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1、数字电子技术 A 40小时讲课 8小时实验 数字电子技术 A课程设计 时间: 一周,第4章 组合逻辑电路 逻辑电路分为组合逻辑电路与时序逻辑电路两类，本章介绍组合逻辑电路，内容包括组合电路分析、各种集成组合电路部件和组合电路设计。,4.1 组合逻辑电路的一般问题 组合逻辑电路就是一些逻辑门电路的组合，目的是根据输入信号产生需要的输出信号，其特点是其任意时刻的输出仅是该时刻输入信号的逻辑函数，或者说组合逻辑电路的输出信号是与时间无关的输入信号组合。,组合电路框图如图4-1所示，组合电路的一般形式具有多个输入与输出。 图中a1，a2，an表示输入变量，y1，y2，ym表示输出变量，输出与输入间的逻
2、辑关系可以用一组逻辑函数表示：,Y=F（A）,可以使用真值表、卡诺图、逻辑图或是逻辑函数式来描述组合电路。,4.2 组合电路分析 组合电路分析就是看懂组合电路，需要分析的内容包括： 研究组合电路的逻辑功能； 研究组合电路输入输出波形之间的关系，以及组合电路的电特性。 4.2.1 组合电路的逻辑功能分析,【例4-1】 试分析图4-2所示组合电路的逻辑功能。 解：由图，得到逻辑函数式如下：,由真值表可知，该电路是数值检测电路，如果数值小于3，该电路输出1，否则输出0。,【例4-2】 试分析图4-3所示组合电路的逻辑功能。 解：首先按照从输入开始逐级写出各级逻辑函数式的分析方法，最后写出输出Y的逻辑
3、函数式：,这是一个素数判别电路，当素数出现在电路输入端时，该电路输出Y=1。,【例4-3】 对于图4-4（a）所示电路图与图4-4（b）所示的输入波形，试画出该电路的输出波形。,解：首先由电路图得到输出Y的函数式为：,在输入A、B、C的波形上标记电平值，然后由真值表则有图4-3（c）所示的输出Y的波形。,4.2.2 组合电路的波形分析,4.2.3 组合电路的延迟时间分析 组合电路中输入变量变化与其引起输出变量变化之间的时间差称为传输延迟，传输延迟与电路复杂性、门电路的驱动能力、温度、芯片电压有关。 tPLH是门电路低电平到高电平的传输延迟时间， tPHL是高电平到低电平的传输延迟时间 平均传输
4、延迟时间tPD：,对于图4-5（a）所示的与门: 不考虑门电路的延迟，则输出波形如图4-5（b）所示； 若采用平均传输延迟时间tPD则有图4-5（c）所示的传输延迟时间； 图4-5（d）显示的是分别采用tPLH和tPHL参数的传输延迟时间。,表4-3所示的是不同系列与非门的延迟时间与功耗表。,表4-4显示的是74LS系列部分门电路的传输延迟时间。,【例4-4】 试推导图4-6所示组合电路的传输延迟时间。图中非门为74LS04，与非门为74LS00。,组合电路的最大延迟时间就是级数最多路径上各级门最大延迟时间之和。 。第1级为非门74LS04，最大延迟时间tPD=15 ns；第2、3级为与非门7
5、4LS00，最大延迟时间tPD=15 ns，因此该门电路的最大延迟时间为45 ns。,4.2.4 组合电路的电特性分析 （1）各个门之间的噪声容限 噪声容限与芯片系列有关，不同系列的芯片噪声容限不同。为方便使用，常用系列在5 V电源电压下的噪声容限表与最大输入输出电流总结如表4-6所示。,（2）电源电流与功耗 不同系列、不同门电路的电源电流都是不同的，几种74LS系列门电路的最大电源电流如表4-7所示。,TTL门门的功耗为最大平均电源电流乘以门的电源电压： PDmax=ICCmax VCC CMOS器件，静态电流很小，都在微安级 主要功耗为动态功耗，动态功耗由内部功耗PT与负载功耗PL两部分组
