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1、第20章 门电路和组合逻辑电路,20.1 脉冲信号,20.2 基本门电路及其组合,20.5 逻辑代数,20.4 CMOS门电路,20.3 TTL门电路,20.6 组合逻辑电路的分析与综合,20.7 加法器,20.8 编码器,20.9 译码器和数字显示,20.10 数据分配器和数据选择器,20.11 应用举例,1. 掌握基本门电路的逻辑功能、逻辑符号、真值表和逻辑表达式。了解 TTL门电路、CMOS门电路的特点;,3. 会分析和设计简单的组合逻辑电路;,理解加法器、编码器、译码器等常用组合逻辑 电路的工作原理和功能;,5. 学会数字集成电路的使用方法。,本章要求：,2. 会用逻辑代数的基本运算法
2、则化简逻辑函数;,第20章 门电路和组合逻辑电路,模拟信号：随时间连续变化的信号,20.1 脉冲信号,1. 模拟信号,2. 脉冲信号 是一种跃变信号，并且持续时间短暂。,如：,脉冲幅度 A,脉冲上升沿 tr,脉冲周期 T,脉冲下降沿 tf,脉冲宽度 tp,脉冲信号的部分参数：,实际的矩形波,20.2 基本门电路及其组合,逻辑门电路是数字电路中最基本的逻辑元件。 所谓门就是一种开关，它能按照一定的条件去控制信号的通过或不通过。 门电路的输入和输出之间存在一定的逻辑关系(因果关系)，所以门电路又称为逻辑门电路。,20.2.1 逻辑门电路的基本概念,基本逻辑关系为“与”、“或”、“非”三种。,下面通
3、过例子说明逻辑电路的概念及“与”、“或”、“非”的意义。,设：开关断开、灯不亮用逻辑 “0”表示，开关闭合、灯亮用 逻辑“1”表示。,逻辑表达式： Y = A B,1. “与”逻辑关系,“与”逻辑关系是指当决定某事件的条件全部具备时，该事件才发生。,0,1,0,B,Y,A,状态表,2. “或”逻辑关系,“或”逻辑关系是指当决定某事件的条件之一具备时，该事件就发生。,逻辑表达式： Y = A + B,状态表,1,1,1,0,3. “非”逻辑关系,“非”逻辑关系是否定或相反的意思。,Y,220V,A,+,-,R,由电子电路实现逻辑运算时，它的输入和输出信号都是用电位（或称电平）的高低表示的。高电平
4、和低电平都不是一个固定的数值，而是有一定的变化范围。,门电路是用以实现逻辑关系的电子电路，与前面所讲过的基本逻辑关系相对应。,门电路主要有：与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门等。,20.2.2 分立元件基本逻辑门电路,20.2 基本门电路及其组合,电平的高低一般用“1”和“0”两种状态区别，若规定高电平为“1”，低电平为“0”则称为正逻辑。反之则称为负逻辑。若无特殊说明，均采用正逻辑。,1,0,高电平,低电平,1. 二极管“与” 门电路,(1) 电路,(2) 工作原理,输入A、B、C全为高电平“1”，输出 Y 为“1”。,输入A、B、C不全为“1”，输出 Y 为“0”。,0V,0V,3V
5、,1. 二极管“与” 门电路,即：有“0”出“0”， 全“1”出“1”,2. 二极管“或” 门电路,(1) 电路,0V,3V,3V,(2) 工作原理,输入A、B、C全为低电平“0”，输出 Y 为“0”。,输入A、B、C有一个为“1”，输出 Y 为“1”。,2. 二极管“或” 门电路,即：有“1”出“1”， 全“0”出“0”,3. 晶体管“非” 门电路,“0”,“1”,(1) 电路,“0”,“1”,1. 与非门电路,有“0”出“1”，全“1”出“0”,“非”门,20.2.3 基本逻辑门电路的组合,2. 或非门电路,20.2.3 基本逻辑门电路的组合,有“1”出“0”，全“0”出“1”,例：根据输
6、入波形画出输出波形,A,B,有“0”出“0”，全“1”出“1”,有“1”出“1”，全“0”出“0”,&,A,3. 与或非门电路,20.2.3 基本逻辑门电路的组合,逻辑表达式：,逻辑符号,20.3 TTL门电路,(三极管三极管逻辑门电路),TTL门电路是双极型集成电路，与分立元件相比，具有速度快、可靠性高和微型化等优点，目前分立元件电路已被集成电路替代。下面介绍集成 “与非”门电路的工作原理、特性和参数。,20.3.1 TTL“与非”门电路,1. 电路,多发射极三极管,(1) 输入全为高电平“1”(3.6V)时,2. 工作原理,4.3V,T2、T5饱和导通,钳位2.1V,E结反偏,截止,负载电
