、設(shè)計(jì)方法。重點(diǎn)掌握常用中規(guī)模集成電路（MSI）的工作原理、邏輯功能、使用方法及典型應(yīng)用。數(shù)字邏輯電路分為類：組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路。組合電路邏輯功能特點(diǎn)：任意時(shí)刻的輸出僅取決于該時(shí)刻的輸入，而與信號作用前電路原來的狀態(tài)無關(guān)；

時(shí)序電路邏輯功能特點(diǎn)：任意時(shí)刻的輸出不僅取決于該時(shí)刻的輸入，而與信號作用前電路原來的狀態(tài)有關(guān)。3.1組合邏輯電路的特點(diǎn)3.2.1組合電路的分析步驟

（1）由已知的邏輯圖，寫出相應(yīng)的邏輯函數(shù)式；（2）對函數(shù)式進(jìn)行化簡；（3）根據(jù)化簡后的函數(shù)式列真值表，找出其邏輯功能。3.2組合邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)方法

例：試分析圖示電路的邏輯功能。

解：第一步：由邏輯圖可以寫輸出F的邏輯表達(dá)式為：所謂組合邏輯電路的分析，就是根據(jù)給定的邏輯電路圖，求出電路的邏輯功能。第二步：可變換為

F=AB+AC+BC第三步：列出真值表。ＡＢＣF００００００１００１０００１１１１０００１０１１１１０１１１１１真值表第四步：確定電路的邏輯功能。由真值表可知，三個(gè)變量輸入Ａ，Ｂ，Ｃ，只有兩個(gè)及兩個(gè)以上變量取值為1時(shí)，輸出才為1。可見電路可實(shí)現(xiàn)多數(shù)表決邏輯功能。3.2.2組合邏輯電路的設(shè)計(jì)方法

設(shè)計(jì)步驟：(1)分析設(shè)計(jì)要求，設(shè)置輸入輸出變量并邏輯賦值；(2)列真值表；(3)寫出邏輯表達(dá)式，并化簡；(4)畫邏輯電路圖。與分析過程相反，組合邏輯電路的設(shè)計(jì)是根據(jù)給定的實(shí)際邏輯問題，求出實(shí)現(xiàn)其邏輯功能的最簡單的邏輯電路。

例：一火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，設(shè)有煙感、溫感和紫外光感三種類型的火災(zāi)探測器。為了防止誤報(bào)警，只有當(dāng)其中有兩種或兩種以上類型的探測器發(fā)出火災(zāi)檢測信號時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警控制信號。設(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)生報(bào)警控制信號的電路。解：(1)分析設(shè)計(jì)要求，設(shè)輸入輸出變量并邏輯賦值；輸入變量：煙感A、溫感B，紫外線光感C；輸出變量：報(bào)警控制信號Y。邏輯賦值：用1表示肯定，用0表示否定。(2)列真值表ＡＢＣＹ００００００１００１０００１１１１０００１０１１１１０１１１１１(3)由真值表寫邏輯表達(dá)式，并化簡；化簡得最簡式：

(4)畫邏輯電路圖：人們?yōu)榻鉀Q實(shí)踐上遇到的各種邏輯問題，設(shè)計(jì)了許多邏輯電路。然而，我們發(fā)現(xiàn)，其中有些邏輯電路經(jīng)常、大量出現(xiàn)在各種數(shù)字系統(tǒng)當(dāng)中。為了方便使用，各廠家已經(jīng)把這些邏輯電路制造成中規(guī)模集成的組合邏輯電路產(chǎn)品。比較常用的組合邏輯部件有編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、加法器和數(shù)值比較器等等。3.3.1編碼器

3.3常用的組合邏輯電路用二進(jìn)制代碼表示文字、符號或者數(shù)碼等特定對象的過程，稱為編碼。實(shí)現(xiàn)編碼的邏輯電路，稱為編碼器。目前經(jīng)常使用的編碼器有普通編碼器和優(yōu)先編碼器兩種。若編碼狀態(tài)數(shù)為2n，編碼輸出位數(shù)為n，則稱之為二進(jìn)制編碼器。（1）普通編碼器—8線-3線編碼器