6、成。,【例4-5】 图4-8所示的是单片机引脚经过74LS04与74LS10门电路组成的2线-4线译码器驱动发光二极管的电路。,由单片机数据手册可知VIHmin=0.6VCC，VILmax=0.2VCC，VOLmax=0.7 V（IOL=20 mA），VOHmin=4.2 V（IOH=20 mA）。发光二极管管压降VD=1.6 V，工作电流ID=5 mA。图中VCC=+5 V。试分析各个芯片的噪声容限、驱动能力。, 单片机驱动74LS04芯片，噪声容限与驱动能力如下。 高电平噪声容限：VNH=4.2-2=2.2 V 74LS04输入引脚的高电平输入电流IIH=20 uA，单片机的驱动能力为20
7、 mA，因此高电平驱动能力足够。 低电平噪声容限：VNL=0.8-0.7=0.1 V 74LS04输入引脚的低电平输入电流IIL=400 uA，单片机的低电平驱动能力为20 mA，因此低电平驱动能力足够。,由单片机数据手册可知VIHmin=0.6VCC，VILmax=0.2VCC，VOLmax=0.7 V（IOL=20 mA），VOHmin=4.2 V（IOH=20 mA）。发光二极管管压降VD=1.6 V，工作电流ID=5 mA。图中VCC=+5 V。试分析各个芯片的噪声容限、驱动能力。, 74LS04与74LS10都属于74LS系列芯片，因此噪声容限能够满足要求。 图中74LS04各输出引
8、脚驱动的输入端数最大为4个，远小于74LS系列芯片的20个扇出能力。, 74LS10输出驱动发光二极管 题目要求发光二极管电流ID=5 mA，二极管限流电阻R由下式计算： R=（VCC-VD-VOL）/ID=（5 V-1.6 V-0.5 V）/5 mA=580 可以实际取值560 。,【例4-6】 试分析图4-8所示电路的最大电源电流与静态功耗。 74LS04的每个芯片的平均电源电流为ICCmax=4.5 mA，74LS10的为ICCmax=2.25 mA。 所以该组合电路中的门电路部分的最大电源电流Ig为 Ig=1（4.5 mA）+2（2.25 mA）=4.5 mA +4.5 mA =9 m
9、A 发光二极管部分的最大电流Id为4（5 mA）=20 mA。 最大电源电流为Imax= Ig+Id=9 mA+20 mA=29 mA 该电路的最大静态功耗为PDmax=ImaxVCC=29 mA5 V=145 mW,4.3 组合电路部件 4.3.1 编码器 不同事物用不同的二进制码表示称为编码。对每一个输入信号都有一个相对应二进制数码输出的器件称为编码器（Encoder），若编码器有2n个输入，则应该有n个输出。,1十进制数-BCD编码器 十进制数-BCD编码器又称为10线-4线编码器，其编码表如表4-8所示。 由真值表，逻辑函数式为： A3=8+9 A2=4+5+6+7 A1=2+3+6+
10、7 A0=1+3+5+7+9,当输入的十进制数中如果只有一个数字具有高电平时，则输出对应数字的BCD编码。,2十进制数-BCD优先编码器74LS147 十进制数-BCD优先编码器74LS147除具有上述编码器相同的功能外，还具有优先编码功能，就是在同时输入多个数字时，只对最大数字进行编码。,由真值表可以看出，74LS147的输出是低电平有效的BCD码,图4-12所示电路是74LS147的典型应用电路， 该电路可以将09十个按键信号转换成低电平有效的BCD编码输出， 可以输出任何按键按下的信号Y。,当按键按下时，信号Y=1，否则信号Y=0。虽然按键0的信号未进入74LS147，但是当按键0按下时
11、，按键按下信号Y=1，同时编码输出1111，这就相当于0的编码是1111。,38线-3线优先编码器74LS148 8线-3线优先编码器74LS148的符号如图4-13所示。真值表如表4-10所示。该编码器的输入与输出都是低电平有效。, 输入信号低电平有效，当多个输入有效时，对最大输入数字进行优先编码。 输出信号为低电平有效的3位二进制编码。 输入端EI是片选端，当EI=0时，编码器输出编码，否则编码器输出全为高电平。 输出信号GS=0表示编码器工作正常，而且有编码输出，这表明编码器正在输出编码信号。 输出信号EO=0表示编码器正常工作但是没有编码输出，EO=1表示有编码输出，常用于编码器级联。
