數(shù)字電子技術(shù)chart-2組合邏輯電路

1、組合邏輯電路,第2章,主要內(nèi)容,2.1 集成邏輯門2.2 常用的組合邏輯模塊2.3 組合邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)2.4 組合邏輯電路中的競(jìng)爭(zhēng)與冒險(xiǎn),各種集成邏輯門的特點(diǎn)、特性和參數(shù)；常用組合邏輯模塊的特點(diǎn)、應(yīng)用；組合邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)。,本章重點(diǎn),2.1 集成邏輯門,,,SSI（100以下個(gè)等效門）,MSI（〈103個(gè)等效門）,LSI （〈104個(gè)等效門）,VLSI（>104個(gè)以上等效門）,門電路 (Gate Circui

2、t),指用以實(shí)現(xiàn)基本邏輯關(guān)系和常用復(fù)合邏輯關(guān)系的電子電路。是構(gòu)成數(shù)字電路的基本單元之一。,一、門電路的作用和常用類型,按邏輯功能不同分,,,,按制造工藝不同分,,由雙極型三極管構(gòu)成的邏輯門電路。,由 MOS 管構(gòu)成的邏輯門電路。,按功能特點(diǎn)不同分,,二、高電平和低電平的含義,高電平和低電平為某規(guī)定范圍的電位值，而非一固定值。,高電平信號(hào)是多大的信號(hào)？低電平信號(hào)又是多大的信號(hào)？,,由門電路種類等決定,三、獲得高、低電平的基本原理,圖中的開

3、關(guān)S可用二極管、雙極型三極管和MOS管實(shí)現(xiàn)。,2.1.1 雙極型邏輯門電路,TTL 電路（Transistor－Transistor Logic）。該類電路的輸入端與輸出端均采用三極管結(jié)構(gòu)，故得名三極管－三極管邏輯電路，簡(jiǎn)稱TTL 電路。 ECL 電路（Emitter Coupled Logic），即射極耦合邏輯電路。 HTL 電路（High Threshold Logic），即高閾值邏輯電路。 I2L 電路（Integr

4、ation Injection Logic），即集成注入邏輯電路。,1、雙極型三極管的結(jié)構(gòu),NPN型 PNP型,幾種常用的TTL門電路 —基礎(chǔ)知識(shí)：三極管的開關(guān)特性,,輸入特性,輸出特性,,,基本開關(guān)電路,幾種常用的TTL門電路 —基礎(chǔ)知識(shí)：三極管的開關(guān)特性,總之，三極管的 c-e 間相當(dāng)于一個(gè)受 VI 控制的開關(guān)。,

5、幾種常用的TTL門電路 —基礎(chǔ)知識(shí)：三極管的開關(guān)特性,幾種常用的TTL門電路---與非門---基本原理,,1. 任一輸入為低電平（0.3V）時(shí),1V,不足以讓T2、T5導(dǎo)通,T2、T5截止,uo=5-uR2-ube3-ube4?3.4V 高電平！,電位被鉗在2.1V,全反偏,?1V,2. 輸入全為高電平（3.4V）或全懸空時(shí),T2、T5飽和導(dǎo)通,uo =0.3V輸出低電平,輸入懸空，相當(dāng)于輸入“1”！,幾種常用的

6、TTL門電路---與非門---芯片,如：TTL門電路芯片（四2輸入與非門，型號(hào)74LS00 ),地GND,外形,電源VCC（+5V）,幾種常用的TTL門電路---主要特性及參數(shù),1. 電壓傳輸特性,定義：輸入電壓VI與輸出電壓VO之間的關(guān)系曲線為電壓傳輸特性曲線，即 VO = f（VI）。,,,,,2. 輸入特性,輸入電流與輸入電壓之間的關(guān)系曲線，即II = f（VI）,幾種常用的TTL門電路---主要特性及參數(shù),D1導(dǎo)通,輸入低電平,

7、輸入高電平,,與輸入特性相關(guān)的兩個(gè)參數(shù)：,（1）輸入低電平電流IIL——是指當(dāng)門電路的輸入端接低電平時(shí)，從該輸入端流出的電流。（亦稱輸入短路電流）,前級(jí)驅(qū)動(dòng)門導(dǎo)通時(shí)，IIL將灌入前級(jí)門，稱為灌電流負(fù)載。,幾種常用的TTL門電路---主要特性及參數(shù),3K,（2）輸入高電平電流IIH——是指當(dāng)門電路的輸入端接高電平時(shí)，從該輸入端流入的電流（很?。?。（亦稱輸入漏電流）,拉電流負(fù)載,輸入有低電平,與輸入特性相關(guān)的兩個(gè)參數(shù)：,幾種常用的TTL門電

8、路---主要特性及參數(shù),ROFF 稱關(guān)門電阻。RI < ROFF 時(shí)，相應(yīng)輸入端相當(dāng)于輸入低電平。對(duì) STTL 系列，ROFF ? 700 ?。,RON 稱開門電阻。RI > RON 時(shí)，相應(yīng)輸入端相當(dāng)于輸入高電平。對(duì)STTL 系列，RON ? 2.1 k?。,3. 輸入負(fù)載特性,幾種常用的TTL門電路---主要特性及參數(shù),[例] 下圖中，已知 ROFF ? 800 ?，RON ? 3 k?，試對(duì)應(yīng)

9、輸入波形定性畫出TTL與非門的輸出波形。,解：波形如圖所示。,4. 輸出特性,(1)高電平輸出特性,輸出高電平特性曲線,幾種常用的TTL門電路---主要特性及參數(shù),4. 輸出特性,(2)低電平輸出特性,輸出低電平等效電路,輸出低電平特性曲線,幾種常用的TTL門電路---主要特性及參數(shù),輸入為高電平時(shí)的噪聲容限：輸入為低電平時(shí)的噪聲容限：,在保證輸出高、低電平基本不變的情況下，輸入電平的允許波動(dòng)范圍稱為輸入端噪聲容限。噪聲容限越大，抗

