1、数字电子技术基础与数字电子技术基础与技能技能-第第2章章湖南有色金属职业技术学院李响初2第第2章章 组合逻辑电路组合逻辑电路学习目标学习目标 知识目标知识目标：v 了解组合逻辑电路的基本概念及特点。v 掌握组合逻辑电路的分析方法及步骤。v 掌握编码器、译码器逻辑功能和应用特性。v 技能目标技能目标：v 会用万用表测试集成组合逻辑器件性能好坏。v 会组装与调试三人表决器。v 会查阅集成电路手册，能按要求选用集成组合逻辑器件。32.1 组合逻辑电路基本知识组合逻辑电路基本知识 话题引入话题引入 众所周知，目前计算机已普及到各行各业、各个领域，已经无所不在。但早期的计算机其设计的目的是用于快速计算，
2、着重于军事目的的应用。而随着计算机技术的发展和应用需求的增加，计算机已从主要用于科学计算和工程计算发展到从事数据处理、辅助设计、过程控制以及人工智能等。据统计，80以上的计算机主要用于数据处理，这类工作量大面宽，决定了计算机应用的主导方向。目前，计算机数据处理功能已广泛地应用于办公自动化、情报检索、图书管理、电影电视动画设计、会计电算化等领域。而实现计算机数据处理功能的关键部件为组合逻辑电路部件。初学者学习本课程时，一般要将常用组合逻辑部件逻辑功能及应用特性作为主要研究对象。42.1.1 组合逻辑电路的基本特征组合逻辑电路的基本特征v 在任何时刻，电路的输出状态只取决于该时刻的输入，而与该时刻
3、之前电路的状态无关的逻辑电路，称为组合逻辑电路，简称组合电路。组合逻辑电路的一般模型如图2-1所示。图2-1 组合逻辑电路一般模型v 基本特征：v（1）输出、输入之间没有反馈网络；v（2）电路中没有记忆元件，由逻辑门电路组成。X1X2XnY1Y2Ym组合逻辑电路5v 典型应用如图2-2所示。a）数码显示 b）交通信号灯控制器 c）表决器图2-2 组合逻辑电路典型应用62.1.2 组合逻辑电路的分析方法组合逻辑电路的分析方法v 分析步骤。v（1）根据给定的逻辑电路，写出输出变量的逻辑表达式；v（2）将得到的逻辑表达式化简；v（3）由化简的逻辑表达式列出真值表；v（4）判断逻辑电路的逻辑功能。v
4、框图：表2-3 组合逻辑电路分析步骤7v 例例2-1分析并说明图2-4所示逻辑电路的逻辑功能。图2-4 例2-1逻辑图 解：（1）根据给定的逻辑电路写出输出变量Y和输入变量A、B、C之间的逻辑表达式并进行转换。8 （2）根据逻辑表达式列出真值表见表2-1。表表2-1 【例例2-1】的真值表的真值表ABCCABCBABCAY)(CBAABCCBAABC 9v（3）逻辑功能:输入一致检测器。v 注意：注意：化简步骤第3步一般根据推导出的逻辑表达式难易程度进行选择。若逻辑表达式较简单，则可以直接写出对应真值表然后进行逻辑功能判断；若逻辑表达式较复杂，常常先采用公式化简法或卡诺图化简法将逻辑表达式化简
5、成最简形式，从而降低由逻辑表达式转换为真值表的分析难度。10*2.1.3 组合逻辑电路的设计方法组合逻辑电路的设计方法v 设计步骤：v（1）分析设计要求，列出符合要求的真值表。v（2）由真值表写出逻辑表达式，并对其进行化简。v（3）由化简后的逻辑表达式画出逻辑电路图。v 框图：表2-5 组合逻辑电路设计步骤11 例例2-2 设计一个监视三台电机工作状态的逻辑电路。正常工作情况下，任何时刻必有一台电机工作，而且只允许有一台电机工作。当出现其他工作状态时，电路发生故障，这时要求发出故障信号，以提醒维护人员前去修理。解：（1）首先分析设计要求v 取三台电机的工作状态为输入变量，分别用A、B、C表示，
6、并规定电机工作用1表示，不工作用0表示。取故障信号为输出变量，用Y表示，并规定电路正常工作时用0表示，发生故障时用1表示。根据题意，可列出如表2-2所示的逻辑真值表。12v 表表2-2 例例2-2真值表真值表v（2）逻辑表达式：v 由表2-2可知v（3）化简、变换逻辑表达式ABCCABCBABCACBAY13v 利用公式化简法化简，得到最简与-或式v 若所用器件种类限制为与非门器件，则可以对上式两次求反，变换为与非-与非表示式v（4）画逻辑电路v 根据最简与-或式可以画出对应的逻辑电路，如图2-6所示。选择与非门器件时的逻辑电路请读者自己分析。BCACABCBAYBCACABCBAY14图2-
