1、Pan Pan HongbingHongbingVLSI Design InstituteVLSI Design Institute of Nanjing University of Nanjing University数字电子技术基础第四章 组合逻辑电路4.1 概述l数字电路分两类：一类为组合逻辑电路，另一类为时序逻辑电路。l一、组合逻辑电路的特点l任何时刻的输出仅仅取决于该时刻的输入，与电路原来的状态无关。l电路中不能包含存储单元。二、逻辑功能的描述二、逻辑功能的描述n逻辑图，逻辑函数表达逻辑图，逻辑函数表达式或逻辑真值表。式或逻辑真值表。图图4.1.1 组合逻辑电路举例组合逻辑电路举例图
2、图4.1.2 组合逻辑电路的框图组合逻辑电路的框图ABCIBACOCIBAS)()(),.,(.),.,(),.,(2121222111nmmnnaaafyaaafyaaafyY=F(A)4.2 组合逻辑电路的分析方法和设计方法组合逻辑电路的分析方法和设计方法n4.2.1 组合逻辑电路的分析方法组合逻辑电路的分析方法n通过分析找出电路的逻辑功能。通过分析找出电路的逻辑功能。n通常的分析方法：通常的分析方法：从电路的输入到输出逐级写出逻辑函数式从电路的输入到输出逐级写出逻辑函数式,得到逻辑函数式，得到逻辑函数式，然后用公式化简法或卡诺图化简法将得到的函数式化然后用公式化简法或卡诺图化简法将得到的
3、函数式化简或变换，使逻辑关系简单明了。简或变换，使逻辑关系简单明了。有时还可将有时还可将 逻辑函数式转换为真值表的形式。逻辑函数式转换为真值表的形式。例4.2.1 P162图4.2.1 例3.2.1的电路4.2.2 组合逻辑电路的设计方法组合逻辑电路的设计方法n最简单逻辑电路：器件数最少，器件种类最少，最简单逻辑电路：器件数最少，器件种类最少，器件之间的连线最少。器件之间的连线最少。n步骤：步骤：1、进行逻辑抽象、进行逻辑抽象2、写出逻辑函数式、写出逻辑函数式3、选定器件的类型、选定器件的类型4、将逻辑函数化简或变换成适当的形式、将逻辑函数化简或变换成适当的形式5、根据化简或变换后的逻辑函数式
4、，画出逻辑电路、根据化简或变换后的逻辑函数式，画出逻辑电路的连接图的连接图6、工艺设计、工艺设计4.2.2 组合逻辑电路的设计方法组合逻辑电路的设计方法图图4.2.2 组合逻辑电路的设计过程组合逻辑电路的设计过程工艺设计：设计印刷电路板、机箱、面板、电源、显工艺设计：设计印刷电路板、机箱、面板、电源、显示、控制开关等，最后是组装、调试、老化、检验等。示、控制开关等，最后是组装、调试、老化、检验等。例例4.2.2 红绿灯故障状态检测红绿灯故障状态检测图图4.2.3 交通信号灯的正常工作状态与故障状态交通信号灯的正常工作状态与故障状态解的过程：解的过程：1）逻辑抽象。）逻辑抽象。2）写出逻辑函数式
5、。）写出逻辑函数式。3）选定器）选定器件。件。4）将逻辑函数式简化。）将逻辑函数式简化。5）根据简化后的逻辑函数式画）根据简化后的逻辑函数式画出逻辑电路图。出逻辑电路图。6）得到电路。）得到电路。对于复杂的组合逻辑，通常采用对于复杂的组合逻辑，通常采用”自顶向下自顶向下”与与“自底向上自底向上”相相结合的设计方法。结合的设计方法。4.3 若干常用的组合逻辑电路若干常用的组合逻辑电路n4.3.1 编码器编码器Encodern一、普通编码器一、普通编码器图图4.3.1 3位二进制（位二进制（8线线3线）编码器的框图线）编码器的框图图图4.3.2 3位二进制编码器位二进制编码器二、优先编码器二、优先