10、干擾能力越強(qiáng)。,5. 噪聲容限電壓,幾種常用的TTL門電路---主要特性及參數(shù),6. 扇出系數(shù),幾種常用的TTL門電路---主要特性及參數(shù),(1)當(dāng)輸出為低電平時(shí)，設(shè)可驅(qū)動(dòng)N1個(gè)非門，則有,,扇出系數(shù)— 一個(gè)門電路能驅(qū)動(dòng)同類型門電路的個(gè)數(shù)。即表示門電路的帶負(fù)載能力。,6. 扇出系數(shù),幾種常用的TTL門電路---主要特性及參數(shù),(2)當(dāng)輸出為高電平時(shí)，設(shè)可驅(qū)動(dòng)N2個(gè)非門，則有,,則取N＝min｛ N1， N2},由于門電路無論輸出高電平還

11、是低電平時(shí)，均有一定的輸出電阻，故輸出電壓都要隨負(fù)載電流的改變而發(fā)生變化。這種變化越小，說明門電路帶負(fù)載的能力越強(qiáng)。,導(dǎo)通延遲時(shí)間 tPHL 截止延遲時(shí)間 tPLH 平均傳輸延遲時(shí)間 tpd,tPHL,tPLH,tpd 越小，則門電路開關(guān)速度越高，工作頻率越高。,7. 平均傳輸延遲時(shí)間,幾種常用的TTL門電路---主要特性及參數(shù),幾種常用的TTL門電路---OC門,1,0,,該與非門輸出高電平，T5截止。,該與非門輸出低電平，

12、T5導(dǎo)通。,1、推拉式TTL門輸出端并聯(lián)問題,當(dāng)將兩個(gè)TTL“與非”門輸出端直接并聯(lián)時(shí)：,+5V→R4→門1的T4→門2的T5產(chǎn)生一個(gè)很大的電流。,產(chǎn)生一個(gè)大電流，會(huì)因功耗過大損壞門器件；抬高門2輸出低電平。,推拉式TTL門輸出端不能直接并聯(lián)！,幾種常用的TTL門電路---OC門,2、OC門的結(jié)構(gòu),當(dāng)輸入端全為高電平時(shí)，T2、T5導(dǎo)通，輸出F為低電平（0.3V）；,輸入端有一個(gè)為低電平時(shí)，T2、T5截止，輸出F高電平接近電源電壓VC（

13、5-30V ）。,完成“與非”邏輯功能！,OC門邏輯符號(hào)：,幾種常用的TTL門電路---OC門,3、OC門的應(yīng)用---實(shí)現(xiàn)“線與”,兩個(gè)或多個(gè) OC 門的輸出端直接相連，相當(dāng)于將這些輸出信號(hào)相與，稱為“線與”。,工作原理：,當(dāng)Y1、Y2有一個(gè)為低電平時(shí)，Y即為低電平；只有Y1、Y2同時(shí)為高電平時(shí)，Y才為高電平；即,幾種常用的TTL門電路---OC門,3、OC門的應(yīng)用---實(shí)現(xiàn)“線與”,只有 OC 門才能實(shí)現(xiàn)線與！,,注意：OC門在使用時(shí)

14、必須外接上拉電阻和電源！,幾種常用的TTL門電路---OC門,OC門上拉電阻的計(jì)算:,（1）輸出高電平時(shí),（2）輸出低電平時(shí),幾種常用的TTL門電路---OC門,3、OC門的應(yīng)用---做驅(qū)動(dòng)電路,,[例] 下圖為用 OC 門驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管 LED 的顯示電路。已知 LED 的正向?qū)▔航?UF = 2V，正向工作電流IF = 10 mA，為保證電路正常工作，試確定 RC 的值。,解：為保證電路正常工作，應(yīng)滿足,因此，RC = 270 ?

15、,分析：該電路只有在 A、B 均為高電平，使輸出 uO 為低電平時(shí)，LED 才導(dǎo)通發(fā)光；否則 LED 中無電流流通，不發(fā)光。要使 LED 發(fā)光，應(yīng)滿足 IRc = IF = 10 mA。,TTL 與非門有時(shí)需要驅(qū)動(dòng)其他種類門電路，而不同種類門電路的高低電平標(biāo)準(zhǔn)不一樣。應(yīng)用 OC 門就可以適應(yīng)負(fù)載門對(duì)電平的要求。,OC 門的 UOL ? 0.3V，UOH ? VDD，正好符合 CMOS 電路 UI

16、H ? VDD，UIL ? 0的要求。,幾種常用的TTL門電路---OC門,3、OC門的應(yīng)用---實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換,注：VDD的范圍是5-18V，當(dāng)VDD=5V時(shí)，TTL門電路可直接驅(qū)動(dòng)CMOS門電路！,幾種常用的TTL門電路---三態(tài)門（TSL）,1、三態(tài)門的結(jié)構(gòu),E— 控制端,幾種常用的TTL門電路---三態(tài)門（TSL）,2、三態(tài)門的工作原理,(1) 控制（使能）端E=0時(shí)的工作情況,幾種常用的TTL門電路---三態(tài)門（TSL）,2、

17、三態(tài)門的工作原理,(2) 控制（使能）端E=1時(shí)的工作情況,以上兩種情況表明該三態(tài)門為低電平有效！,功能表,3、三態(tài)門的符號(hào)及功能表,功能表,幾種常用的TTL門電路---三態(tài)門（TSL）,4、三態(tài)門的應(yīng)用---單向總線,幾種常用的TTL門電路---三態(tài)門（TSL）,,,工作時(shí)，E1、E2、E3分時(shí)接入高電平。,,4、三態(tài)門的應(yīng)用---雙向總線,幾種常用的TTL門電路---三態(tài)門（TSL）,VOL（max）；VOH（min） VI