7、6 例2-2与-或结构逻辑电路v 例例2-3 试用与非门设计一个供A、B、C三人使用的表决电路，以表决某一提案是否通过。若多数赞成，则提案通过，输出高电平。否则，提案不通过，输出低电平。v 解：（1）首先分析设计要求15v 取输入变量为A、B、C，且规定投赞成票用1表示，投反对票或弃权用0表示；输出变量为Y，且规定提案通过用1表示，不通过用0表示。根据题意，可列出如表2-3所示的真值表。表表2-3 例例2-3真值表真值表16v（2）写出逻辑表达式v 由表2-3可知v（3）化简、变换逻辑表达式v 利用公式化简法化简，得到最简与-或式v 由于所选器件种类限制为与非门器件，则需对上式两次求反，变换为
8、与非-与非表示式v（4）画逻辑电路ABCCABCBABCAYBCACABYBCACABY17v 根据最简与非-与非式可以画出对应的逻辑电路，如图2-7所示。图2-7 例2-3逻辑电路v 注意：注意：对于给定的逻辑功能要求，在设计过程中由于选定器件的不同，逻辑电路可以有多种电路结构形式。182.2 组合逻辑器件组合逻辑器件话题引入话题引入在工程技术中，考虑到有些种类的组合逻辑电路使用特别频繁，为便于使用，把它们制成了标准化的中规模组合逻辑器件，供用户直接选用。这些器件包括编码器、译码器、数据选择器、加法器、数值比较器等。由于中规模组合逻辑器件具有通用性强、体积小、功耗低、可靠性高等一系列优点，使
9、用这些常用组合逻辑器件，可以像搭积木一样构建自己需要的数字电路系统，从而可以加速数字系统的设计速度、提高系统的可靠性，使数字系统向微型化和智能化方向发展。目前，利用组合逻辑器件设计数字电路系统已成为设计者的优选方案，主要表现在以下几个方面：（1）精简设计电路所用的器件，简化结构；（2）节省设计电路所用的时间，缩短设计周期；（3）简化电路调试过程，缩短测试周期；（4）方便电路维护，减少维护成本。192.2.1 编码器编码器 【二进制编码器】用n位二进制代码对2n个信号进行编码的电路，称为二进制编码器，也称为普通编码器。3位二进制编码器的基本电路如图2-8所示。图2-8 8线-3线编码器 逻辑表达
10、式：765427632175310AAAAYAAAAYAAAAY20v 真值表：21v【优先编码器】所谓优先编码器，就是当两个或多个输入信号同时请求编码时，其输出总是与优先权最高的那个输入信号相对应，而与其他输入信号状态无关的编码器。74LS148外形、引脚排列如图2-9所示。a）外形 b）引脚排列图2-9 74LS148外形、引脚排列22v 74LS148芯片各引脚的功能为：v 1）：编码输入端，低电平有效；v 2）、：编码输出端，反码输出；v 3）：输入使能端，低电平有效。v 4）YS：级联输出使能端，通常连接低位编码器的端；v 5）：优先输出(扩展)端，在多片编码时作为所编码输出的扩展位
11、；v 6）VCC：电源端；v 7）GND：接地端。v【编码器应用】详见教材。0A7A0Y1Y2YSTEXY23v 真值表：24课堂实验：课堂实验：74LS148的逻辑功能研究的逻辑功能研究v【实验材料】集成优先编码器74LS148、数字电路实验箱及相关附件。v【实验原理】实验原理图如图2-12所示。其中 、端接逻辑开关，、YS、端接至逻辑电平显示输入插口。图2-12 74LS148逻辑功能实验电路7A0A2Y0Y25v【实验内容】按图2-12所示连接实验电路。然后按表2-6的要求改变 、端状态，观察 、YS、端状态变化，并在表2-6相应栏目中记录。7A0AST2Y0YEXY26v【实验结论】集