6、编码器图图4.3.3 8线线3线优先编码器线优先编码器74LS148的逻辑图的逻辑图例例4.3.1 用两片用两片74HC148接成接成16线线-4线优线优先编码器先编码器图图4.3.4 用两片用两片74LS148接成的接成的16线线4线优先编码器线优先编码器1、芯片、芯片1的的Ys连接芯片连接芯片2的的S。2、芯片、芯片1的的YEX作为编码作为编码输出最高位。输出最高位。图图4.3.5 二十进制优先编码器二十进制优先编码器74LS147的逻辑图的逻辑图4.3.2 译码器译码器n一、二进制译码器一、二进制译码器图图4.3.6 3位二进制（位二进制（3线线8线）译码器的框图线）译码器的框图 图图4
7、.3.7 用二极管与门阵列组成的用二极管与门阵列组成的3线线8线译码器线译码器优点：结构简单。优点：结构简单。两个严重的缺点：两个严重的缺点：1、电路输入电阻较低而、电路输入电阻较低而输出电阻较高。输出电阻较高。2、输出的高、低电平信、输出的高、低电平信号发生偏移。号发生偏移。通常仅在大规模集成电通常仅在大规模集成电路内部采用这种结构。路内部采用这种结构。图图4.3.8 用与非门组成的用与非门组成的3线线8线译码器线译码器74LS138最小项译码器。最小项译码器。例例4.3.2 P177图图4.3.10 用两片用两片74LS138接成的接成的4线线16线译码器线译码器二、二二、二-十进制译码器
8、十进制译码器图图4.3.11 二十进制译码器二十进制译码器74LC42拒绝伪码功能。拒绝伪码功能。三、显示译码器三、显示译码器n1、七段字符显示器、七段字符显示器nLED,LCD图图4.3.12 半导体数码管半导体数码管BS201A （a）外形图外形图 b）等效电路等效电路图图4.3.13 液晶显示器的结构及符号液晶显示器的结构及符号（a）未加电场时未加电场时 （b）加电场以后加电场以后 （c）符号符号工作电压低、体积小、工作电压低、体积小、寿命长、可靠性高、响寿命长、可靠性高、响应时间短、亮度较高。应时间短、亮度较高。但工作电流较大。但工作电流较大。图图4.3.14 用异或门驱动液晶显示器用
9、异或门驱动液晶显示器 （a）电路电路 （b）电压波形电压波形液晶优点：功耗极小。液晶优点：功耗极小。缺点：亮度差，响应速度低。缺点：亮度差，响应速度低。A=0, 不工作不工作A=1，工作，工作2. BCD 七段显示译码器七段显示译码器图图4.3.15 BCD七段七段显示译码器的卡诺图显示译码器的卡诺图图图4.3.16 BCD七段七段显示译码器显示译码器7448的逻辑图的逻辑图LT：灯测试输入：灯测试输入RBI：灭零输入：灭零输入BI/RBO灭灯输入灭灯输入/灭零输出灭零输出图图3.3.16 7448的输入、输出电路的输入、输出电路（a） 端（端（b）输入端输入端 （c）输）输出出端端RBOBI
10、/图图4.3.18 用用7448驱动驱动BS201的连接方法的连接方法图图4.3.19 有灭零控制的有灭零控制的8位数码显示系统位数码显示系统四、用译码器设计组合逻辑电路四、用译码器设计组合逻辑电路n例例4.3.3 P186-1894.3.3 数据选择器数据选择器n一、数据选择器的工作原理一、数据选择器的工作原理nP188图图4.3.21 双双4选选1数据选择器数据选择器74LS153例例4.3.4 用两个带附加控制端的用两个带附加控制端的4选选1数据选择器数据选择器组成一个组成一个8选选1数据选择器数据选择器二、用数据选择器设计组合逻辑电路二、用数据选择器设计组合逻辑电路n例例4.3.5 用
