2010-§4组合逻辑电路.ppt
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1、1,4 组合逻辑电路,4.4 若干典型的组合逻辑集成电路 4.4.1 编码器 4.4.2 译码器/数据分配器 4.4.3 数据选择器 4.4.4 数值比较器 4.4.5 算术运算电路,4.1 组合逻辑电路的分析,4.2 组合逻辑电路的设计,4.3 组合逻辑电路中的竞争与冒险,4.5 组合可编程逻辑器件,教学内容,练习题,2,教学基本要求,1.熟练掌握组合逻辑电路的分析方法和设计方法. 2.掌握编码器、译码器、数据选择器、数值比较器和加法器的逻辑功能及其应用. 3.学会阅读MSI器件的功能表,并能根据设计要求完成电路的正确连接。 4.掌握可编程逻辑器件的表示方法,会用PLD实现组合逻辑电路,4
2、组合逻辑电路,3,组合逻辑电路的定义和特点,2.电路结构特点: 输入与输出之间没有反馈延迟通路; 电路中不含记忆单元。,1. 定义:在任何时刻,输出状态只决定于该时刻各输入状态的组合,而于与原来状态无关的逻辑电路,称为组合逻辑电路。,Li=f(A1,A2,An) (i=1,2,m)式中A1,A2,An为输入变量。,4 组合逻辑电路,4,4.1 组合逻辑电路的分析,1.分析的目的,2.分析的步骤,*,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。 有时分析的目的在于检验新设计的逻辑电路是否实现了预定的逻辑功能。,(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;
3、(3)列出真值表; (4)根据真值表和逻辑表达式对逻辑电路 进行分析. (5)最后确定其功能。,5,4.1 组合逻辑电路的分析,【例1】,分析图中所示电路的逻辑功能.,第二步:列真值表,第三步:确定逻辑功能,判断三个输入信号是否相同的电路。,第一步: 根据逻辑图写出输出函数的逻辑表达式为:,【解】:,3.例题分析,6,第1步:由逻辑图写出逻辑表达式;,第3步:列写真值表,如表4.1.2所示;,第4步:确定逻辑功能。,分析如图所示组合逻辑的电路的逻辑功能。,【例2】: P129 4.1.2,【解】:,分析真值表可知:,第2步:并进行化简和变换;,4.1 组合逻辑电路的分析,该电路是对输入的二进制
4、码求反码。最高位A为符号位,B、C为数值。 A=0时为正数,正数的反码与原码相同; A=1时为负数,负数的反码与原码相反;,7,4.2 组合逻辑电路的设计,2. 组合逻辑电路的设计步骤:,根据实际逻辑问题,求出所要求逻辑功能的最简逻辑电路。,最简逻辑电路:所用器件数最少;器件种类最少;器件之间的连线也最少。,1. 组合逻辑电路的设计思路,(1) 逻辑抽象:根据实际逻辑问题的因果关系确定输入、输出变量,并定义逻辑状态的含义;,(2) 根据逻辑描述列出真值表;,(3) 由真值表写出逻辑表达式;,(5) 画出逻辑图。, 采用SSI-与或式:乘积项少;乘积项所含变量数少;,(4) 根据器件的类型,简化
5、和变换逻辑表达式;, 采用MSI-所用芯片数最少;, 采用PLD;,8,4.2 组合逻辑电路的设计,3.例题分析(1) P130 4.2.1,【解】:(1)明确实际问题的逻辑功能,列真值表;,设:特快、直快、慢车为输入变量为,用Io、I1、I2 表示; 指示灯一、二、三号为输出变量,用Lo、L1、L2表示; 采用正逻辑。,某火车站有特快、直快和慢车三种类型的客运列车进出,试用两输入与非门和反相器设计一个指示列车等待进站的逻辑电路。3个指示灯一、二、三号分别对应特快、直快和慢车。列车的优先级别依次为特快、直快和慢车,要求当特快列车请求进站时,无论其他两种列车是否请求进站,一号灯亮。当特快没有请求
6、,直快请求进站时,无论慢车是否请求,二号灯亮。当特快和直快均没有请求而慢车有请求时,三号灯亮。,初态:当Io、I1、I2、均为0,则Lo、L1、L2也均为0。,当输入 Io为1时,无论 I1、I2和为1还是为0(X);输出Lo为1,L1和L2为0;,当Io为0,I1为1,无论I2为1还是为0(X) ;输出L1为1,其余两个输出为0;,当I0和I1均为0,I2为1时, L0、L1两个出为0,L2输出为1。,1,X,X,1,0,0,0,1,X,0,1,0,0,0,1,0,0,1,0,0,0,0,0,0,9,4.2 组合逻辑电路的设计,10,3.例题分析(2) P132 4.2.2,4.2 组合逻辑