8-3EncoderI0I1Y0I2Y1:Y2:I7

I0

I1I2

I3I4

I5

I6

I7Y2Y1Y0１０００００００００００１００００００００１００１００００００１００００１０００００１１００００１０００１０００００００１００１０１００００００１０１１００００００００１１１１任何時(shí)刻只允許輸入一個(gè)編碼請求其它輸入取值組合不允許出現(xiàn)，為無關(guān)項(xiàng)。（2）二進(jìn)制優(yōu)先編碼器（PriorityEncoder）在優(yōu)先編碼器中，允許同時(shí)輸入兩個(gè)以上的有效編碼請求信號。當(dāng)幾個(gè)輸入信號同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，只對其中優(yōu)先權(quán)最高的一個(gè)進(jìn)行編碼。優(yōu)先級別的高低由設(shè)計(jì)者根據(jù)輸入信號的輕重緩急情況而定。InputsOutputsEII0I1I2I3I4I5I6I7A2A1A0GSEO1xxxxxxxx0xxxxxxx00xxxxxx010xxxxx0110xxxx01110xxx011110xx0111110x011111100111111101111111111111000010010101001011011000110101110011110111110低電平有效允許編碼，但無有效編碼請求優(yōu)先權(quán)最高反碼輸出EII7A2I6A1I5A0I4I3GSI2EOI1I074X14867911415543213121110選通輸出端GS和擴(kuò)展輸出端EO：為擴(kuò)展編碼器功能而設(shè)置。當(dāng)GS=0，且EI=0時(shí)，表示“電路工作，且有編碼輸入”；當(dāng)EO=0，且EI=0時(shí)，表示“電路工作，但無編碼輸入”。選通輸入端EI：只有在EI=0時(shí)，編碼器才處于工作狀態(tài)；而在EI=1時(shí)，編碼器處于禁止?fàn)顟B(tài)，所有輸出端均被封鎖為高電平。3.3.2譯碼器

譯碼：編碼的逆過程，將編碼時(shí)賦予代碼的特定含義“翻譯”出來。譯碼器：實(shí)現(xiàn)譯碼功能的電路。輸入為n位二進(jìn)制代碼，輸出為2n個(gè)狀態(tài)，則稱之為二進(jìn)制譯碼器。（1）二進(jìn)制譯碼器——3-8譯碼器

3線-8線譯碼器74138真值表輸入輸出11111111101111111110000011111111000110111111100101101111110011111011111010011110111101011111101110110111111011011111111110S為控制端（又稱使能端），S=1譯碼工作；S=0禁止譯碼，輸出全1。【例】試用3線-8線譯碼器74138構(gòu)成4線-16線譯碼器。（2）二-十進(jìn)制譯碼器二-十進(jìn)制譯碼器的邏輯功能是將輸入的BCD碼譯成十個(gè)輸出信號。譯中為0拒絕偽碼（3）顯示譯碼器

數(shù)字顯示器件數(shù)字顯示器件是用來顯示數(shù)字、文字或者符號的器件，常見的有輝光數(shù)碼管、熒光數(shù)碼管、液晶顯示器、發(fā)光二極管數(shù)碼管、場致發(fā)光數(shù)字板、等離子體顯示板等等。我們主要討論發(fā)光二極管數(shù)碼管。

LED數(shù)碼管

LED數(shù)碼管又稱為半導(dǎo)體數(shù)碼管，它是由多個(gè)LED按分段式封裝制成的。

LED數(shù)碼管有兩種形式：共陰型和共陽型。七段顯示LED數(shù)碼管(a)外形圖(b)共陰型(c)共陽型公共陰極公共陽極高電平驅(qū)動(dòng)低電平驅(qū)動(dòng)