11、用4选选1数据选择数据选择器实现例器实现例4.2.2的交通信的交通信号灯监视电路。号灯监视电路。例例4.3.6 P190图图4.3.24 例例4.3.6的电路的电路4.3.4 加法器加法器n两个二进值数之间的算术运算无论是加、减、乘、除，两个二进值数之间的算术运算无论是加、减、乘、除，在数字计算机中都是化做若干步加法运算进行的。加法在数字计算机中都是化做若干步加法运算进行的。加法器是构成算术运算器的基本单元。器是构成算术运算器的基本单元。n一、一、1位加法器位加法器n1、半加器、半加器不考虑来自低位的进位将两个不考虑来自低位的进位将两个1位二进制数相加。位二进制数相加。图图4.3.25 半加器
12、半加器（a）逻辑图逻辑图 （b）符号符号2. 全加器全加器n在将两个多位二进制数相加时，除了最低位以外，每一在将两个多位二进制数相加时，除了最低位以外，每一位都应该考虑来自低位的进位，即将两个对应位的加数位都应该考虑来自低位的进位，即将两个对应位的加数和来自低位的进位和来自低位的进位3个数相加。这种运算称为全加，所个数相加。这种运算称为全加，所用的电路称为全加器。用的电路称为全加器。图图4.3.26 全加器的卡诺图全加器的卡诺图图图4.3.27 双全加器双全加器74LS183 （a）1/2逻辑图逻辑图 （b）图形图形符号符号二、多位加法器二、多位加法器n1、串行进位加法器（速度慢）、串行进位加
13、法器（速度慢）图图4.3.28 4位串行进位加法器位串行进位加法器2. 超前进位（快速进位）加法器超前进位（快速进位）加法器n目的：为了目的：为了提高运算速度提高运算速度，需要在相加开始就知，需要在相加开始就知道高位的进位输入信号。方法是通过逻辑电路事道高位的进位输入信号。方法是通过逻辑电路事先得出每一位全加器的进位输入信号，无需从低先得出每一位全加器的进位输入信号，无需从低位向高位传递。位向高位传递。图图4.3.29 4位超前进位加法器位超前进位加法器74LS283 的的逻辑图逻辑图三、用加法器设计组合逻辑电路三、用加法器设计组合逻辑电路图图4.3.30 例例3.3.7的代码转换电路的代码转
14、换电路4.3.5 数值比较器数值比较器n一、一、1位数值比较器位数值比较器图图4.3.31 1位数值比较器位数值比较器二、多位数值比较器二、多位数值比较器图图4.3.32 4位数值比较器位数值比较器CC14585的逻辑图的逻辑图例例 4.3.8 用两片用两片74LS85组成一个组成一个8位数位数值比较器值比较器图图4.3.33 将两片将两片CC14585 接成接成8位数值比较器位数值比较器4.4 组合逻辑电路中的竞争组合逻辑电路中的竞争-冒险现象冒险现象n4.4.1 竞争-冒险现象及其成因将门电路的两个输入将门电路的两个输入信号同时向相反的逻信号同时向相反的逻辑电平跳变的现象称辑电平跳变的现象
15、称为竞争。为竞争。由于竞争而在电路输由于竞争而在电路输出端可能产生尖峰脉出端可能产生尖峰脉冲的现象称为竞争冲的现象称为竞争-冒冒险。险。图图4.4.1 由于竞争而产生的尖峰脉冲由于竞争而产生的尖峰脉冲图图4.4.2 2线线4线译码器中的竞争冒险现象线译码器中的竞争冒险现象 （a）电路图电路图 （b）电压波形图电压波形图4.4.2 检查竞争检查竞争-冒险现象的方法冒险现象的方法图图4.4.3 同一输入变量经不同途径到达输出门的情况（同一输入变量经不同途径到达输出门的情况（m、n 均为均为正整数）正整数）输出端的逻辑输出端的逻辑函数在一定条函数在一定条件下能化简为：件下能化简为：Y=A+A或或Y=