18、L（max）； VIH（min） IIH──高電平輸入漏電流 IIL──低電平輸入短路電流 IOL（max）──灌電流 IOH（max）──拉電流 N──扇出系數(shù),TTL門電路參數(shù)小結(jié),TTL 集成門的類型很多,那么如何識(shí)別它們?各類型之間有何異同?如何選用合適的門?,,TTL 集成門小結(jié)---應(yīng)用要點(diǎn),1. 各系列 TTL 集成門的比較與選用,,用于民品,用于軍品,具有完全相同的電路結(jié)構(gòu)，但 CT54 系

19、列更適合在溫度條件惡劣、供電電源變化大的環(huán)境中工作。,按工作溫度和電源允許變化范圍不同分為,集成門的選用要點(diǎn),(1)實(shí)際使用中的最高工作頻率 fm 應(yīng)不大于邏輯門最高工作 頻率 fmax 的一半。,實(shí)物圖片,,雙列直插 14 引腳四 2 輸入與非門,2. TTL 集成邏輯門的使用要點(diǎn),(1)電源電壓用 + 5 V，,74 系列應(yīng)滿足 5 V ? 5% 。,(2)輸出端的連接,普通 TTL 門輸出端不允許直接并聯(lián)使用

20、。,三態(tài)輸出門的輸出端可并聯(lián)使用，但同一時(shí)刻只能有一個(gè)門工作，其他門輸出處于高阻狀態(tài)。,集電極開路門輸出端可并聯(lián)使用，但公共輸出端和電源 VCC 之間應(yīng)接負(fù)載電阻 RL。,輸出端不允許直接接電源 VCC 或直接接地。輸出電流應(yīng)小于產(chǎn)品手冊(cè)上規(guī)定的最大值。,,,,,3. 多余輸入端的處理,與門和與非門的多余輸入端接邏輯 1 或者與有用輸入端并接。,接 VCC,通過 1 ~ 10 k? 電阻接 VCC,與有用輸入端并接,TTL 電路輸

21、入端懸空時(shí)相當(dāng)于輸入高電平，做實(shí)驗(yàn)時(shí)與門和與非門等的多余輸入端可懸空，但使用中多余輸入端一般不懸空，以防止干擾。,,或門和或非門的多余輸入端接邏輯 0或者與有用輸入端并接。,,2.1.2 CMOS邏輯門電路,PMOS 電路。由P 溝道MOS 管組成，工作速度較低，使用負(fù)電源，因而使用不方便。 NMOS 電路。由N 溝道MOS 管組成，工作速度較高，功耗較大，輸出阻抗高。 CMOS 電路。由N 溝道和P 溝道MOS 管共同組成。

22、輸入阻抗高，輸出阻抗低，功耗小，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，集成度高，工作速度較低，應(yīng)用較廣泛。 HCMOS 電路。高密度CMOS 電路，集成度高，功耗低，速度快。是當(dāng)今集成電路的主要生產(chǎn)工藝。,與雙極型電路比較，CMOS電路的優(yōu)點(diǎn)是功耗低，缺點(diǎn)是開關(guān)速度稍低。在大規(guī)模集成電路中，主要采用CMOS電路。,MOS管的相關(guān)知識(shí)---N溝道MOS管的結(jié)構(gòu),溝道區(qū)域,絕緣層,MOS管的相關(guān)知識(shí)---N溝道MOS管的工作原理,VGS=0時(shí)，則D、S之間相當(dāng)于

23、兩個(gè)PN結(jié)背向的串聯(lián)，D、S之間不通，iD＝0。,反型層（導(dǎo)電溝道）,當(dāng)G、S間加上正電壓，且VGS>VGS(th)時(shí)（ VGS(th)被稱為MOS管的開啟電壓），柵極與襯底之間形成電場(chǎng)，吸引襯底中的電子到柵極下面的襯底表面，形成一個(gè)N型的反型層－－構(gòu)成D、S之間的導(dǎo)電溝道。,由于VGS ＝0時(shí)，無導(dǎo)電溝道，在增強(qiáng)VGS 電壓后形成導(dǎo)電溝道，所以稱這類MOS管為增強(qiáng)型MOS管。,N溝道增強(qiáng)型MOS管具有以下特點(diǎn)：,當(dāng)VGS>

24、; VGS(th) 時(shí)，管子導(dǎo)通，導(dǎo)通電阻很小，相當(dāng)于開關(guān)閉合 。,當(dāng)VGS< VGS(th) 時(shí)，管子截止， 截止電阻很大，D-S間相當(dāng)于開關(guān)斷開；,同樣，對(duì)P溝道增強(qiáng)型MOS管來說：,當(dāng)|VGS| > | VGS(th) |時(shí)，管子導(dǎo)通，導(dǎo)通電阻很小，相當(dāng)于開關(guān)閉合。,MOS管的相關(guān)知識(shí)---N溝道MOS管的工作原理,當(dāng)|VGS| < | VGS(th) |時(shí)，管子截止，D-S間相當(dāng)于開關(guān)斷開；,,恒流區(qū),截止區(qū),

25、,,可變電阻區(qū),共源接法,輸出特性曲線,基本開關(guān)電路,MOS管的相關(guān)知識(shí)---N溝道MOS管的開關(guān)特性,電路圖,1、CMOS反相器的電路構(gòu)成,幾種常用的CMOS門電路---CMOS反相器（非門）,PMOS管,NMOS管,思考：在該圖中，如何區(qū)分兩個(gè)管子的三個(gè)極？,一、CMOS反相器的工作原理,2、CMOS反相器的工作原理,令圖中T1和T2的開啟電壓分別為VGS(th)P 和VGS(th)N，同時(shí)令

26、 ，則,a、當(dāng) 時(shí)，有,,,b、當(dāng) 時(shí)，有,由以上分析可得：1、輸出與輸入之間的關(guān)系為邏輯非。2、電路中兩管子交替導(dǎo)通，故稱互補(bǔ)對(duì)稱式MOS電路，即CMOS電路。其功耗很小。,3、CMOS反相器的電壓傳輸特性,AB段：,,CMOS反相器和TTL反相器電壓傳輸特性的比較：,（a）CMOS反相器,（b）TTL反

