第4章常用组合逻辑功能器件.ppt
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1、第4章 常用组合逻辑功能器件,本章将介绍几种常用的中规模集成电路(MSI),这些中规模集成电路分别具有特定的逻辑功能,称为功能模块,用功能模块设计组合逻辑电路,具有许多优点.,4.1 自顶向下的模块化设计方法,顶: 指系统功能,即系统总要求,较抽象.,向下:指根据系统总要求,将系统分解为若干个子系统,再 将每个子系统分解为若干个功能模块 ,直至分成 许多各具特定功能的基本模块为止.,例: 设计一个数据检测 系统,功能表如下:,数据A、B分别来自两个 传感器.,B: 数据检测系统,*,顶层,* : 叶结点,分层设计树,4.2 编码器,将信息(如数和字符等)转换成符合一定规则的二进制代码.,4.2
2、.1 二进制编码器,用n位二进制代码对N=2n 个特定信息进行编码的逻辑电路.,设计方法:,以例说明,设计一个具有互相排斥输入条件的编码器.,输入: X0 、X1、X2 、X3,输出:A1、A0,对应关系:,4线2线编码器电路图:,编码器在任何时候只允许 有一个输入信号有效;,(2) 电路无X0输入端;,(3) 电路无输入时,编码器的 输出与X0编码等效.,带输出使能(Enable)端的优先编码器:,输出使能端:,用于判别电路是否有信号输入.,优先:,对输入信号按轻重缓急排序,当有多个信号同时 输入时,只对优先权高的一个信号进行编码.,下面把上例4线2线编码器改成带输出使能(Enable)端的
3、 优先编码器,假设输入信号优先级的次序为:X3,X2,X1,X0.,编码器 电路图,4.2.2 二十进制编码器,输入: I0 ,I1 ,I2 I9,表示十个要求编码的信号.,输出: BCD码.,电路有十根输入线,四根输出线,常称为10线4线编码器,4.2.3 通用编码器集成电路,1. 8线3线优先编码器74148,74148功能说明:,1)74148为8线3线优先编码器,HPRI是最高位优先 编码器的说明。,2)编码器输入为低电平有效,输出为3位二进制反码。,例:用两片74148构成16线4线优先编码器。,高位芯片工作情况:,低位芯片工作情况:,问题思考:若用四片74148构成一个32线5线
4、编码器,电路如何设计? 若用八片74148构成一个64线6线 编码器,电路又如何设计?,2. 10线4线优先编码器74147,4.2.4 编码器应用举例,4.2.5 编码器的VHDL描述,LIBRARY ieee; USE ieee.std_logic_1164.all; ENTITY encoder IS PORT(input : IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); y : OUT STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); END encoder; ARCHITECTURE rtl OF encoder IS BEGIN PROCESS(inp
5、ut) BEGIN,一个普通编码器的例子:,CASE input IS WHEN “01111111”=yyyyyyyyy=“XXX”; END CASE; END PROCESS; END rtl;,LIBRARY ieee; USE ieee.std_logic_1164.all; ENTITY priorityencoder IS PORT( input: IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); y: OUT STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); END priorityencoder; ARCHITECTURE rtl OF priori
6、tyencoder IS BEGIN PROCESS(input) BEGIN IF (input(7)=0) THEN y= “111”;,一个优先编码器的例子:,ELSIF (input(6)=0) THEN y= “110”; ELSIF (input(5)=0) THEN y= “101”; ELSIF (input(4)=0) THEN y= “100”; ELSIF (input(3)=0) THEN y= “011”; ELSIF (input(2)=0) THEN y= “010”; ELSIF (input(1)=0) THEN y= “001”; ELSE y= “000”
7、; END IF; END PROCESS; END rtl;,4.3 译码器/数据分配器,4.3.1 二进制译码器,译码是编码的逆过程,作用 是将一组码转换为确定信息。,输入:二进制代码,有n个;,输出:2n 个特定信息。,1. 译码器电路结构,以2线 4线译码器为例说明,2线 4线译码器的真值表为:,下图为高电平输出有效的2线 4线译码器电路图,由真值表容易得出:,译码器的另一种结构:矩阵式结构,特点:门的扇入数少; 延迟时间长。,2. 译码器的使能控制输入端,1)利用使能输入控制端,既能使电路正常工作,也能 使电路处于禁止工作状态;,2)利用使能输入控制端,能实现译码器容量扩展。,EN为