7、流（灌电流）,输入全高“1”,输出为低“0”,1V,2. 工作原理,1V,T2、T5截止,负载电流（拉电流）,(2) 输入端有任一低电平“0”(0.3V),输入有低“0”输出为高“1”,流过 E结的电流为正向电流,5V,“与非”逻辑关系,“与非”门,74LS00、74LS20管脚排列示意图,(1) 电压传输特性：,输出电压 UO与输入电压 Ui的关系。,3. TTL“与非”门特性及参数,电压传输特性,测试电路,C,D,E,(2)TTL“与非”门的参数,电压传输特性,典型值3.6V， 2.4V为合格,典型值0.3V， 0.4V为合格,输出高电平电压UOH,输出低电平电压UOL,输出高电平电压UO
8、H和输出低电平电压UOL,UO/V,Ui /V,A,B,D,E,低电平噪声容限电压UNL保证输出高电平电压不低于额定值90%的条件下所允许叠加在输入低电平电压上的最大噪声（或干扰）电压。 UNL=UOFF UIL,允许叠加干扰,定量说明门电路抗干扰能力,UOFF,UOFF是保证输出为额定高电平的90%时所对应的最大输入低电平电压。,0.9UOH,输入 低电平 电压UIL,输入 高电平 电压UIH,高电平噪声容限电压UNH保证输出低电平电压的条件下所允许叠加在输入高 电平电压上的最大噪声（或干扰）电压。 UNH=UIHUON,允许叠加干扰,定量说明门电路抗干扰能力,UON是保证输出为额定低电平时
9、所对应的最小输入高电平电压。,UON,指一个“与非”门能带同类门的最大数目，它表示带负载的能力。对于TTL“与非”门 NO 8。,输入高电平电流 IIH和输入低电平电流 IIL,当某一输入端接高电平，其余输入端接低电 平时，流入该输入端的电流，称为高电平输入电流 IIH（A）。,当某一输入端接低电平，其余输入端接高电平时，流出该输入端的电流，称为低电平输入电流 IIL（mA）。,扇出系数NO,1,0,当某一输入端接低电平，其余输入端接高电平时，流出该输入端的电流，称为低电平输入电流 IIL （mA）。,若要保证输出为高电平，则对电阻值有限制 R IIL UNL,平均传输延迟时间 tpd,tpd
10、1,tpd2,TTL的 tpd 约在 10ns 40ns，此值愈小愈好。,输入波形ui,输出波形uO,20.3.2 三态输出“与非”门,“1”,1. 电路,截止,20.3.2 三态输出“与非”门,“0”,1. 电路,导通,当控制端为低电平“0”时，输出 Y处于开路状态，也称为高阻状态。, 0 高阻,表示任意态,20.3.2 三态输出“与非”门,功能表,可实现用一条总线分时传送几个不同的数据或控制信号。,1. 电路,20.3.3 集电极开路“与非”门电路(OC门),OC门的特点：,1.输出端可直接驱动负载,2.几个输出端可直接相联,“0”,“0”,2.几个输出端可直接相联,“1”,“线与”功能,
11、20. 4. 1 CMOS 非门电路,20.4 CMOS门电路,CMOS 管,负载管,驱动管,(互补对称管),A=“1”时，T1导通， T2截止，Y=“0”,A=“0”时，T1截止， T2导通，Y=“1”,T4 与 T3 并联， T1 与 T2 串联；,当 AB 都是高电平时, T1 与 T2 同时导通，T4 与 T3 同时截止；输出 Y 为低电平。,当AB中有一个是低电平时，T1与T2中有一个截止，T4与T3中有一个导通, 输出Y 为高电平。,20. 4. 2 CMOS与非门电路,1. 电路,2. 工作原理,当 AB 中有一个是高电平时，T1 与 T2 中有一个导通，T4 与 T3 中有一个
12、截止，输出 Y 为低电平。,当AB都是低电平时，T1 与 T2 同时截止，T4 与 T3 同时导通；输出 Y 为高电平。,20. 4. 3 CMOS或非门电路,1. 电路,2. 工作原理,20.4. 4 CMOS传输门电路,1. 电路,2. 工作原理,设：,可见ui在010V连续变化时，至少有一个管子导通，传输门打开，（相当于开关接通） ui可传输到输出端，即uO= ui，所以COMS传输门可以传输模拟信号，也称为模拟开关。,（07V）,导通,（310V）,导通,可见ui在010V连续变 化时，两管子均截止， 传输门关断，（相当于 开关断开） ui不能传输 到输出端。,（010V）,20.4.