27、相器,CMOS反相器轉(zhuǎn)折區(qū)的變化率大，所以更接近于理想開關(guān)。,4、CMOS反相器的電流傳輸特性,電流傳輸特性是反相器的漏極電流隨輸入電壓變化的曲線。也分為三段：,AB段：輸入低電平,T1管導(dǎo)通，T2截止，輸出漏極電流近似為零。,CD段：輸入高電平,T1管截止，T2導(dǎo)通，輸出漏極電流近似為零。,BC段：,T1、T2同時(shí)導(dǎo)通，有電流iD同時(shí)通過，且在VI＝VDD / 2附近處，漏極電流最大，故在使用時(shí)輸入電壓不應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間工作在這段，以防由于功

28、耗過大而損壞。,5、CMOS反相器的輸入噪聲容限,結(jié)論： 可以通過提高VDD來提高噪聲容限。,在VI偏離VIH和VIL的一定范圍內(nèi)，VO基本不變；在輸出變化允許范圍內(nèi)，允許輸入的變化范圍稱為輸入噪聲容限。,不同VDD下的電壓傳輸特性,VNH和VNL隨VDD變化的曲線,低電平輸入噪聲容限,高電平輸入噪聲容限,二、 CMOS 反相器的靜態(tài)輸入和輸出特性,1、輸入特性,輸入特性是指從反相器的輸入端看進(jìn)去的輸入電壓與輸入電流的關(guān)系。,,,

29、2、輸出特性,輸出特性是指從反相器的輸出端看進(jìn)去的輸出電壓與輸出電流的關(guān)系。,反相器輸出低電平時(shí)的等效電路：,反相器的低電平輸出特性：,b.高電平輸出特性,2、輸出特性,輸出為高電平時(shí)的電路：,電流的實(shí)際方向與所設(shè)方向相反,高電平輸出特性也和管子的輸出特性有關(guān)，而且vGS越負(fù)，電壓下降的越?。,高電平時(shí)的輸出特性：,三、其他類型的CMOS門電路,與非門：,或非門：,1、與非門的工作原理,,,當(dāng)A和B為高電平時(shí):,0,1,1,當(dāng)A和B有一

30、個(gè)或一個(gè)以上為低電平時(shí):,電路輸出高電平,輸出低電平,? 電路實(shí)現(xiàn)“與非”邏輯功能,與非門的電路結(jié)構(gòu)存在的缺點(diǎn)：,2、帶緩沖級(jí)的CMOS門電路,為了克服上述缺點(diǎn)，可在門電路的輸入、輸出端增設(shè)“緩沖器”。,緩沖器可由CMOS非門組成。,增加緩沖器后，電路的邏輯功能將改變：,3、漏極開路的門電路（OD門）,特點(diǎn)：可將輸出端并聯(lián)使用，實(shí)現(xiàn)“線與”或用作電平轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)器；使用時(shí)必須外接電阻和電源。,,4、三態(tài)輸出門（TS門）,（1）結(jié)構(gòu)和

31、工作原理,（2）用途 1）單向總線 2）數(shù)據(jù)的雙向傳輸,,電路符號(hào)：,,5、CMOS傳輸門（雙向開關(guān)，模擬開關(guān)）,1．CMOS邏輯門電路的系列（1）基本的CMOS——4000系列。（2）高速的CMOS——HC系列。（3）與TTL兼容的高速CMOS——HCT系列。2．CMOS邏輯門電路主要參數(shù)的特點(diǎn)（1）VOH（min）=0.9VDD； VOL（max）=0.01VDD。所以CMOS門電路的邏輯擺幅（即

32、高低電平之差）較大。（2）閾值電壓Vth約為VDD/2。（3）CMOS非門的關(guān)門電平VOFF為0.45VDD，開門電平VON為0.55VDD。因此，其高、低電平噪聲容限均達(dá)0.45VDD。（4）CMOS電路的功耗很小，一般小于1 mW/門；（5）因CMOS電路有極高的輸入阻抗，故其扇出系數(shù)很大，可達(dá)50。,四、CMOS門電路的系列及主要參數(shù),（2）對(duì)于或非門及或門，多余輸入端應(yīng)接低電平，比如直接接地；也可以與有用的輸入端并聯(lián)使用

33、。,CMOS門電路多余輸入端的處理：,（1）對(duì)于與非門及與門，多余輸入端應(yīng)接高電平。如直接接電源正端，在前級(jí)驅(qū)動(dòng)能力允許時(shí)，也可以與有用的輸入端并聯(lián)使用。,驅(qū)動(dòng)門的VOH（min）≥負(fù)載門的VIH（min） 驅(qū)動(dòng)門的VOL（max）≤負(fù)載門的VIL（max） 驅(qū)動(dòng)門的IOH（max）≥負(fù)載門的IIH（總） 驅(qū)動(dòng)門的IOL（max）≥負(fù)載門的IIL（總）,六、TTL門與CMOS門之間的接口問題,1、接口需滿足的條件,兩種不同類型的集

34、成電路相互連接，驅(qū)動(dòng)門必須要為負(fù)載門提供符合要求的高低電平和足夠的輸入電流，即要滿足下列條件：,采用專用電平移動(dòng)器40109,,,2、TTL門驅(qū)動(dòng)CMOS門---電平匹配問題,采用三極管反相器作接口,,…,…,3、 CMOS 門驅(qū)動(dòng)TTL門---增加驅(qū)動(dòng)電流問題,采用專用器件作接口,,…,…,,,,,2,10,3、 CMOS 門驅(qū)動(dòng)TTL門---增加驅(qū)動(dòng)電流問題,集成邏輯門電路應(yīng)用舉例,[例] 試改正下圖電路的錯(cuò)誤，使其正常工作。,VD