8、使能控制输入端, EN=0,输出均为0; EN=1,输出译码信号。,电路满足:Yi=mi EN,利用使能端实现扩展的例子:,当I2=0时,(1)片工作, (2)片禁止. 当I2=1时, (1)片禁止, (2)片工作.,由两片2线4线译码器组成3线8线译码器,2线4线译码器组 成4线-16线译码器,4.3.2 二十进制译码器,输入: BCD码.,输出: 十个高、低电平.,(常称4线10线译码器),伪 码,输 出 低 电 平 有 效,真 值 表,4.3.3 通用译码器集成电路,74138 带使能端3线8线译码器,74138功能表, 电路输出低电平有效;,74138特性:,74138的逻辑表达式为:
9、, =100,电路工作;否则,电路禁止工作,电路输出均为1。,4.3.4 数据分配器,数据分配是将一个数据源输入的数据根据需要送到 不同的输出端上去,实现数据分配功能的逻辑电路称为 数据分配器。分配器又叫多路复用器。,数据分配器一般用带使能控制端的二进制译码器实现。,74138输出表达式:,分配器输出表达式:,4.3.5显示译码器,(1)半导体显示器,也称发光二极管显示器;,(2)荧光数字显示器,如荧光数码管、场致发光数字 板等 ;,(3)液体数字显示器,如液晶显示器、电泳显示器等;,(4)气体放电显示器,如辉光数码管、等离子体显示 板等。,显示器分类:,1. 半导体数码管(Light Emi
10、tting Diode简称LED),七段数码管 显示器,七段数码管的两种连接方法:, 共阴, 共阳,阳极加高 电平字段 亮。,阴极加低 电平字段 亮。,半导体数码管的工作电压比较低(1.5 3V),能直接用TTL或CMOS集成电路驱动。除电压比较低外,半导体数码管还具有体积小、寿命长、可靠性高等优点,而且响应时间短(一般不超过0.1s),亮度也比较高。LED显示器的缺点是工作电流大,每一段的工作电流在10mA左右。,2. 液晶显示器(Liquid Crystal Display,简称LCD),液晶是一种既具有液体的流动性又具有光学特性的有 机化学物。,液晶显示器通过控制可见光的反射来达到显示目
11、的。,液晶显示器分两类:反射式和背光式。,反射式液晶显示器使用的可见光是环境光线。,而背光式液晶显示器的可见光则由在显示器内特制 的小光源提供。,LCD须用低频交流信号驱动,一般使用方波信号, 工作频率约为2560Hz,信号幅值可以很低,在1V以 下仍能工作 。,液晶显示器的最大优点是功耗极低,每平方厘米 的功耗的1W以下。,液晶显示器工作电压低,功耗小的特点,使其在各种 小型、便携式仪器、仪表中得到了广泛的应用。,当前,在电视机、计算机等设备中使用液晶显示器已 越来越普及,并成为一种发展趋势。,功能:将表示数字的BCD码转换成七段显示码。,输入:BCD码,输出:七段显示码,3. 显示译码器设
12、计,显示译码器设计步骤:,(以输入8421BCD码、输出驱动共阳显示器为例), 列真值表; 化简、写最简函数表达式; 画电路图。,真 值 表,化简后表达式:,化简说明: 利用了无关项;, 考虑了多输出逻辑函数化简中的公共项.,思考题: 根据上面设计,判断当输入DCBA为 1010时,LED显示什么字形?,4. 通用七段显示译码器集成电路,常用的七段显示译码器集成电路有7446、7447、7448、 7449和4511等。下面重点介绍七段显示译码器7448。,七段显示译码器7448输出高电平有效,用以驱动共阴 极显示器。,7448实现多位显示,由于第1片的RBI为0,而DCBA=0000, 所以
13、满足灭零 条件,RBO=0。第2、3片也满足灭零条件。,第4、5、6片驱动正常显示。,思考题:如第1片输入DCBA不等于0000,2、3两片灭 零条件吗?,74HC4511显示译码器驱动液晶数码管的一个例子,1. 译码器实现组合逻辑函数,原理: 二进制译码器能产生输入信号的全部最小项,而 所有组合逻辑函数均可写成最小项之和的形式.,例 试用3线 8线译码器和逻辑门实现下列函数,F(Q,X,P)=m (0,1,4,6,7) =M(2,3,5),4.3.6 译码器应用举例,解题的几种方法:, 利用高电平输出有效的译码器和或门。,F(Q,X,P)=m0+m1+m4+m6+m7, 利用低电平输出有效的
14、译码器和与非门。,F(Q,X,P)=m0+m1+m4+m6+m7, 利用高电平输出有效的译码器和或非门。, 利用低电平输出有效的译码器和与门。,2. 计算机输入/输出接口地址译码电路,4.3.7 译码器的VHDL描述,3线8线译码器74138的VHDL描述。,LIBRARY ieee; USE ieee.std_logic_1164.all; ENTITY decode_3to8 IS PORT(a,b,c,G1,G2A,G2B: IN STD_LOGIC; y: OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); END decode_3to8; ARCHITECTURE r
