第13章 門電路和組合邏輯電路

1、第四部分?jǐn)?shù)字電子電路,第13章 門電路與組合 邏輯電路,13.2 晶體管的開關(guān)特性,13.3 基本邏輯門電路,13.4 組合邏輯電路的分析與設(shè)計(jì),13.5 加法器,13.6 譯碼電路和顯示器,,13.1 數(shù)字電路概述,電子技術(shù)中的工作信號(hào)是模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。,模擬信號(hào)：隨時(shí)間連續(xù)的信號(hào)。,鋸齒波信號(hào),正弦波信號(hào),返回,數(shù)字信號(hào)：不隨時(shí)間連續(xù)變化，是躍變的。,尖頂波信號(hào),方波信號(hào),數(shù)字電子電路：工作信號(hào)為數(shù)字信號(hào)的電路。

2、,數(shù)字信號(hào)也稱為脈沖信號(hào)。,返回,1.分析門電路與組合邏輯電路的輸入、輸出之間的邏輯關(guān)系。2.分析觸發(fā)器與時(shí)序邏輯電路的輸入、輸出之間的邏輯關(guān)系。,數(shù)字電路研究的問題：,數(shù)字電路的分析方法：,主要是邏輯代數(shù)、卡諾圖、邏輯狀態(tài)表和波形圖。,返回,實(shí)際脈沖信號(hào)的波形與參數(shù)：,返回,正脈沖,0,-5V,+5V,負(fù)脈沖,+5V,0,-5V,0,,,,0,,脈沖的邏輯狀態(tài),高電平,低電平,返回,由于數(shù)字電路的工作信號(hào)不是高電平就是低電平，所以數(shù)

3、字電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易集成、分析方便等主要特點(diǎn)。,由于數(shù)字電路具有上述特點(diǎn)，所以在計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、測(cè)量、通訊、雷達(dá)、廣播電視、儀器儀表等科技領(lǐng)域以及生產(chǎn)、生活的各個(gè)方面得到愈來愈廣泛的應(yīng)用。,返回,鋼爐料位的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)：,,料,,返回,測(cè)量原理分析:,測(cè)桿向下運(yùn)動(dòng)時(shí),門電路打開,傳遞信號(hào),記錄脈沖的個(gè)數(shù)，脈沖的個(gè)數(shù)就反映了料位的高度.,,顯示器,5 8 0,計(jì)數(shù)器,返回,可靠飽和:,在數(shù)字電路中，晶體管工作在飽和或截止?fàn)顟B(tài)，即

4、工作在開關(guān)狀態(tài)。,此時(shí)，晶體管相當(dāng)是開關(guān)閉合。,返回,此時(shí)，晶體管相當(dāng)是開關(guān)打開。,可靠截止:,返回,在數(shù)字電路中，門電路是最基本的邏輯元件，是組成數(shù)字電路的基本單元。,“門”,,是一種開關(guān)，,,,,門 電 路,A,B,,Y,+5V,0V,起傳送信號(hào)的作用。,門開，信號(hào)送出。,門關(guān)閉，信號(hào)被封鎖。,,輸入信號(hào)與輸出信號(hào)有一定的邏輯關(guān)系。,返回,輸入變量A和B滿足什么邏輯關(guān)系“門電路”才能傳送信號(hào)。,研究的問題：,在數(shù)字電路中，用“1

5、”和“0”表示兩種相反的工作狀態(tài)：,,,低電平,高電平,返回,1.與門電路,(b)圖中，當(dāng)A ,B ,C都是高電平時(shí),F才是高電平，否則F就是低電平。,與邏輯：(a)圖中，當(dāng)開關(guān)A、B都閉合時(shí)，燈F 才亮，否則燈F不亮。,返回,邏輯功能分析：,當(dāng)A、B 、C中有一個(gè)是低電平時(shí),F就是低電平;當(dāng)A、B、C都是高電平時(shí),F才是高電平。,當(dāng)A=B=+3V,C=0V時(shí),由于二極管DC的陰極電位比二極管DA和DB低，所以DC導(dǎo)

6、通,忽略二極管的正向壓降,輸出端F的電位VF= 0V,輸出為低電平。,當(dāng)A=B = C = +3V時(shí),二極管DA DB DC都導(dǎo)通,忽略二極管的正向壓降,輸出端F的電位VF=+3V, 輸出為高電平。,返回,邏輯表達(dá)式：,當(dāng)A、B 、C中有一個(gè)是低電平時(shí),F就是低電平;當(dāng)A、B、C都是高電平時(shí),F才是高電平。,有0出0，全1出1。,返回,2.或門電路,(b)圖中，當(dāng)A ,B ,C中只有一個(gè)是高電平時(shí),F就是高電平；當(dāng)A ,B ,C全為低電