發(fā)光二極管（LED）的特點(diǎn)及其驅(qū)動(dòng)方式

LED具有許多優(yōu)點(diǎn)，它不僅有工作電壓低(1.5～3V)、體積小、壽命長、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，而且響應(yīng)速度快(≤100ns)、亮度比較高。一般LED的工作電流選在5~10mA，但不允許超過最大值（通常為50mA）。LED可以直接由門電路驅(qū)動(dòng)。R為限流電阻1111110011000011011011111001011001110110110011111111000011111111110011000110100110010100011100101000011110000000000000000000001111111abcdefg輸出1111111111111111001BI/RBO輸入/輸出0123456789101112131415滅燈滅零試燈功能（輸入）111×1×1×1×1×1×1×1×1×1×1×1×1×1×1×××100×LTRBI顯示字形輸入0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111××××0000××××A3A2A1A0七段顯示譯碼器7448的功能表：稱為消隱輸入/滅零輸出端，均為低電平有效。：稱為滅零輸入端，低電平有效，用于將無效的零滅掉。：稱為燈測試輸入端，低電平有效。當(dāng)它為0時(shí)，數(shù)碼管顯示數(shù)字8，表明該數(shù)碼管正常工作；否則，數(shù)碼管不能正常顯示。數(shù)碼管正常顯示時(shí)接高電平。例：用七段顯示譯碼器74LS48驅(qū)動(dòng)共陰型LED數(shù)碼管。

例：設(shè)計(jì)一個(gè)有滅零控制的10位數(shù)碼顯示系統(tǒng)，要求保留小數(shù)點(diǎn)后一位有效數(shù)字。3.3.3數(shù)據(jù)選擇器和數(shù)據(jù)分配器

能夠按照給定的地址將某個(gè)數(shù)據(jù)從一組數(shù)據(jù)中選出來的電路。1．四選一數(shù)據(jù)選擇器4選1數(shù)據(jù)選擇器功能表輸入輸出使能地址1000000101001174x153——雙4選1數(shù)據(jù)選擇器A0A1D101YD11D122YD13D20D21D22D2374X15375142164315109111213D10D20D11D21D12D22D13D23D100D110D120D1300D200D210D220D230000000001001000110100010101100111100010011010101111XX1Y2YA1A0輸出輸入2．集成數(shù)據(jù)選擇器74x151——8選1數(shù)選器當(dāng)時(shí)

例：試用一個(gè)雙4選1數(shù)據(jù)選擇器74LS153接成一個(gè)8選1數(shù)據(jù)選擇器。例：試用一個(gè)雙4選1數(shù)據(jù)選擇器74LS153實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù)：

解：令3．?dāng)?shù)據(jù)分配器

3.3.4加法器（1）1位加法器S=A⊕B=A·B+A·BCO=A·B0010100100011011AB輸入SCO輸出半加器全加器——74LS183雙全加器全加器能把本位兩個(gè)加數(shù)An、Bn和來自低位的進(jìn)位Cn-1三者相加，得到求和結(jié)果Sn和該位的進(jìn)位信號Cn。Sn

Cn0000000110010100110110010101011100111111An

Bn

Cn-1（2）多位加法器串行進(jìn)位加法器集成的4位超前進(jìn)位加法器74HC283

用加法器設(shè)計(jì)組合邏輯電路8421BCD碼0011余3碼

例：將8421BCD碼轉(zhuǎn)換成余3碼。余3碼＝8421BCD碼＋3(即0011)3.3.5數(shù)值比較器數(shù)值比較器：能夠比較數(shù)字大小的電路。由真值表寫出邏輯表達(dá)式：由表達(dá)式畫出邏輯圖。輸入輸出ABFA＞BFA＜BFA=B00011011001010100001真值表（1）1位數(shù)值比較器（2）4位二進(jìn)制數(shù)比較器——集成數(shù)值比較器7485（3）數(shù)值比較器的位數(shù)擴(kuò)展串聯(lián)方式用2片7485組成8位二進(jìn)制數(shù)比較器。并聯(lián)方式：并聯(lián)方式比串聯(lián)方式的速度快。用5片7485組成16位二進(jìn)制數(shù)比較器3.4用中規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)組合邏輯電路3.4.1用編碼器設(shè)計(jì)組合邏輯電路

【例】用兩片8線-3線優(yōu)先編碼器74148組成16線-4線優(yōu)先編碼器，其邏輯圖如圖所示，試分析其工作原理?！纠吭囉?線-3線優(yōu)先編碼器74148組成8421編碼器。3.4.2用譯碼器設(shè)計(jì)組合邏輯電路【例】用74138和適當(dāng)?shù)拈T電路設(shè)計(jì)一個(gè)一位的二進(jìn)制全減器?！纠坑?4138和適當(dāng)?shù)拈T電路實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù)【例】