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1、第3章 组合逻辑电路,内容提要： 本章系统地讲述了组合逻辑电路的工作原理、分析和设计方法。首先简要介绍了组合逻辑电路分析和设计的方法步骤；然后详细介绍了一些常用的中规模集成电路和相应的功能电路，如加法器、编码器、译码器和数据选择器等；在此基础上，简单介绍了竞争冒险现象及消除的方法；最后对几个典型组合逻辑电路的应用进行了具体说明。,3.1 概述,1.组合逻辑电路的特点 数字电路按其逻辑功能可分为组合逻辑电路和时序电路两类。在任一时刻，如果逻辑电路的输出只取决于电路当前输入，而与电路以前的状态无关，则称该电路为组合逻辑电路。在比较复杂的数字系统中，通常既包括组合逻辑电路，又包括时序逻辑电路。,最简
2、单的组合逻辑电路就是第2章所介绍的各种门电路，门电路是组合电路的基本单元。组合逻辑电路的结构示意图如图3.1.1所示。,图3.1.1 组合逻辑电路的结构示意图,2.组合逻辑电路功能的表示方法 从功能特点来看，在本书第1章介绍的逻辑函数都是组合逻辑函数，因此用来表示逻辑函数的几种方法，如真值表、卡诺图、逻辑表达式等，也能够可以用来表示组合逻辑电路的逻辑功能。,3.2 组合逻辑电路的分析与设计方法,3.2.1组合逻辑电路的基本分析方法 1.分析的目的 根据给定的逻辑电路图，经过分析确定电路能完成的逻辑功能。 2.分析的方法 （1）由逻辑图写出各输出端的逻辑表达式； （2）化简和变换各逻辑表达式，求
3、出最简函数式； （3）列出真值表； （4）逻辑功能分析。,【例3.2.1】分析图3.2.1所示电路的逻辑功能,图3.2.1 例题3.2.1图,解：（1）写出该电路输出函数的逻辑表达式。,（2）列出函数的真值表，如表3.2.1所示。 （3）逻辑功能分析。由真值表可知，当输入变量A、B、C同时为1或0时，输出变量Y为0，由此可确定该电路是判断三个变量是否一致的电路。,表3.2.1 例题3.2.1真值表,1.分析题意写真值表 2.根据真值表写出逻辑表达式 3.用卡诺图或公式法化简，求出最简逻辑表达式 4.根据简化后的逻辑表达式，画出逻辑电路图,3.2.2组合逻辑电路的基本设计方法,3.3.1加法器
4、1.半加器,3.3加法器和数值比较器,图3.3.1 半加器逻辑电路和逻辑符号,用异或门等门电路组成的全加器的逻辑图如图3.3.2（a）所示，图3.3.2（b）是全加器的逻辑符号。,2.全加器,图3.3.2 全加器逻辑电路和逻辑符号,3.加法器 实现多位二进制数相加的电路称为加法器。 （1）四位串行进位加法器,图3.3.3 四位串行进位加法器,图3.3.4 四位二进制超前进位加法器逻辑结构示意图,4.加法器的应用,（1）将8421BCD码转换成余3码,图3.3.5 BCD码转换为余3码,4.加法器的应用,（2）组成二进制并行加法/减法器,图3.3.6 四位二进制并行加法/减法器,4.加法器的应用
5、,（3）组成二十进制加法器,图3.3.7 1位二十进制数加法器,74LS85是四位数值比较器，用几片芯片也可扩展为4n 位数值比较器，它的真值表如下,3.3.2数值比较器,74LS85功能简图如图3.3.8所示。,3.3.2数值比较器,图3.3.8 74LS85功能简图,3.4.1编码器 1.编码器 将含有特定意义的数字或符号信息，转换成相应的若干位二进制代码的过程称为编码，具有编码功能的组合逻辑电路称为编码器。在数字电路中，一般用的是二进制编码。若编码器的输出端是n位二进制代码，则最多可以表示2n个输入信号。,3.4编码器和译码器,图3.4.1 8421BCD码编码器逻辑图,2.优先编码器
6、所谓优先编码器是对所有输入端预先设置了优先级别，当输入端同时有两个或两个以上信号输入时，编码器按优先级别高的进行编码，而对于优先级别低的输入信号则不予理睬，从而保证了编码器工作的可靠性。,图3.4.2 例3.4.2的优先编码逻辑图,3.集成编码器 集成编码器有很多种，还可以用多个编码器加上少量的门电路进行编码的扩展。如8-3线集成优先编码器常见型号为74LS148。,图3.4.3 74LS148逻辑功能示意图,图3.4.4 16-4线优先编码器,1.二进制译码器 二进制译码器是将输入的二进制代码的各种状态按特定含义翻译成对应输出信号的电路，也称为变量译码器。若输入端有n位，则代码组合就有2n个