7、平時(shí)，F(xiàn)才是低電平。,(a)圖中，當(dāng)開關(guān)A、B只有一個(gè)閉合時(shí)，燈F就亮；當(dāng)開關(guān)全部打開時(shí)，燈F才不亮。,或邏輯：,返回,邏輯功能分析：,當(dāng)A、B 、C中有一個(gè)是高電平時(shí),F就是高電平;當(dāng)A、B、C都是低電平時(shí),F才是低電平。,當(dāng)A=+3V,B=C=0V時(shí),由于二極管DA的陽極電位比二極管DB和DC高，所以DA導(dǎo)通,忽略二極管的正向壓降,輸出端F的電位VF=+3V,輸出為高電平。,當(dāng)A=B = C = 0時(shí),二極管DA DB DC都導(dǎo)通,

8、忽略二極管的正向壓降,輸出端F的電位VF=0V, 輸出為低電平。,返回,邏輯表達(dá)式：,當(dāng)A、B 、C中有一個(gè)是高電平時(shí),F就是高電平;當(dāng)A、B、C都是低電平時(shí),F才是低電平。,有1出1，全0出0。,返回,3.非門電路,(b)圖中，當(dāng)A是高電平時(shí),F就是低電平；當(dāng)A是低電平時(shí)，F(xiàn)才是高電平。,(a)圖中，當(dāng)開關(guān)A閉合時(shí)，燈F不亮；當(dāng)開關(guān)A打開時(shí)，燈F才亮。,非邏輯：,返回,邏輯功能分析：,當(dāng)A是高電平時(shí),F就是低電平;當(dāng)A是低電平時(shí),F就

9、是高電平。,當(dāng)A=+3V時(shí),晶體管T飽和導(dǎo)通。忽略晶體管的管壓降,輸出端F的電位VF= 0V,輸出為低電平。,當(dāng)A= 0時(shí),晶體管T截止,由于二極管的鉗位作用，輸出端F的電位VF=＋3V, 輸出為高電平。,返回,邏輯表達(dá)式：,當(dāng)A是高電平時(shí),F就是低電平;當(dāng)A是低電平時(shí),F就是高電平。,輸入、輸出反相位。,返回,1.與非門電路,與非邏輯：(a)圖中，與門和非門串聯(lián)，即先與 后非。,邏輯表達(dá)式：,返回,常用的與非門7

10、4LS00的管腳圖與外型圖,返回,2.或非門電路,或非邏輯：(a)圖中，或門和非門串聯(lián)，即先或 后非。,邏輯表達(dá)式：,返回,3. 三態(tài)與非門電路,邏輯功能：輸出有三個(gè)狀態(tài)，即0、1和高阻狀態(tài)。,E是控制端。（a）圖中，E是低電平時(shí)有效，即E=0時(shí),輸出端的狀態(tài)和與非門相同；E=1時(shí),輸出開路，呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。,（b）圖中，E是高電平時(shí)有效。,返回,有0出0，全1出1。,有1出1，全0出0。,輸入與輸出反相。,基本門電

11、路小結(jié),返回,有0出1，全1出0。,有1出0，全0出1。,返回,工作指示燈,返回,工作原理分析：,工作指示燈,1,1,0,0,1,1,0,0,1,繼電器線圈通電，控制對(duì)象工作。,返回,1,1,0,1,0,1,0,1,0,揚(yáng)聲器響，繼電器斷電，控制對(duì)象停止工作。,返回,S1、S2為搶答開關(guān)，L1、L2是兩組的指示燈。,蜂鳴器響，表示搶答有效！,返回,工作原理分析：,指示燈不亮，蜂鳴器不響。,未搶答之前，S1、S2都接低電平。,,,,,1,

12、0,0,1,0,0,0,返回,搶答開始，S1先接高電平。,,,1,0,0,,,,,,1,1,0,0,0,0,1,1,蜂鳴器響,1,蜂鳴器響，表示搶答有效！,返回,S2后接高電平：,,,1,0,0,,,,,,1,1,0,0,0,0,1,1,蜂鳴器響,1,L2指示燈不亮，表示搶答無效！,,,1,0,返回,組合邏輯電路：由基本邏輯門電路組成。,分析方法：邏輯代數(shù)和卡諾圖,在邏輯代數(shù)中，邏輯函數(shù)的變量只能取兩個(gè)值，即0和1。這里的0和1只是表示

13、兩個(gè)對(duì)立的邏輯狀態(tài)，如電位的高低，開關(guān)的閉合與斷開，晶體管的導(dǎo)通與截止，有信號(hào)和無信號(hào)等。,返回,1.基本邏輯運(yùn)算,邏輯（與）：,,邏輯乘法（邏輯與）,邏輯（或）：,,邏輯加法（邏輯或）,邏輯（非）：,,邏輯非（邏輯反）,返回,運(yùn)算規(guī)則：,邏輯乘,邏輯加,邏輯非,返回,2.基本運(yùn)算法則,返回,,A+AB=A,返回,反演率的證明,返回,3.邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn),【例13.3】,,,被吸收,返回,【例13.4】,反演率,,被吸收,返回,【例13.