13、 4 CMOS传输门电路,1. 电路,开关电路,20.4. 4 CMOS传输门电路,CMOS电路优点,(1) 静态功耗低（每门只有0.01mW, TTL每门10mW),(2) 抗干扰能力强,(3) 扇出系数大,(4) 允许电源电压范围宽 ( 3 18V ),(1) 速度快,(2) 抗干扰能力强,(3) 带负载能力强,20.5 逻辑代数,逻辑代数（又称布尔代数），它是分析设计逻辑电路的数学工具。虽然它和普通代数一样也用字母表示变量，但变量的取值只有“0”，“1”两种，分别称为逻辑“0”和逻辑“1”。这里“0”和“1”并不表示数量的大小，而是表示两种相互对立的逻辑状态。,逻辑代数所表示的是逻辑关系
14、，而不是数量关系。这是它与普通代数的本质区别。,1. 常量与变量的关系,20. 5. 1 逻辑代数运算法则,2. 逻辑代数的基本运算法则,自等律,0-1律,重叠律,还原律,互补律,交换律,2. 逻辑代数的基本运算法则,普通代数 不适用！,证:,结合律,分配律,A+1=1,反演律,列状态表证明：,对偶关系： 将某逻辑表达式中的与( )换成或 (+)，或(+)换成与( )，得到一个新的逻辑表达式，即为原逻辑式的对偶式。若原逻辑恒等式成立，则其对偶式也成立。,证明：,A+AB = A,20. 5. 2 逻辑函数的表示方法,下面举例说明这四种表示方法。,例：有一T形走廊，在相会处有一路灯, 在进入走廊
15、的A、B、C三地各有控制开关，都能独立进行控制。任意闭合一个开关，灯亮；任意闭合两个开关，灯灭；三个开关同时闭合，灯亮。设A、B、C代表三个开关（输入变量）；Y代表灯（输出变量）。,1. 列逻辑状态表,2. 逻辑式,取 Y=“1”( 或Y=“0” ) 列逻辑式,用“与”“或”“非”等运算来表达逻辑函数的表达式。,(1)由逻辑状态表写出逻辑式,各组合之间 是“或”关系,2. 逻辑式,反之，也可由逻辑式列出状态表。,3. 逻辑图,20. 5. 3 逻辑函数的化简,1. 用 “与非”门构成基本门电路,(2)应用“与非”门构成“或”门电路,(1) 应用“与非”门构成“与”门电路,由逻辑代数运算法则：,
16、由逻辑代数运算法则：,(3) 应用“与非”门构成“非”门电路,(4) 用“与非”门构成“或非”门,由逻辑代数运算法则：,例1：,化简,2. 应用逻辑代数运算法则化简,（1）并项法,（2）配项法,例3：,化简,（3）加项法,（4）吸收法,吸收,例5：,化简,吸收,吸收,吸收,吸收,3. 应用卡诺图化简,卡诺图:是与变量的最小项对应的按一定规则排列的方格图，每一小方格填入一个最小项。,（1）最小项： 对于n输入变量有2n种组合, 其相应的乘积项也有2n个，则每一个乘积项就称为一个最小项。其特点是每个输入变量均在其中以原变量和反变量形式出现一次，且仅一次。,如：三个变量，有8种组合，最小项就是8个，卡诺图也相应有8个小方格。,在卡诺图的行和列分别标出变量及其状态。,(2) 卡诺图,二进制数对 应的十进制 数编号,( 2)卡诺图,（a)根据状态表画出卡诺图,如:,将输出