7、电路的设计,试设计一个码转换电路。将4位格雷码转换为 二进制码。,(2)画出各输出函数的卡诺图。,【解】:,( 1 ) 明确逻辑功能,列出真值表。,11,4.2 组合逻辑电路的设计,12,3.例题分析(3),4.2 组合逻辑电路的设计,设计一个监视交通信灯工作状态的逻辑电路。每一组信号灯由红、黄、绿三盏灯组成,如图所示。正常工作情况下,任何时刻必有一盏灯点亮,而且只允许有一盏灯点亮。而当出现其他五种点亮状态时,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首先进行逻辑抽象。 取红、黄、绿三盏灯的状态为输入变量,分别用R、A、G表示,并规定灯亮时为1,不亮时为0。 取故障
8、信号为输出变量,以Z表示之,并规定正常工作状态下Z为0,发生故障时Z为1。,2. 根据题意可列出表所示的逻辑真值表.,Z,1,1,1,0,1,1,1,0,1,0,0,1,1,1,0,0,1,0,1,0,0,0,0,0,G,A,R,0,1,1,0,1,0,1,1,13,4.3 组合逻辑电路中的竞争冒险,竞争:实际的组合逻辑电路中,由于器件(如门电路平均延迟时间的差异)存在延时,当信号经过不同路径到达同一器件的输入端时将会产生时间差,具有时间差的变量称为具有竞争的变量。,冒险:竞争有可能使电路的输出偏离真值表所决定的状态(因为真值表的确定没有考虑时间差)而使电路输出产生错误,这种现象称为组合逻辑电
9、路的冒险。,竞争与冒险: 将对后续电路产生不利影响, 甚至使系统产生误动作,这是绝对不允许的。,有竞争现象不一定都会产生冒险。 但信号的传输途径不同、或各信号延时时间的差异、信号变化的互补性等原因,都很容易产生冒险现象。,14,4.3 组合逻辑电路中的竞争冒险,不考虑门的延时:,考虑门的延时:,L,L,不考虑门的延时:,考虑门的延时:,15,4.3.1产生竞争冒险的原因,当电路输出端的逻辑函数表达式,在一定条件下可以简化成两个互补信号 相乘或者相加,即 当互补信号的状态发生 变化时,就可能出现冒险现象。,或者,因此:竞争冒险就是因信号传输延迟时间不同,而引起输出逻辑错误现象.,分析下图所示的逻
10、辑电路是否会产生的竞争冒险:,当A=B=1时,L为两个互补信号相加,因此该电路存在竞争冒险。,16,4.3.2 消去竞争冒险的方法,1发现并消去互补相乘项,2输出端并联电容器,17,4.4 常用组合逻辑集成电路,一 编码器,二 译码器/数据分配器,三 数据选择器,四数值比较器,五算术运算电路,返回,18,4.4 常用组合逻辑集成电路,4.4.1 编码器,1. 编码器的定义与工作原理,2.集成电路编码器,(1) 普通编*码器,(2) 优先编码器,4线-2线编码器(设计),键盘输入8421BCD码编码器(分析),(1) 优先编码器CD4532,(2) 例题分析,42 线优先编码器(设计),19,1
11、. 编码器的定义与工作原理,编码:将含有特定意义的数字或符号信息用二进制代码表示的过程称为编码。,特点:,2n个输入端 , n个输出端;,将每一个编码输入信号变换为不同的二进制的代码输出。,例如8线-3线编码器:将8个输入的信号分别编成 8个3位二进制数码输出。,例如BCD编码器:将10个编码输入信号分别编成10个4位二进制数码输出。,逻辑功能:,编码器有若干个输入端,但在某一时刻只有一个输入信号被转换为相应的二进制码。,二进制编码器的结构框图,分类:普通编码器和优先编码器。,普通编码器:任何时候只允许输入一个有效编码信号,否则输出就会发生混乱。,优先编码器:允许同时输入两个以上的有效编码信号
12、。当同时输入几个有效编码信号时,优先编码器能按预先设定的优先级别,只对其中优先权最高的一个进行编码。,编码器:实现编码功能的电路称为编码器。,4.4.1 编码器,20,(1)普通编码器(4线-2线编码器设计),编码器的输入为高电平有效!,(a)逻辑框图,I0I3分别为1时,表示有编码请求!,编码器结构和工作特点:有2n个输入端 , n个输出端;有若干个输入端,但在某一时刻只有一个输入信号被转换为二进制码。,(c)逻辑表达式,(d)逻辑电路图,4.4.1 编码器,21,(2) 键盘输入8421BCD码编码器(分析),代码输出,使能标志,编码输入,1,0,1,1,0,0,0,0,由此可见,使能标志
13、GS端的作用是:表示该编码器是否有编码信号输入。,1,1, 当S7=0时,其余为1时; ABCD=0111 GS=1, 当S1=0时,其余为1时; ABCD=0000 GS=1, 当S0 S9均为1时, ABCD=0000 GS=0,0,1,0,1,4.4.1 编码器,0,1,22,功能表,该编码器为输入低电平有效,4.4.1 编码器,23, 特点:对优先权级别高的输入先进行编码,从而保证了编码器工作的可靠性。,(3)优先编码器,优先编码器的提出:,实际应用中,经常有两个或更多输入编码信号同时有效。必须根据轻重缓急,规定好这些外设允许操作的先后次 序,即优先级别。, 定义:识别多个编码请求信号