16、A.A则可判定存在则可判定存在竞争竞争-冒险现象。冒险现象。例例 4.4.1 判断如下两电路是否存在判断如下两电路是否存在竞争竞争-冒险现象冒险现象逻辑函数式：逻辑函数式：Y=AB+AC当当B=C=1时，上式成为时，上式成为Y=A+A故存在竞争故存在竞争-冒险现象冒险现象逻辑函数式：逻辑函数式：Y=（A+B）.(B+C)当当A=C=0时，上式成为时，上式成为Y=B.B故存在竞争故存在竞争-冒险现象冒险现象4.4.3 消除竞争消除竞争-冒险现象的方法冒险现象的方法n一、接入滤波电容一、接入滤波电容几十到几百几十到几百pF的电容即可。的电容即可。n二、引入选通脉冲二、引入选通脉冲图图4.4.5 消
17、除竞争冒险现象的几种方法消除竞争冒险现象的几种方法（a）电路接法电路接法 （b）电压波形电压波形三、修改逻辑设计三、修改逻辑设计图图4.4.6 用增加冗余项消除竞争冒险用增加冗余项消除竞争冒险例例4.4.4(a) 的输出逻的输出逻辑函数式为：辑函数式为：Y=AB+AC存在竞争存在竞争-冒险现象冒险现象增加增加BC项项得到：得到：Y=AB+AC+BC消除竞争消除竞争-冒险现象冒险现象4.5 用用Multisim 7分析组合逻辑电路分析组合逻辑电路n利用利用EDA工具。工具。复习思考题复习思考题nR4.2.1 什么是什么是“逻辑抽象逻辑抽象”？它包含哪些内容？它包含哪些内容？nR4.2.2 对于同
18、一个实际的逻辑问题，两个同学对于同一个实际的逻辑问题，两个同学经过逻辑抽象得到的逻辑函数不完全相同，这是经过逻辑抽象得到的逻辑函数不完全相同，这是为什么？为什么？nR4.3.1 在需要使用普通编码器的场合能否用优在需要使用普通编码器的场合能否用优先编码器取代普通编码器？在需要使用优先编码先编码器取代普通编码器？在需要使用优先编码器的场合能否用普通编码器取代优先编码器？器的场合能否用普通编码器取代优先编码器？nR4.3.2 用二用二-十进制译码器附加门电路（如图十进制译码器附加门电路（如图4.3.20所示的结构形式）能否得到任何形式的四所示的结构形式）能否得到任何形式的四变量逻辑函数？为什么？变
19、量逻辑函数？为什么？复习思考题复习思考题nR4.3.3 用用4线线-16线译码器（输入为线译码器（输入为A3、A2、A1、A0，输出为，输出为Y0Y15）能否取代图）能否取代图4.3.20中的中的3线线-8线译码器？如果可以取代，那么电路应如何线译码器？如果可以取代，那么电路应如何连接？连接？nR4.3.4 数据选择器输入数据的位数和输入地址数据选择器输入数据的位数和输入地址的位数之间应满足怎样的定量关系？的位数之间应满足怎样的定量关系？nR4.3.5 如果用同样的一个如果用同样的一个4选选1数据选择器产生数据选择器产生同样的一个三变量逻辑函数，电路接法是否是唯同样的一个三变量逻辑函数，电路接法是否是唯一的？一的？复习思考题复习思考题nR4.3.6 串行进位加法器和超前进位加法器有何串行进位加法器和超前进位加法器有何区别？它们各有何优缺点？区别？它们各有何优缺点？nR4.3.7 如果用如果用4位数值比较器比较两个位数值比较器比较两个3位的二位的二进制数，可以有多少种接法？进制数，可以有多少种接法？nR4.4.1 你能用最简单的语言说明什么是竞争你能用最简单的语言说明什么是竞争-冒冒险现象以及它的产生原因吗？险现象以及它的产生原因吗？nR4.4.2 有哪些方法可以消除竞争有哪些方法可以消除竞争-冒险现象？这冒险现象？这些方法各有何优缺点？些方法各有何优缺点？nThanks!