12、成优先编码器74LS148当=0时，可按照优先级对输入信号 进行编码；当 =1时，74LS148工作于禁止编码状态。此外，级联输出使能端YS和优先输出(扩展)端 的输出值描述了74LS148的工作状态。STEXY272.2.2 译码器译码器v 译码器是将具有特定含义的二进制代码“翻译”成相应输出信号的逻辑器件。v【二进制译码器】二进制译码器又称变量译码器，是将二进制代码的各种状态，按其原意“翻译”成对应的输出信号的电路。2线-4线译码器的基本电路如图2-13所示。图2-13 2线-4线译码器28v 逻辑表达式：v 真值表：STAAY010STAAY011STAAY012STAAY01329v
13、74LS138型3线-8线译码器外形和引脚排列如图2-14所示。a）外形 b）引脚排列图2-14 74LS138外形、引脚排列30v 74LS138芯片各引脚的功能为：v 1）A2A0：二进制代码输入端；v 2）：译码输出端；v 3）VCC：电源端；v 4）GND：接地端；v 5）、：选通控制端口。v 由2-8所示真值表可知，74LS138译码器的译码输出为低电平有效，且只有当=100时，译码器才能实现3线8线译码逻辑功能。否则译码器处于禁止译码状态，输出均为高电平。07 YY1S2S3S31v 表表2-8 74LS138型型3线线-8线译码器真值表线译码器真值表32v【显示译码器】在数字电路
14、中，经常要把二进制代码翻译成十进制数码、文字、符号等信息，并以译码输出信号驱动数码显示器件进行显示，以便人们读取测量、运算或控制的结果。能完成这种逻辑功能的电路统称为显示译码器，包括译码和显示驱动两方面逻辑功能。v （1）数码显示器件v 数码显示器件是用来显示数字、文字、符号等信息的器件。目前，常用的数码显示器件有LED数码显示器和液晶显示器两类，它们显示的字形为由显示器件各发光段组合成的数字09，我国的字形管标准为七段字形，如图2-15所示。33a）分段示意图 b）发光显示图图2-15七段显示器字形 当给某些发光段加上一定的电压或驱动电流时，它就会发光，从而显示出相应的字形。由于各种数码显示
15、器的驱动要求不同，驱动各种数码显示管的译码器也不同，本节以LED数码显示器为例进行介绍，液晶显示器的相关知识详见本节知识链接。34v 数码管常见外形和图形符号如图2-16所示。a）常见外形 b）图形符号图2-16 LED数码显示器v LED数码显示器各引脚的功能为：v 1）a、b、c、d、e、f、g：字形七段输入端；v 2）VCC：电源端；3）GND：接地端；v 4）dp：小数点输入端。35v 数码管连接法：共阴极和共阳极接法，如图2-17所示。a)共阳极接法 b)共阴极接法图2-17 LED数码显示器等效电路36v LED数码显示器的优点是工作电压较低、体积小、寿命长、工作可靠性高、响应时间
16、短、亮度高。它的主要缺点是工作电流大。v LED数码显示器的典型应用如图2-18所示。a）仪表显示 b）数码信息历 c）LED数码管图2-18 LED数码显示器的应用37v（2）显示译码器v 把输入BCD代码转换成十进制数码各段驱动信号的电路称为显示译码器。74LS247外形、引脚排列如图2-20所示。a）外形 b）引脚排列图2-20 74LS247外形、引脚排列38v 74LS247芯片各引脚的功能为：v 1）A3、A2、A1、A0：BCD代码输入端；v 2）：七位二进制代码输出端；v 3）VCC：电源端；v 4）GND：接地端；v 5）、：附加控制端。ga LTRBIRBOBI/39v 真
17、值表：40v 利用74LS247可以直接驱动共阳极接法的LED数码显示器。当输出管导通，输出为低电平时，电流流过字段发光二极管，数码管发光。图2-21给出了利用74LS247驱动BS204数码管的连接方法。图2-21 利用74LS247驱动BS204的连接方法41课堂实验：课堂实验：74LS247的逻辑功能研究的逻辑功能研究v【实验材料】集成显示译码器74LS247、数字电路实验箱及相关附件。v【实验原理】实验原理图参照图2-21自行设计。其中BCD代码输入端A3、A2、A1、A0和附加控制端、分别接逻辑开关，74LS247七位二进制代码输出端经510限流电阻分别接数码显示器字形七段输入端ag