14、5】,被吸收,,返回,1. 組合邏輯電路的分析,分析步驟：,（1）已知邏輯圖,（2）寫出邏輯表達(dá)式,（3）化簡(jiǎn)邏輯表達(dá)式,（4）列出狀態(tài)表,（5）分析邏輯功能,返回,解,返回,真值表,相同為“0”不同為“1”,異或門,返回,解,返回,真值表,相同為“1”不同為“0”,同或門,返回,2. 組合邏輯電路的設(shè)計(jì),分析步驟：,（1）已知任務(wù)要求,（2）列出狀態(tài)表,（3）寫出邏輯表達(dá)式,（4）化簡(jiǎn)邏輯表達(dá)式,（5）畫出邏輯電路,返回,要求：三

15、人用A、B、C表示。每人一個(gè)按鍵，如果同意按鍵，反對(duì)不按鍵。表決結(jié)果F用指示燈表示，多數(shù)同意指示燈亮，否則指示燈不亮。,（1） 三人A、B、C表決情況為輸入量，按鍵時(shí)為1，不按鍵時(shí)為0。表決結(jié)果F為輸出量，多數(shù)贊成時(shí)為1，否則為0。,（2）根據(jù)題意列出邏輯狀態(tài)表,解,返回,邏輯狀態(tài)表,（3）寫出邏輯表達(dá)式,,,,,返回,,填項(xiàng),5. 根據(jù)邏輯表達(dá)式畫出邏輯圖。,用三個(gè)與門和一個(gè)或門實(shí)現(xiàn),（4）化簡(jiǎn)邏輯表達(dá)式,,返回,若用與非門實(shí)現(xiàn),返回

16、,【例13.9】某學(xué)校舉辦師生聯(lián)歡晚會(huì)，教師持紅票入場(chǎng)，學(xué)生持黃票入場(chǎng)，持綠票者師生均可入場(chǎng)。,,試設(shè)計(jì)邏輯電路。,解,設(shè)輸入變量為A，B，C。,A=1,,教師,A=0,,學(xué)生,B=1,,紅票,B=0,,黃票,C=1,,,有綠票,C=0,,無綠票,F=1,,可入場(chǎng),F=0,,不準(zhǔn)入場(chǎng),返回,（1）列邏輯狀態(tài)表,1,1,0,1,0,1,1,1,返回,（2）寫出邏輯表達(dá)式并化簡(jiǎn),返回,,,,A,B,C,,,,,,,F,（4）根據(jù)邏輯表達(dá)式畫

17、出邏輯圖。,返回,不是最小項(xiàng),邏輯函數(shù)的表達(dá)式通常采用“與或”的形式。,例如：,若乘積項(xiàng)中包含了所有變量A、B、C的原變量或反變量，則稱這些乘積項(xiàng)為最小項(xiàng)。,1.邏輯變量的最小項(xiàng),乘積項(xiàng),最小項(xiàng),【例13.10】,,不是最小項(xiàng),返回,最小項(xiàng)的編號(hào)：,返回,卡諾圖表示法就是將變量的最小項(xiàng)按著邏輯相鄰的規(guī)則填入一個(gè)方格圖中。,2.邏輯函數(shù)的卡諾圖表示法,,邏輯相鄰：任意相鄰的兩個(gè)最小項(xiàng)中只有一個(gè)變 量不同。,,,,,,,

18、,返回,卡諾圖的化簡(jiǎn)方法就是將邏輯相鄰的最小項(xiàng)圈起來，然后相加，消去邏輯變量，得到最簡(jiǎn)的表達(dá)式。,3.邏輯函數(shù)的卡諾圖化簡(jiǎn)法,【例13.11】,,A,BC,00,01,11,10,0,1,解,,,,,,1,1,1,1,,,,,,,0,0,0,0,返回,,最后化簡(jiǎn)結(jié)果：,BC,AC,AB,返回,【例13.12】,解,,1,1,1,1,1,1,0,,圈圈的原則是能大不小，邏輯相鄰。,,,,,,返回,圈圈時(shí)要注意：,邏輯不相鄰,邏輯不相鄰,所