7、，能译出2n个输出信号。 （1）3位二进制译码器,3.4.2译码器,图3.4.5 3位二进制译码器,（2）集成3线-8线译码器 常用的二进制译码器有2线-4线译码器、3线-8线译码器（74LS138）、4线-16线译码器等。,图3.4.7 74LS138逻辑功能示意图和引脚图,2.二-十进制译码器（4线-10线译码器） 二-十进制译码器（4线-10线译码器）是完成同一数据的不同代码之间相互交换的电路，所以也称为码制变换译码器。,图3.4.10 4线10线译码器74LS42,3.显示译码器 （1）半导体显示器（LED） 发光二极管是由特殊的半导体材料制作而成的，例如由砷化镓构成PN结，当PN结正
8、向导通时，可将电能转换成光能，从而辐射发光。辐射波长决定了发光颜色，如红、绿、黄等。,图3.4.11 LED数码管引线图和显示数字情况,LED数码管的内部结构原理有两种，分别称为共阳数码管和共阴数码管。图3.4.12（a）为共阳极接法，即LED显示段ag接低电平时发光；图3.4.12（b）为共阴极接法，即ag接高电平，使显示段发光。,图3.4.12 LED数码管内部电路原理,（2）显示译码器 半导体发光二极管的常用驱动电路如图3.4.13所示，图3.4.13（a）是由三极管驱动，图3.4.13（b）是由TTL与非门直接驱动的。,图3.4.13 发光二极管驱动电路,3.5.1数据选择器 数据选择
9、器又称多路选择器或多路开关，它逻辑功能是根据地址控制信号的要求，从多路输入信号中选择其中一路输出的逻辑电路，其功能如图3.5.1所示的单刀多掷开关。按照输入端数据的不同，有4选1、8选1、16选1等形式。,3.5数据选择器和分配器,图3.5.1数据选择器示意图,1. 4选1数据选择器 4选1数据选择器有4个输入数据端，一般用D0、D1、D2、D3表示，两个选择控制信号端，一般用A0、A1表示，一个信号输出端，用Y表示。,图3.5.2 4选1数据选择器,2.集成数据选择器 数据选择器的规格和品种较多，重要的是能看懂真值表，理解其逻辑功能。,图3.5.3双4选1数据选择器74LS153,图3.5.
10、4 74LS151的引脚排列图,3.5.2数据分配器,数据分配器是数据选择器的逆过程，数据分配器又称多路分配器，是将一路输入变为多路输出的电路，具体将哪一路输入送入输出，也是由一组选择控制信号决定的。数据分配器的功能示意图如图3.5.6所示。,图3.5.7数据分配器示意图,1. 1路-4路数据分配器 1路-4路数据分配器有1路输入数据，两个输入控制信号，4个信号输出端。,图3.5.8 1路-4路数据分配器,2.集成数据分配器,图3.5.9 多路数据选择器和多路数据分配器配合用于数据传输示意图,3.6.1竞争冒险现象及原因 在组合逻辑电路中， 若某个变量通过两条以上途径到达输出端， 由于各条途径
11、的传输延迟时间不同， 故同一个变量沿不同途径到达输出端的时间就有先有后， 这一现象称为竞争，经多途径向输出端传递的变量称为有竞争能力的变量。 组合逻辑电路中某一具有竞争能力的变量变化时，如果输出端的状态在短暂时间里偏离应有状态进入另一状态，后又退回应有状态， 这种现象叫做冒险。,3.6组合逻辑电路中的竞争冒险,图3.6.1 与门电路的竞争与冒险 图3.6.2或门电路的竞争与冒险,3.6.2冒险现象的判断,判断电路是否发生冒险的办法较多， 常用的方法有代数法和卡诺图法。 1.代数法 代数法是通过电路的逻辑表达式来检查电路是否存在冒险现象的方法。 2. 卡诺图法 用代数法将输出表达式化为或的形式时，就可以判断会有冒险现象发生。,3.6.3消除竞争冒险的方法,1.修改逻辑设计，增加多余项 2.引入选通脉冲 3.输出端加接滤波电容,图3.6.4 选通脉冲的作用,图3.6.5 并联电容电路图,