35、D,,七、集成邏輯門電路的選用,根據(jù)電路工作要求和市場(chǎng)因素等綜合決定,若對(duì)功耗和抗干擾能力要求一般，可選用TTL電路。目前多用74LS系列，它的功耗較小，工作頻率一般可用至20MHz；如工作頻率較高，可選用 CT74ALS 系列，其工作頻率一般可至50MHz。,若要求功耗低、抗干擾能力強(qiáng)，則應(yīng)選用CMOS 電路。其中CMOS4000系列一般用于工作頻率1MHz以下、驅(qū)動(dòng)能力要求不高的場(chǎng)合；HCMOS 常用于工作頻率20 MHz以下、要求

36、較強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力的場(chǎng)合。,應(yīng)用集成門電路時(shí)，應(yīng)注意：,,TTL電路只能用＋5 V(74系列允許誤差±5%)；CMOS4000 系列可用 3 ~ 15 V；HCMOS系列可用 2 ~ 6 V；CTMOS 系列用 4.5 ~ 5.5 V。一般情況下，CMOS 門多用 5 V，以便與 TTL 電路兼容。,(1)電源電壓的正確使用,(2)輸出端的連接,開路門的輸出端可并聯(lián)使用實(shí)現(xiàn)線與，還可用來驅(qū)動(dòng)需要一定功率的負(fù)載。,三態(tài)輸出門的輸出端

37、也可并聯(lián)，用來實(shí)現(xiàn)總線結(jié)構(gòu)，但三態(tài)輸出門必須分時(shí)使能。使用三態(tài)門時(shí)，需注意使能端的有效電平。,普通門(具有推拉式輸出結(jié)構(gòu))的輸出端不允許直接并聯(lián)實(shí)現(xiàn)線與。,,,,(3) 閑置輸入端的處理,(4)信號(hào)的正確使用,TTL 電路輸入端懸空時(shí)相當(dāng)于輸入高電平，CMOS 電路多余輸入端不允許懸空。,CMOS電路多余輸入端與有用輸入端的并接僅適用于工作頻率很低的場(chǎng)合。,數(shù)字電路中的信號(hào)有高電平和低電平兩種取值，高電平和低電平為某規(guī)定范圍的電位值

38、，而非一固定值。門電路種類不同，高電平和低電平的允許范圍也不同。,或門和或非門,與門和與非門,多余輸入端接地或與有用輸入端并接,多余輸入端接正電源或與有用輸入端并接,UIL≤UOFFUIH≥UON,UIL≤USLUIH≥USH,通常,以保證有較大的噪聲容限,噪聲容限越大，則電路抗干擾能力越強(qiáng)。,UIL ? UOL ? 0 VUIH ? UOH ? VDD,UNL ? UNH ? VDD / 2 ，噪聲容限很大， 因此電路抗干擾能力

39、很強(qiáng)。,CMOS 傳輸門既可傳輸數(shù)字信號(hào)，也可傳輸模擬信號(hào)。,,當(dāng)輸入端外接電阻 RI 時(shí),RI ＜ ROFF 相當(dāng)于輸入邏輯 0RI ＞ RON 相當(dāng)于輸入邏輯 1,TTL 電 路,CMOS 電路,CMOS 門電路由于輸入電流為零，因此不存在開門電阻和關(guān)門電阻。,2.2 常用的組合邏輯模塊,加法器比較器編碼器譯碼器數(shù)據(jù)選擇器奇偶校驗(yàn)電路,邏輯關(guān)系：Fi = fi (X1、X2、…、Xn) i =

40、(1、2、…、m),2.2 常用的組合邏輯模塊,輸入信號(hào),輸出信號(hào),特點(diǎn)：由邏輯門構(gòu)成，任意時(shí)刻的輸出僅僅取決于該時(shí)刻的輸入，而與電路原來的狀態(tài)無關(guān)。,2.2.1 加法器,用途：加法器是構(gòu)成計(jì)算機(jī)中算術(shù)運(yùn)算電路的基本單元。,一、一位加法器,1、半加器,只能將兩個(gè)1位二進(jìn)制數(shù)相加，不能將低位的進(jìn)位信號(hào)納入計(jì)算的加法器稱為一位半加器。,真值表：,邏輯符號(hào)：,邏輯圖：,2、全加器,能將低位的進(jìn)位信號(hào)納入計(jì)算的加法器稱為全加器。,真值表：,邏輯

41、符號(hào)：,邏輯圖：,1,0,0,1,1,1,0,1,1,1,1,例如做14+7的運(yùn)算：,=（10101）2 = 16+4+1 =（21）10,0,1,1,1,0,,,(1110)2+(0111)2,0,,二、多位加法器,1、串行進(jìn)位加法器,優(yōu)點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：運(yùn)算速度慢，只能用在對(duì)運(yùn)算速度要求不高的場(chǎng)合中。,串行進(jìn)位運(yùn)算速度慢，用超前進(jìn)位法可提高運(yùn)算速度。,不級(jí)聯(lián)時(shí),芯片74LS83的CI 端應(yīng)接低電平。,常用4位超前進(jìn)位加法器有

42、74LS83等。,2、超前進(jìn)位加法器,三、加法器的應(yīng)用,用一片74LS83把8421BCD碼轉(zhuǎn)換成余3碼。,解：余3碼 = 8421BCD + 0011,余 3 碼,8421BCD碼,,,,所以：如圖連接即可。,0 0 1 1 修正值,,例1：,1、真值表（設(shè)計(jì)一覽表）,,,,,,,,74LS83的輸入,74LS83的輸出,8421BCD,A3A2A1A0,修正值,B3B2B1B0,2421BCD,S3 S2 S1 S0,0

43、 0 0 0,0 0 0 1,0 0 1 0,0 0 1 1,0 1 0 0,0 1 0 1,0 1 1 0,0 1 1 1,1 0 0 0,1 0 0 1,0 0 0 0,0 0 0 1,0 0 1 0,0 0 1 1,0 1 0 0,1 0 1 1,1 1 0 0,1 1 0 1,1 1 1 0,1 1 1 1,0