19、以，不能這樣圈圈！,返回,邏輯相鄰舉例：,上下相鄰,左右相鄰,四角相鄰,卡諾圖化簡(jiǎn)邏輯表達(dá)式，直觀，快捷，容易化成最簡(jiǎn)式。建議在邏輯電路設(shè)計(jì)中采用此法化簡(jiǎn)。,返回,在數(shù)字電路中，加法運(yùn)算是二進(jìn)制加法運(yùn)算，加法器是數(shù)字電路中最基本的運(yùn)算單元。,返回,不考慮從低位送來的進(jìn)位信號(hào)只求本位的和。,真值表,返回,真值表,半加器的邏輯表達(dá)式,半加器可以由異或門組成。,返回,半加器也可以由與非門組成。,半加器的邏輯符號(hào),半加器的功能：完成一位二進(jìn)

20、制加法運(yùn)算。,返回,全加器的功能：完成多位二進(jìn)制加法運(yùn)算。,返回,,,,,邏輯狀態(tài)表,返回,返回,Ci-1,si,ci,邏輯圖,,返回,邏輯符號(hào),返回,【例13.13】,四位二進(jìn)制加法運(yùn)算。,A=1101, B=1011, A+B=?,1,1,0,1,1,0,1,1,0,0,0,1,,,,1,1,1,1,A+B=11000,返回,譯碼就是將二進(jìn)制代碼翻譯成十進(jìn)制數(shù)和對(duì)應(yīng)的信號(hào)。,譯碼器的輸入：,一組二進(jìn)制代碼,譯碼器的輸出：,一組高低

21、電平信號(hào),將n種輸入的組合翻譯成2n種電路狀態(tài)。也叫n—2n線譯碼器。,返回,兩位二進(jìn)制譯碼器的工作原理分析：,輸入：兩位二進(jìn)制代碼,輸出：四個(gè)相應(yīng)的信號(hào),2線－4線譯碼器,返回,功能表,工作原理分析：,每一組二進(jìn)制代碼，對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出信號(hào)。,0,0,1,1,1,0,0,0,0,0,返回,CT4139（74LS139）集成二進(jìn)制譯碼器介紹：,控制端，低電平有效。,,,輸入端,,輸出端，低電平有效。,返回,CT4139的功能表,工作原理分析

22、：,1,0,1,1,1,1,1,,0,0,0,1,1,0,1,0,,,,,,,0,,,返回,74LS139管腳圖,一片139中含兩個(gè)2-4譯碼器,返回,【例13.14】,用5片CT4139擴(kuò)展成4線－16線譯碼器。,,4個(gè)輸入端,,16個(gè)輸出端,,(1)～(4)片的控制端,(5)片的功能是片選,(1) ~ (4)片的功能是譯碼,返回,0,0,0,0,0,0,1,1,0,0,1,1,0,1,1,0,返回,0,0,1,1,1,返回,,4個(gè)輸

23、入端,,10個(gè)輸出端,4線－10線譯碼器,返回,工作原理分析：,返回,0,0,0,0,1,0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,1,0,1,1,0,1,0,0,1,返回,在數(shù)字系統(tǒng)中，需要將運(yùn)算結(jié)果用我們習(xí)慣的十進(jìn)制顯示出來，這就要用到顯示譯碼器。,顯示譯碼器：4個(gè)輸入端， 7個(gè)輸出端；稱為七段顯示譯碼器。,七段顯示譯碼器輸出端接顯示器件。,常用的顯示器件有半導(dǎo)體數(shù)碼管和液晶顯示器。,返回,1. 半導(dǎo)體數(shù)碼管(LED),由七個(gè)

24、發(fā)光二極管組成，搭成十進(jìn)制數(shù)碼的七個(gè)字段。,發(fā)光二極管的工作電壓為1V~2.5V。,返回,,,,,,,,a,b,c,d,f,g,a b c d e f g,1 1 1 1 1 1 0,0 1 1 0 0 0 0,1 1 0 1 1 0 1,e,??,半導(dǎo)體數(shù)碼管(LED)的顯示,返回,2. 液晶顯示器(LCD),由液態(tài)晶體組成，在液態(tài)晶體薄層上外加電壓，改變其光學(xué)特性而進(jìn)行顯示。,由

25、于液晶顯示器具有工作電壓低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，所以得到廣泛應(yīng)用。,返回,3. 七段顯示譯碼器,七段顯示譯碼器：4個(gè)輸入端， 7個(gè)輸出端；輸出端接LED或LCD顯示器件。,目前常用的七段顯示譯碼器有CT4047（74LS47)和CT4048（74LS48)。,具體電路連接如下：,限流電阻,數(shù)碼管,返回,七段顯示譯碼器CT4048（74LS48)介紹。,CT4048（74LS48) 是高電平譯碼，應(yīng)配接共陰極的數(shù)碼管。,,,輸入端,輸入端,