簡明電工學課件：邏輯門電路

邏輯門電路13.1基本邏輯門電路與復合邏輯門電路13.2集成邏輯門電路

數字電路是當前發(fā)展最快的領域之一。計算機、數字儀表、手機等經常用到的電子設備都是以數字電路為基礎的。

數字電路與模擬電路均使用半導體器件完成電路功能。與模擬電路不同,數字電路利用的是半導體器件的飽和區(qū)與截止區(qū),即數字電路中只有“高電平”與“低電平”兩種離散的情況。為了用數學的方法表示這兩種情況,在隨后的模塊中用數字“1”表示“高電平”,用數字“0”表示“低電平”。

能力要素

(1)掌握基本邏輯門電路與復合邏輯門電路的邏輯符號和運算規(guī)則。

(2)能夠應用與非門、或非門組成與門、或門和非門。

(3)理解三態(tài)門的作用,能夠應用三態(tài)門完成簡單總線相關電路設計。

知識結構．

圖13.1.0是某圖書館人流量統(tǒng)計系統(tǒng)的設計框圖,分別在入口與出口處安裝用來采集讀者出入信息的傳感器,傳感器可以將出入信息轉換為脈沖信號(即高電平或低電平),經過計數器累加、計算器處理后,可以得到當前圖書館內的人數信息,并通過譯碼器在顯示器上顯示。這是一個相對比較完整的數字系統(tǒng)。圖13.1.0圖書館人流量統(tǒng)計系統(tǒng)

由于利用了半導體器件的“飽和”與“截止”,因此數字電路的信息是用電平的“高”或者“低”來表示的。在數字電路的分析與設計中,輸入與輸出數據都是用二進制數或二進制編碼描述的,而輸入與輸出之間具有邏輯關系。

所有的邏輯問題都可以通過與、或、非這三種基本的邏輯運算實現(xiàn)。實現(xiàn)這三種運算的電路稱為邏輯電路,分別稱為與門、或門、非門。此處的“門”可以理解為一種開關,在某種特定條件下允許信號通過,反之,信號無法通過,即門電路的輸入與輸出之間存在著一定的邏輯關系,所以門電路又稱為邏輯門。

人們對某些事件進行邏輯推理時,會根據一些前提條件是否成立來確定結論。這些前提條件與結論之間具備的邏輯關系稱為邏輯函數。在數字系統(tǒng)中用二進制數“1”與“0”表示邏輯的真與假,在本書中,用“1”代表真,“0”代表假。

由于邏輯變量只有兩種取值“1”與“0”,因此可以用表格來描述邏輯函數的全部真?zhèn)侮P系,這樣的表格稱為真值表。一般在表格左邊列出所有前提條件的組合,右邊為對應的每種邏輯變量組合的結論。為了不漏掉任何一組組合,一般情況下前提條件組合的排序按照二進制大小順序排列。真值表是描述邏輯電路功能的重要工具。

13.1基本邏輯門電路與復合邏輯門電路

13.1.1基本邏輯門電路

1.與邏輯只有當決定某件事情的所有條件全部具備時,結果才成立,這樣的邏輯關系稱為與邏輯。如圖13.1.1所示電路,只有當開關A和B同時閉合時,燈F才會亮。圖13.1.1與邏輯

假設開關A、B閉合為1,斷開為0,燈F亮為1,滅為0,則燈F與開關A、B之間的邏輯關系如表13.1.1所示。

能實現(xiàn)與運算的電路稱為與門,與門的邏輯符號如圖13.1.2所示。圖13.1.2與門邏輯符號

2.或邏輯

在決定某件事情的幾個條件中,只要有任意一個或幾個條件具備,結果就成立,這樣的邏輯關系稱為或邏輯。如圖13.1.3所示電路,開關A或B只要有一個閉合,燈F就會亮。圖13.1.3或邏輯電路

開關A、B與燈F的邏輯定義同前,則F與A、B之間的邏輯關系如表13.1.2所示。

能實現(xiàn)或運算的電路稱為或門,或門的邏輯符號如圖13.1.4所示。圖13.1.4或門邏輯符號

3.非邏輯

當決定某個事件的條件不具備時,結果成立,而決定這個事件的條件具備時,結果不成立,這樣的邏輯關系稱為非邏輯。如圖13.1.5所示電路,當開關A斷開時,燈F才會亮。而當A閉合時,燈F不亮。圖13.1.5非邏輯電路