44、 0 0 0,0 0 0 0,0 0 0 0,0 0 0 0,0 0 0 0,0 1 1 0,0 1 1 0,0 1 1 0,0 1 1 0,0 1 1 0,解：,用一片74LS83,附加必要的門電路將8421BCD碼轉(zhuǎn)換成2421BCD 碼。,例2：,3、修正電路輸出邏輯表達(dá)式,8421BCD碼,修正值,,,2421BCD碼,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2、

45、修正電路的設(shè)計(jì),觀察修正值可知：,2.2.2 比較器,用途：用來比較兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)的大小。,一、一位比較器,真值表：,邏輯圖略,二、多位比較器,原理：從高位比起，只有高位相等，才比較下一位。,四位比較器74LS85：,四位比較器功能表,74LS85應(yīng)用舉例: 8位數(shù)碼比較器(A= A7~A0 ,B=B7~B0）,2.2.3 編碼器,邏輯功能：把輸入的每一個(gè)高低電平（通常是具有特定含義的某種信息）變成對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼。,,任何時(shí)刻只能允許一

46、個(gè)信號(hào)輸入。,,允許多個(gè)信號(hào)同時(shí)輸入，但輸出信號(hào)則按優(yōu)先等級(jí)次序進(jìn)行編碼輸出。,按編碼方式不同分類：,按輸入信號(hào)是否互相排斥分類：,一、 普通編碼器,3位二進(jìn)制普通編碼器，也稱為8線－3線編碼器，其框圖如圖所示:,其輸出輸入的真值表為:,利用無關(guān)項(xiàng)化簡(jiǎn)得到其輸出端邏輯式為：,特點(diǎn)：任何時(shí)刻只允許輸入一個(gè)編碼信號(hào)。,,邏輯圖,：隱含端,二、優(yōu)先編碼器（以2位二進(jìn)制編碼器為例）,特點(diǎn)：允許輸入端同時(shí)有多個(gè)編碼信號(hào)，但電路只對(duì)優(yōu)先權(quán)較高的一個(gè)

47、進(jìn)行編碼。,2. 輸出函數(shù)式,1、真值表,0 0 0 0,0 0 0 0,0 0 0 0,1 1,1,X,,0 0 0 0,0 0 0 0,1 1 1 1,0 0,1,X,,,輸出反碼。,要求：,,3 、邏輯符號(hào),4 、功能表,1,X X X X,1,0,0,1 1 1 1,0,1,0,有“0”,反碼輸出,附加的功能端有：,0

48、 1 1 1 0,1 X X X X 1 1 1 1,0 1 1 1 1 1 1 0 1,0 0 X X X,0 1 0 X X,0 1 1 0 X,0 0 1 0,0 1 1 0,1 0 1

49、 0,1 1 1 0,1 1,1 1,1,1,注 意,1、連線圖,（1）片(1)工作時(shí)：,,片(2)不工作,,,（2）片(1)輸入全1不工作時(shí)：,,片(2)工作,,,可編出 111、110、101、100,可編出 011、010、001、000,2、工作原理,此時(shí)，,此時(shí)，,Z2=1,Z2=0,,四、常用集成編碼器,1、74LS148,2、74LS147,二—十進(jìn)制優(yōu)先編碼器,0編碼有效

50、,輸出8421BCD反碼,10線—4線（實(shí)為9線—4線）,沒有 I0 端:,,8線—3線優(yōu)先編碼器,0編碼有效,輸出3位二進(jìn)制反碼,74LS148,74LS147,由74LS148的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可知，（設(shè)I7優(yōu)先權(quán)最高，…，I0優(yōu)先權(quán)最低）其輸出端的邏輯式為：,,74LS148,為了擴(kuò)展電路的功能和使用的靈活性，在8線－3線優(yōu)先編碼器74LS148中附加了選通輸出端Y ?S和擴(kuò)展端Y ?EX，且由其結(jié)構(gòu)圖可知：,為0時(shí)，電路工作無編碼輸入

51、,為0時(shí)，電路工作有編碼輸入,74LS148的真值表（功能表）：,五、編碼器的應(yīng)用 用74LS148編碼器監(jiān)視8個(gè)化學(xué)罐液面的報(bào)警編碼電路。罐中液面高度達(dá)到預(yù)定高度時(shí)，液面檢測(cè)傳感器便輸出一個(gè)0電平到編碼器的輸入端，編碼器輸出3位二進(jìn)制代碼到微控制器。,當(dāng)T0~T7中的任一個(gè)輸入有效（0電平）時(shí)，74LS148輸出三位的二進(jìn)碼（A2A1A0），同時(shí)使GS輸出“0”，向8051申請(qǐng)中斷，8051由端口1讀入二進(jìn)碼（A2A1

52、A0），進(jìn)而發(fā)出控制指令。,譯碼是編碼的逆過程。,將表示特定意義信息的二進(jìn)制代碼翻譯出來。,實(shí)現(xiàn)譯碼功能的電路,2.2.4 譯碼器,邏輯功能：將輸入的每個(gè)代碼分別譯成高電平（或低電平）。,一、 二進(jìn)制譯碼器,1） 真值表,3） 邏輯圖,1、2位二進(jìn)制譯碼器,2） 輸出表達(dá)式,當(dāng) 時(shí)，譯碼器禁止，所有的輸出端均為0。,當(dāng) 時(shí)，譯碼器工作；,,4）邏輯符號(hào)(2線—4線譯碼器),輸出0有效的2線—4線譯碼器可用

53、與非門構(gòu)成，,輸出1有效,5）常用集成2線—4線譯碼器,74LS139： 雙2線—4線譯碼器,輸出0有效,74LS139,輸出邏輯表達(dá)式,,2、三位二進(jìn)制譯碼器,邏輯符號(hào)（輸出0有效）：,它能將三位二進(jìn)制數(shù)的每個(gè)代碼分別譯成低電平。,74LS138,譯碼器禁止時(shí)，所有輸出端都輸出無效電平,（高電平）。,在控制端有效的前提下，74LS138的8個(gè)輸出與三個(gè)地址端分別構(gòu)成了以下的最小項(xiàng)關(guān)系：,3