15、tl OF decode_3to8 IS SIGNAL indata: STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); BEGIN,indatayyyyyyyyy=“XXXXXXXX”; END CASE;,ELSE y=“11111111”; END IF; END PROCESS; END rtl;,七段显示译码器的VHDL描述,LIBRARY IEEE ; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY bcd_7seg IS PORT ( bcd_led : IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); ledseg : OUT
16、STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0); END bcd_7seg;,ARCHITECTURE behavior OF bcd_7seg IS BEGIN WITH bcd_led SELECT,ledseg= “0111111” WHEN “0000”,-0 “0000110” WHEN “0001”,-1 “1011011” WHEN “0010”,-2 “1001111” WHEN “0011”,-3 “1100110” WHEN “0100”,-4 “1101101” WHEN “0101”,-5 “1111101” WHEN “0110”,-6 “0100111”
17、WHEN “0111”,-7 “1111111” WHEN “1000”,-8 “1101111” WHEN “1001”,-9 “1000000” WHEN “1110”,-minus “0000000” WHEN OTHERS; END behavior;,功能: 从多路输入数据中选择其中的一路送至输出端.,数据选择器简称MUX,数据选择器的数据输入端数称为 通道数.,4.4 数据选择器,数据选择器功能示意图:,选择信号 (地址码)输入,数据输入,数据输出,4.4.1 数据选择器的电路结构,以四选一数据选择器为例讨论,功能表,输出函数表达式:,地址,数据,输出,电路图:,数据选择器通道扩展
18、:由四选一数据选择器组成 十六选一数据选择器的例子,4.4.2 通用数据选择器集成电路,数据选择器的逻辑符号及输入选通端:,以双四选一MUX74153和MUX74HC4539说明之。,内部结构由与、或、 非等门组成。,74HC4539的功能和逻辑符号和74153相同,但芯片 内部由CMOS传输门组成。,利用选通控制端实现通道扩展的例子:,A2=0 时,由 A1A0选择1Di,A2=1时,由 A1A0选择2Di,4.4.3 数据选择器应用举例,1. 用数据选择器实现组合逻辑函数,例 试用八选一数据选择器74151实现逻辑函数 F(A, B, C)=m(0, 2, 3, 5),74151的输出表达
19、式为:,比较两式:,A2=A ; A1=B ; A0=C,D0=D2=D3=D5=1,D1=D4=D6=D7=0,Y=F,变量和地址端之间的连接必须正确。,例:试用四选一MUX实现逻辑函数,解:当MUX被选通时,其输出逻辑表达式为:,比较两式,令,A1=A;A0=B;,则 Y=F,注:该题的解法不唯一。,例:用四选一数据选择器实现逻辑函数:,F(A,B,C,D)=m(1,2,4,9,10,11,12,14,15),解:,令数据选择器的地址A1A0=AB,注:上面采用A、B作为地址变量。实际上,地址变量 的选取是任意的,选不同的变量为地址变量时, 数据输入端的信号也要随之变化。,电路图:,2.
20、动态显示电路,七段数码管驱动电路可分为两种,一种称为静态显示, 另一种称为动态显示。,静态显示:每一个数码管由单独的七段显示译码器驱动。,动态显示:使用数据选择器的分时复用功能,将任意多个 数码管的显示驱动,由一个七段显示译码器来 完成。,4.4.4数据选择器的VHDL描述,4选1数据选择器的VHDL描述,LIBRARY IEEE ; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY mux4 IS PORT( i0,i1,i2,i3,a,b: IN STD_LOGIC; q : OUT STD_LOGIC); END mux4;,ARCHITECTURE behavio
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