18、。v【实验内容】参照图2-21连接实验电路。然后按表2-10的项目要求改变A3A0和、端状态，观察BS204显示状态变化，并在表2-10相应栏目中记录。v【实验结论】集成显示译码器74LS247可直接驱动共阳极接法的LED数码显示器，且其工作状态由附加控制端、进行控制。42v 表表2-10 74LS247逻辑功能测试表逻辑功能测试表43技能训练技能训练 制作三人表决控制器制作三人表决控制器v【训练目标】v 1认识组合逻辑器件，并能正确选择和使用；v 2掌握用万用表测试、判断组合逻辑器件好坏的基本方法；v 3熟悉三人表决控制器工作原理；v 4会组装、调试三人表决控制器。v【训练材料】v【相关原理
19、介绍】v 图2-23所示为三人表决控制器原理图。该电路使用了数字集成电路CD4012、ULN2003AN、发光二极管等常用电子元器件，其工作过程如下：44v 表表2-11 材料清单表材料清单表 45图2-23 三人表决控制器46v 当有两个或两个以上的按扭按下时，A、B、C三点至少有两个是高电位，也就是至少有一个两输入端的与非门IC1为低电位输出，此时三输入端的与非门IC2输出为高电位，经过OC门ULN2003AN（集电极开路与非门，采用集电极开路输出，输出电流大，故可以直接驱动继电器或固体继电器等外接控制器件）整形后输出低电位，致使发光二极管LED正向导通而发光。v 当无按扭或只有一个按扭按
20、下时，则两输入端的与非门IC1均为高电位输出，三输入的与非门IC2输出低电位，经OC门ULN2003AN整形后输出高电位，致使发光二极管截止而不发光。47v【实训方法与步骤】v 1查阅集成电路手册，熟悉数字集成电路CD4012和ULN2003AN引脚排列及各引脚功能，按图2-21原理图，在印刷电路板（万能板）上自己设计电路装配图。v 2用万用表检测元器件质量好坏，并进行整形和搪锡处理；v 3按照图2-23所示三人表决控制器原理图，在印刷电路板（或万能板）上正确连接电路。v 4调试与检测电路v（1）电路安装完毕后，对照原理图和装配图，仔细检查电路是否安装正确以及导线、焊点是否符合要求，检查发光二
21、极管的极性是否正确。48v（2）用万用表检测电源是否有问题，包括有无短路、断路现象。若发现故障，应仔细查找原因，并排除故障点。v（3）确认无误后，按集成电路标记口的方向插好集成电路，然后通电测试。v 具体测试要求为：设S1、S2、S3按下为“1”，未按下为“0”，按表2-12的要求分别设置S1、S2、S3的不同组合状态，用万用表分别测量A、B、C、Y、Y1的电位，将测量结果填入表2-12中，观察并记录发光二极管的状态。v 想一想：想一想：利用两块CD4012和一块CD4011能否设计出三人表决控制器电路？若能试画其控制原理图和装配图。49v 表表2-12 测试数据记录测试数据记录50小小 结结
22、v 1.组合逻辑电路是指电路的输出状态只取决于该时刻的输入，而与该时刻之前电路的状态无关的逻辑电路。具有输出、输入之间没有反馈网络和电路中没有记忆元件的基本特征。v 2组合逻辑电路的逻辑功能可用真值表、逻辑表达式、卡诺图和逻辑图五种方法来描述，它们在本质上是相通的，即可以相互转换。利用上述描述方法可对简单组合逻辑电路逻辑功能进行分析。v 3组合逻辑电路设计是组合逻辑电路分析的逆过程。在许多情况下，利用组合逻辑器件设计数字电路系统已成为设计者的优选方案。v 4编码器是指能够完成编程逻辑功能的逻辑器件，常见的编码器有二进制编码器和优先编码器。其中74LS148芯片属于8线-3线优先编码器，利用芯片的辅助控制端可对其逻辑功能进行扩展。v 5译码器是将具有特定含义的二进制代码“翻译”成相应输出信号的逻辑器件。常见的译码器有二进制译码器和显示译码器。其中74LS138芯片属于3线-8线译码器，74LS247型显示译码器可直接驱动共阳极数码管。v 6其它常用组合逻辑器件有加法器、数值比较器和数据选择器等。利用上述器件的辅助控制端，也可对其逻辑功能进行扩展。51设计制作：李响初设计制作：李响初工作单位：湖南有色金属职业技术学院工作单位：湖南有色金属职业技术学院E-mail:E-mail:HNYSJXJWKHNYSJXJWK愿与您共同交流提高！愿与您共同交流提高！