14、的优先级别,并进行相应编码的逻辑部件称为优先编码器。, 优先编码器线(42 线优先编码器)(设计),写出逻辑表达式:,画出逻辑电路(略),输入编码信号高电平有效,输出为二进制代码;,输入为编码信号I3 I0 输出为Y1 Y0,列出功能表,列真值表:,4.4.1 编码器,24,优先编码器CD4532的示意框图、引脚图、电路图,2 集成电路编码器,4.4.1 编码器,25,优先编码器CD4532功能表,EI=0:电路不工作, Y2 Y1 Y0 =000 ,GS = EO =0,EI=1:电路工作,但无有效高电平输入,Y2 Y1 Y0 =000, GS = 0, EO=1 ;,4.4.1 编码器,E
15、I=1,电路工作时,并且输入I0 I7分别有高电平输入时,Y2 Y0为I0 I7的编码输出,GS =1 , EO =0。 优先级I7 I0,26,用2片CD4532构成16线-4线优先编码器,其逻辑图如下图所示,试分析其工作原理。,例题分析:【P141 例4.4.2】,4.4.1 编码器,27,0,禁止,0 0 0,0,0,0 0 0,0 0 0 0 0,禁止,0,0, 当EI2 =0时:,4.4.1 编码器,电路不工作,无编码输出; L3 L2 L1 L0 =0000 ,GS =0, EO1=0,28,。,1,允许,0 0 0,0,1,0 0 0,0 0 0 0,允许,0,1,若无有效电平输
16、入,若无有效电平输入,当EI2=1,但无有效高电平输入时:,4.4.1 编码器,电路工作,L3 L2 L1 L0=0000, GS =0, EO1=1;,0,29,。,1,允许,0 0 0,0,000 111,0 0 0,允许,1,0,无有效电平输入,1 1 1,1,为有效电平输入,1,4.4.1 编码器,当EI2=1,A15A8无有效高电平输入, A7A0为有效高电平输入时:,电路工作,L3 L2 L1 L0=(00000111), GS =1, EO1=0;,0,0,30,。,1,允许,0 0 0 1 1 1,1,0,0 0 0,1 0 0 0,禁止,0,0,为有效电平输入,1 1 1 1
17、,1,4.4.1 编码器,EI2 =1,A0 A15分别为有效高电平输入时:,为有效电平输入,L3 L2 L1 L0为A0 A15的编码输出,GS =1 , EO1=0。,31,4.4.2 译码器数据分配器,1.译码器的定义及功能:,2. 集成译码器,二进制译码器:74HC138 二 十进制译码器:74HC42 七段译码显示器:74HC4511,2线-4线译码器74HC139(设计),3. 译码器应用,实现顺序脉冲产生 应用译码器实现逻辑函数 应用译码器构成数据分配器,32,1.译码器的定义及功能,将二进制代码所表示的信息原意翻译出来,并转换成对应的输出高、低电平信号的过程称为译码; 实现译码
18、功能的电路,称为译码器。,译码器的类型 唯一地址译码器:P144,译码器的输入端:,一组二进制代码。,译码器的输出端:,只有一个有效电平信号。,特点:,n个输入端,2n个输出端 ;,输入/输出端的位数:,4.4.2 译码器数据分配器,3位二进制(3线 8线)译码器的框图,输 入 信 号,输 出 信 号, 代码转换器:,将一系列代码转换成与之一一对应的 有效信号。,将一种代码转换成另一种代码。,二进制译码 器、二十进制译码器、显示译码器,常见的唯一地址译码器:,(1) 译码器定义:,33,(2) 译码器功能:,在某一时刻,将一组输入代码,与输出端的一个有效电平相对应,其余输出端均为非有效电平。,
19、(编码器有若干个输入端,但在某一时刻,只有一个有效输入信号被转换为一组二进制码),对应每一组输入代码,只有其中一个输出端为有效电平,其余输出端均为为非有效电平。,4.4.2 译码器数据分配器,34,真值表:, 逻辑表达式:,电路:,设计一个2线 - 4线译码器。,逻辑符号,(3) 译码器设计例题:,4.4.2 译码器数据分配器,1,1,1,1,0,0,0,1,0,0,1,注意: 对应每一组输入代码,只有一个输出端为有效电平,其余输出端 均为非有效电平.可见,译码器是通过输出端的有效逻辑电平来识别不同代码的。 符号说明:P145,35,8 个译码 输出端,逻辑图,3个控制端,3个编码输入端,4.
20、4.2 译码器/数据分配器,2.集成译码器,(1) 74HC138(74LS138)集成译码器(3线8线译码器),示意框图,其中: 控制端E3为高电平有效; E2、E1为低电平有效; A2 、A1、 A0为编码输入端; 8个输出端是低 电平有效。,36,74HC138集成译码器功能表,4.4.2 译码器/数据分配器,由此可见: 一个3线8线译码器,能产生3变量函数的全部最小项,所以也把这种译码器叫做最小项译码器。,37,(2) 74HC42 二十进制译码器【 4线-10线译码器】,把BCD代码翻译成10个十进制数字信号的电路。,4.4.2 译码器/数据分配器,输入为 8421 BCD码,10个
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