12、,74LS148具有级联功能，可以用两片74LS148组成16线-4线编码电路。图4-14就是16线-4线编码电路的连线图。,图中 高8位编码器74LS148（2）的输出信号EO与低8位编码器74LS148（1）的输入信号EI相连，表示只有高8位没有编码输出时，低8位才能输出编码； 由于两个编码器在编码时输出的编码是相同的，所以两个编码器的各对应位输出经与非门相或后输出，形成该电路编码输出的低3位； 而输出编码的最高位取自高8位编码器74LS148（2）输出信号GS的非，因为高8位编码器编码输出时GS=0，使Y3=1，而低8位编码器74LS148（1）编码时，74LS148（2）的GS=1，使
13、Y3=0。 148（1)输出00000111，148（2）输出10001111,这里与门作为或门使用,4.3.2 译码器 1译码器原理 将输入二进制代码转换成与代码对应的高、低电平或是另外一种代码的电路称为译码器（Decoder），译码器与编码器的功能相反。译码器是多输入多输出信号的逻辑电路，一个n-2n译码器，具有n个输入和2n个输出信号，对于每一个可能的输入，只有一个输出为1，或者说，每一个输出对应着一个输入信号的最小项。,图4-16 2线-4线译码器的逻辑电路,23线-8线译码器74LS138 74LS138是3线-8线译码器，它的逻辑符号见图4-17。功能表如表4-11所示。,74LS
14、138构成的数据分配器电路如图4-18（b）所示。 图中G1作为数据输入端（同时使 ），把输入C、B、A作为选择端，则可以把G1端输入的信号I送到一个由选择端指定的输出端。,【例4-7】 用两个3线-8线译码器组成4线-16线译码器，要求把输入信号A3、A2、A1、A0译成16个低电平信号D0D15，并使该译码器具有片选使能信号EN。,图4-19 用74LS138实现4线-16线译码器,输入范围为00000111时U1译码输出 输入范围为10000111时U2译码输出,37段数码显示译码器 （1）采用发光二极管的7段数码管 7段数码管由发光二极管组成，发光二极管的管压降在1.61.8 V之间，
15、最大电流不超过30 mA，响应时间约为0.1 us，在室内光线情况下，10 mA电流就可以获得足够的亮度。 数码管又根据发光二极管的连接方式分为共阳数码管和共阴数码管。图4-20（a）、（b）和（c）分别是共阳与共阴数码管外形、内部连线与显示字形图，,（2）用于共阳数码管的译码电路7446/LS47 采用集电极开路输出，具有试灯输入、前/后灭灯控制和有效低电平输出，最大输出驱动电压为：7446为30 V，LS47、LS247为15 V，吸收电流7446为40 mA，LS47为24 mA。 该译码电路对应BCD输入，输出数字09，而对于大于数值9的输入，输出该译码器功能表确定的图形。 共阳数码管
16、的译码电路7446/LS47的符号与译码输出显示字形如图4-21所示，功能表如表4-12所示。,共阳数码管的译码电路7446/ LS47的功能表,该译码器有4个控制信号：灯测试端，动态灭灯输入，灭灯输入/动态灭灯输出，它们功能如下。 所有各段都灭功能：当 作为输入端使用时，若 =0，则不管其他输入信号，输出各段都灭。 各段都灭检测功能：当 作为输出端使用时，若 输出0，表示各段已经熄灭。 所有各段都亮功能：当 =1或开路而 =0时，所有各段都亮，该功能用于测试各段的工作情况。 灭0功能：当 =0，同时A、B、C、D信号为0，而 =1时，所有各段都灭，同时输出0，该功能是灭0。 显示功能：若使 =1或开路， =1或开路， =1时，按照功能表显示输入数字为015对应的图形，并且不灭0。,744