54、、綜合,1）同理,四位二進(jìn)制譯碼器為4線—16線譯碼器。,2）二進(jìn)制譯碼器就是n線—2n線譯碼器，即n變量全部最小項(xiàng)的譯碼器。,4、譯碼器的功能擴(kuò)展,例：試用兩片74LS138組成4線 – 16線譯碼器，將輸入的4位二進(jìn)制代碼A3A2A1A0譯成16個(gè)獨(dú)立的低電平信號(hào)。,,A3,思考：若結(jié)合門電路，該題的實(shí)現(xiàn)方法有幾種？,二進(jìn)制譯碼器的應(yīng)用很廣，典型的應(yīng)用有以下幾種：  ① 實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)系統(tǒng)的地址譯碼； 

55、 ② 實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù)；把原函數(shù)化為最小項(xiàng)之和形式；根據(jù)函數(shù)的變量數(shù)n，確定用n線—2n線譯碼器；所用譯碼器輸出1有效時(shí)，輸出端應(yīng)附加或門； 所用譯碼器輸出0有效時(shí)，輸出端應(yīng)附加與非門。 ③ 帶使能端的譯碼器可用作數(shù)據(jù)分配器或脈沖分配器。,5、譯碼器的應(yīng)用,由于有 A、B、C 三個(gè)變量，故選用 3 線 - 8 線譯碼器。,,解：,(1) 根據(jù)邏輯函數(shù)選擇譯碼器,例1：試用譯碼器和門電路實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù),選用 3 線 -

56、8 線譯碼器 CT74LS138， 并令 A2 = A，A1 = B，A0 = C。,(2) 將函數(shù)式變換為標(biāo)準(zhǔn)與 - 或式,(3)根據(jù)譯碼器的輸出有效電平確定需用的門電路,(4)畫連線圖,例2：試用譯碼器實(shí)現(xiàn)全加器。,解：,(1)分析設(shè)計(jì)要求，列出真值表,設(shè)被加數(shù)為 Ai ，加數(shù)為 Bi ，低位進(jìn)位數(shù)為 Ci-1 。輸出本位和為 Si ，向高位的進(jìn)位數(shù)為 Ci 。,列出全加器的真值表如下：,,(3)選擇譯碼器,選用 3 線 – 8

57、 線譯碼器 CT74LS138。并令 A2 = Ai，A1 = Bi，A0 = Ci-1。,(2)根據(jù)真值表寫函數(shù)式,1,(4)根據(jù)譯碼器的輸出有效電平確定需用的門電路,(5)畫連線圖,例3：用2線—4線譯碼器作數(shù)據(jù)分配器,A1A0端：地址碼輸入端,1 0,1 1 1 1,1 0 1 1,1 0 1 1,1 1 1 1,,,,,,,0 0,0 1

58、,1 0,1 1,A1 A0,地址碼,輸出,1,0,1,0,例如：令地址碼A1A0=10,分配器的功能表,D,解：,二、二—十進(jìn)制譯碼器,（以8421BCD碼的譯碼器為例）,2、結(jié)構(gòu)：4線—10線，沒有片選端（即控制端）。,3、常用集成8421BCD碼譯碼器有74LS42，,1、功能：能將8421BCD碼譯成對(duì)應(yīng)的高、低電平。,三、顯示譯碼器,將輸入的 BCD 碼譯成相應(yīng)輸出信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)顯示器顯示出相應(yīng)數(shù)字的電路。,1、數(shù)碼顯示譯

59、碼器的結(jié)構(gòu)和功能示意,2、數(shù)碼顯示器簡(jiǎn)介,數(shù)字設(shè)備中用得較多的為七段數(shù)碼顯示器，又稱數(shù)碼管。常用的有半導(dǎo)體數(shù)碼顯示器(LED)和液晶顯示器(LCD)等。它們由七段可發(fā)光的字段組合而成。,,1）七段半導(dǎo)體數(shù)碼顯示器(LED),顯示的數(shù)字形式,,VCC+5 V,串接限流電阻,a ~ g 和 DP 為低電平時(shí)才能點(diǎn)亮相應(yīng)發(fā)光段。,a ~ g 和 DP 為高電平時(shí)才能點(diǎn)亮相應(yīng)發(fā)光段。,共陽接法數(shù)碼顯示器需要配用輸出低電平有效的譯碼器。,共陰

60、接法數(shù)碼顯示器需要配用輸出高電平有效的譯碼器。,七段數(shù)碼管顯示譯碼器：,2）液晶顯示器(LCD),液晶顯示原理：無外加電場(chǎng)作用時(shí)，液晶分子排列整齊，入射的光線絕大部分被反射回來，液晶呈透明狀態(tài)，不顯示數(shù)字；在相應(yīng)字段的電極上加電壓時(shí)，液晶中的導(dǎo)電正離子作定向運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中不斷撞擊液晶分子，破壞了液晶分子的整齊排列，液晶對(duì)入射光產(chǎn)生散射而變成了暗灰色，于是顯示出相應(yīng)的數(shù)字。外加電壓斷開后，液晶分子又將恢復(fù)到整齊排列狀態(tài)，字形隨之

61、消失。,,,LCD優(yōu)點(diǎn)： ?省電(功耗極小)！適用于便攜式儀表，如手機(jī)。LCD缺點(diǎn)： ?不自發(fā)光，亮度差； ?響應(yīng)速度慢（10~200ms），不宜用于高速系統(tǒng)；,2.2.5 數(shù)據(jù)選擇器,邏輯功能: 根據(jù)地址碼的要求，從多路輸入信號(hào)中選擇其中一路輸出的電路。,輸入信號(hào)個(gè)數(shù) N 與地址碼個(gè)數(shù) n 的關(guān)系為 N = 2n常用 2 選 1、4 選 1、8 選 1和 16 選 1 等數(shù)據(jù)選擇器。,1. 4選1數(shù)據(jù)選擇器,