開關A與燈F的邏輯定義同前,則F與A之間的邏輯關系如表13.1.3所示。

能實現(xiàn)非運算的電路稱為非門,非門的邏輯符號如圖13.1.6所示。圖13.1.6非門邏輯符號

13.1.2復合邏輯門電路

“與”“或”“非”是邏輯代數中最基本的三種運算,它們可以表示任何復雜的邏輯函數。實驗證明,“與非”“或非”“與或非”三種邏輯中的任何一種,都可以完成“與”“或”“非”的功能,即只要具備以上三個邏輯中的任意一種就可以設計出任何邏輯電路,這給數字電路設計工作帶來了非常多的便利。

(1)與非邏輯:與、非邏輯的組合,“先與后非”。其功能和與邏輯的功能相反,可以總結為:有0出1,全1出0。與非邏輯可以表示為

與非門邏輯符號如圖13.1.7所示。圖13.1.7與非門邏輯符號

(2)或非邏輯:或、非邏輯的組合,“先或后非”。其功能和或邏輯的功能相反,可以總結為:有1出0,全0出1?；蚍沁壿嬁梢员硎緸?/p>

或非門邏輯符號如圖13.1.8所示。圖13.1.8或非門邏輯符號

(3)與或非邏輯:與、或、非邏輯的組合,“先與再或后非”。與或非邏輯可以表示為

與或非門邏輯符號如圖13.1.9所示。圖13.1.9與或非門邏輯符號圖13.1.10例13.1.1的電路

13.2集成邏輯門電路

1.概述門電路是數字電路的基本單元,不僅可以由分立元件組成,還可以由集成電路組成。從制造工藝分,集成邏輯門電路有兩大類:雙極型集成電路和單極型集成電路。在雙極型電路中應用最廣泛的是TTL門電路,而單極型電路以CMOS門電路尤為常見。以下對這兩種電路進行介紹。

TTL門電路由雙極型晶體管組成,是應用最早、技術成熟的集成電路,其電路特點是速度快、負載能力強,但是功耗大、結構復雜、不利于集成。目前廣泛使用的TTL門電路是74LS系列,該系列電路主要應用于中、小規(guī)模集成電路,其工作電壓為5V。

CMOS電路由單極型場效應管組成,具有功耗低、工作電壓范圍寬、抗干擾能力強等特點。隨著工藝技術不斷改進,CMOS電路已經占據了集成電路的主導地位,大量應用于大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路。早期生產的CMOS門電路為4000系列,其工作速度相對較慢,與TTL電路不兼容。隨后出現(xiàn)了74HC和74HCT系列高速CMOS門電路,其工作速度快、帶負載能力強。尤其是74HCT系列與TTL門電路兼容,可以交互使用。需要注意的是,不同系列的CMOS門電路對工作電壓要求不一樣。

表13.2.1給出常用的門電路器件型號,在具體使用時需要參見引腳說明來確定其輸入與輸出。

2.三態(tài)門

三態(tài)門是一種特殊的電路結構,在普通門電路的基礎上加入了控制電路,使其輸出端出現(xiàn)除了高低電平以外的第三種狀態(tài):高阻態(tài)。高阻態(tài)是一種特殊狀態(tài),當門電路輸出處于高阻態(tài)時,相當于懸空,相對負載而言呈現(xiàn)開路狀態(tài),與負載之間無信號聯(lián)系,所以高阻態(tài)并非邏輯狀態(tài)。

三態(tài)門的邏輯符號與普通門電路邏輯符號類似,只是多了EN端,這個端稱為控制端。如圖13.2.1(a)所示,圖中EN=1時,該三態(tài)門為普通的與非門;EN=0時,無論輸入端信號是什么(在真值表中用×表示),輸出為高阻。這種電路稱為控制端高電平有效的三態(tài)與非門,反之,如圖13.2.1(b)所示,稱為控制端低電平有效的三態(tài)與非門。圖13.2.1三態(tài)與非門

按其功能分,三態(tài)門除了圖13.2.1中的三態(tài)與非門以外,還有三態(tài)非門、三態(tài)緩沖門和三態(tài)與門,這幾類三態(tài)門的控制端可以是高電平或者低電平有效。常用的三態(tài)門及其功能如表13.2.2所示。三態(tài)門主要用于實現(xiàn)多路數據在總線上的分時傳遞,目的在于確保任何時刻只有一路信號與總線接通。

【專13.1】電路如圖1所示,討論E端輸入不同時該電路的功能。圖1專13.1的電路

【練13.1】