62、真值表,邏輯表達(dá)式,,地址變量,,輸入數(shù)據(jù),,,由地址碼決定從４路輸入中選擇哪一路輸出。,2. 集成數(shù)據(jù)選擇器,集成雙4選1數(shù)據(jù)選擇器74LS153,集成8選1數(shù)據(jù)選擇器74LS151,,例1：試用8選1MUX實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù)：,解：首先求出F的最小項(xiàng)表達(dá)式。,當(dāng)采用8選1 數(shù)據(jù)選擇器時(shí)，令A(yù)2=A，A1=B，A0=C，則由,D1=D2=D3=D4=D5=D7=1，D0=D6=0,3. 數(shù)據(jù)選擇器的應(yīng)用,得,,邏輯圖,注意：因?yàn)楹瘮?shù)F中

63、各最小項(xiàng)的標(biāo)號(hào)是按A、B、C的權(quán)為4、2、1寫出的，因此A、B、C必須依次加到A2、A1、A0端。,例2：試用4選1MUX實(shí)現(xiàn)三變量函數(shù),解：① 首先選擇地址輸入，令A(yù)1A0=AB，則多余輸入變量為C的某種形式，余函數(shù)Di=f(C)。 ② 確定余函數(shù)Di。 將F的表達(dá)式變換為與Y相應(yīng)的形式，有：,連接圖略,2.3 組合邏輯電路的分析與設(shè)計(jì),2.3.1 組合邏輯電路的分析,2.3.2 組合邏輯電路的設(shè)計(jì),目標(biāo)：分析已知

64、邏輯電路的功能,步驟：,輸出函數(shù)表達(dá)式,描述電路功能,已知組合邏輯電路,簡(jiǎn)化函數(shù),真值表,2.3.1 組合邏輯電路的分析,例1：試分析圖示邏輯電路的功能。,多數(shù)輸入變量為1，輸出F為1；多數(shù)輸入變量為0，輸出 F為0。 因此該電路為少數(shù)服從多數(shù)電路，稱表決電路。,（1）邏輯表達(dá)式,（2）真值表,,（3）判斷：,解：,,例2：分析下圖所示邏輯電路的功能。,解：,(1)寫出輸出邏輯函數(shù)式,,(3)分析邏輯功能,通過分析真值

65、表特點(diǎn)來說明功能。,A、B、C 三個(gè)輸入變量中，有奇數(shù)個(gè) 1時(shí)，輸出為 1，否則輸出為 0。因此，圖示電路為三位判奇電路，又稱奇校驗(yàn)電路。,,步驟：,根據(jù)要求設(shè)計(jì)出實(shí)際邏輯電路,形式變換,,,根據(jù)設(shè)計(jì)所用芯片要求,選擇所需門電路,確定輸入、輸出、列出真值表,寫出表達(dá)式并化簡(jiǎn),,畫邏輯電路圖,,2.3.2 組合邏輯電路的設(shè)計(jì),例1: 交通燈故障監(jiān)測(cè)邏輯電路的設(shè)計(jì)。,紅燈R黃燈Y綠燈G,單獨(dú)亮?正常,黃、綠同時(shí)亮?正常,其他情況?

66、不正常,,,,2、卡諾圖?化簡(jiǎn),3、寫最簡(jiǎn)邏輯式,設(shè)：燈亮為“1”，不亮為“0”，正常為“0”，不正常為“1”。,4、用基本邏輯門構(gòu)成邏輯電路,若要求用與非門構(gòu)成該邏輯電路呢？,5、用與非門構(gòu)成邏輯電路,解:(1) 輸血者的血型和受血者的血型圖：血型配合是輸人變量，兩者是否符合血型配合原則的結(jié)果為輸出變量F。按題意會(huì)有8個(gè)輸入變量。用P、Q兩個(gè)變量的4種組合表示輸血者血型，用R、S兩個(gè)變量的4種組合表示受血者血型，則用4個(gè)輸入

67、即可。,例2：人類有0、A、B和AB四種血型。輸血者與受血者必須符合一定的原則，完整的輸血者和受血者之間的血型配合關(guān)系如圖。試設(shè)計(jì)一血型關(guān)系檢測(cè)電路，以檢測(cè)血型關(guān)系是否匹配。,,(2)根據(jù)血型配合關(guān)系圖，當(dāng)兩者符合血型配合原則，輸出變量少1，否則為0。見邏輯真值表。,2.4 組合邏輯電路中的競(jìng)爭(zhēng)與冒險(xiǎn),2.4.1 邏輯競(jìng)爭(zhēng)與冒險(xiǎn)的概念,任何一種尖峰脈沖都是違背穩(wěn)態(tài)下邏輯關(guān)系的一種噪聲，應(yīng)當(dāng)避免；兩個(gè)輸入信號(hào)同時(shí)向相反的邏輯電平跳變的現(xiàn)

68、象稱為競(jìng)爭(zhēng)；由于競(jìng)爭(zhēng)而在電路輸出端可能產(chǎn)生尖峰脈沖的現(xiàn)象叫做競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)（0型和1型）。,注意： 競(jìng)爭(zhēng)是經(jīng)常發(fā)生的，但不一定都會(huì)產(chǎn)生毛刺。如上頁圖中“虛線”A由0變1時(shí)也有競(jìng)爭(zhēng)，卻未產(chǎn)生毛刺，所以競(jìng)爭(zhēng)不一定造成危害。但一旦出現(xiàn)了毛刺，若下級(jí)負(fù)載對(duì)毛刺敏感，則毛刺將使負(fù)載電路發(fā)生誤動(dòng)作。,2.4.2 邏輯冒險(xiǎn)的識(shí)別,判斷一個(gè)組合邏輯電路是否存在競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)，有兩種常用的方法：代數(shù)法和卡諾圖法。,,1. 代數(shù)法 在