[理学]组合逻辑电路分析与设计20课时.ppt
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1、数字电子技术,第2章 组合逻辑电路分析与设计(20课时) 电子信息学院 特色创新教研室,http:/ 组合逻辑电路分析与设计,2.1 集成门电路 (4课时) 2.2 组合逻辑电路分析 (2课时) 2.3 组合逻辑电路设计 (2课时) 2.4 译码器 (4课时) 2.5 编码器 (2课时) 2.6 数据选择器 (2课时) 2.7 应用举例:八人抢答器设计与仿真 (2课时) 总结+习题 (2课时),第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.1 数字电路的分类,随着数字电子技术的发展,分立元件构成的数字电路已经很少使用,取而代之的是数字集成电路。所谓数字集成电路是指将元器件和连线
2、集成于同一半导体芯片上而制成的数字逻辑电路或系统。,1. 按电路逻辑功能的不同,可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。,2. 按集成电路的大小规模不同又分为小规模集成电路(SSI)、中规模集成电路(MSI)、大规模集成电路(LSI)和超大规模集成电路(VLSI)。,3. 按电路所用器件的不同,又可分为单极性电路和双极性电路。最常用的单极性电路是CMOS(Complementary Symmetry Metal Oxide Semiconductor)电路,最常用的双极性电路是TTL(Transistor-Transistor-Logic)电路。,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电
3、路,2.1.1 数字电路的分类,图2-1 数字集成门电路实物图 (a)双列直插式 (b)贴片式,图2-2 数字集成电路管脚号排布规律,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.1 数字电路的分类,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.1 数字电路的分类,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,TTL与非门电路构成,1. 输入级:R1、T1,T1为多发射极晶体管,输入极,中间极,输出极,三极管特性,TTL电平,2. 中间级:R2、T2、R3,产生两个相反的信号,用以驱动输出级。,3. 输出级
4、: R4、T3、T4、D,输出级特点: 静态功耗低 开关速度快,这种电路结构称为推拉式电路,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,TTL与非门电路工作原理,设输入信号高低电平分别为 UiH=3.6V; UiL=0.3V,PN结正向导通电压为0.7V;,1. 输入中有低电平,T1管发射结导通,T1管饱和,由于T2基极电压仅为(0.30.3)V ,故T2、 T4均截止,T3、D导通,输出约为3.6V(5-0.7-0.7=3.6)。 输出高电平1。,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,设输入信号高低电平分别为 UiH=
5、3.6V; UiL=0.3V,PN结正向导通电压为0.7V;,2. 输入均为高电平,T1管处于倒置工作状态(be结反偏,bc结正偏);,T2管处于饱和工作状态;,T3管处于截止工作状态;,T4管处于饱和工作状态;,TTL与非门电路工作原理,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,F输出为“0”。,综合上面两种情况,该电路实现与非功能。,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,CMOS非门电路结构,CMOS逻辑门电路是由N沟道MOSFET和P沟道MOSFET互补而成,通常称为互补型MOS逻辑电路,简称CMOS逻辑电路。,要求电
6、源VDD大于两管开启电压绝对值之和,即VDD(VTN+|VTP|),且TN=|VTP|。,CMOS非门电路 (a) 电路图 (b) 简化电路,(1)当输入为低电平,即Vi=0V时,TN截止,TP导通,TN的截止电阻约为500M,TP的导通电阻约为750,所以输出VOVDD,即Vo为高电平。,CMOS门电路,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,CMOS非门电路 (a) 电路图 (b) 简化电路,(2)当输入为高电平,即Vi=VDD时,TN导通,TP截止,TN的导通电阻约为750,TP的截止电阻约为500M,所以输出Vo0V,即Vo
7、为低电平。所以该电路实现了非逻辑。,通过以上分析可以看出,在CMOS非门电路中,无论电路处于何种状态,TN、TP中总有一个截止,所以它的静态功耗极低,有微功耗电路之称。,要求电源VDD大于两管开启电压绝对值之和,即VDD(VTN+|VTP|),且TN=|VTP|。,CMOS非门电路结构,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,CMOS与非门和CMOS或非门,CMOS与非门电路 CMOS或非门电路,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,1.电源电压:(略) 2.电压传输特
8、性: 3.输入噪声容限: 4. 输入负载特性 5.输出特性、扇出系数,灌电流,拉电流: 6.传输延时与功耗:,TTL与CMOS器件性能指标:,幻灯片 26,TTL与非门的电压传输特性,TTL与CMOS器件性能指标(输入特性TTL电压传输特性),第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,TTL(74LS00)、CMOS电路电压传输特性比较,TTL与CMOS器件性能指标(输入特性CMOS电压传输特性),第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,由图示的电压传输特性可知,在输入电压
9、vI偏离正常低电平或高电平时,输出电压vo并不随之马上改变,允许输入电压有一定的变化范围。,输入端噪声容限:是指在保证输出高、低电平基本不变(不超过规定范围)时,允许输入信号高、低电平的波动范围,TTL与CMOS器件性能指标(输入噪声容限),第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,TTL与CMOS器件性能指标(输入特性TTL噪声容限),1. TTL标称高电平:3.6V 2. TTL标称低电平:0.3V 3. UILmax输入低电平最大值(0.8V) 4.UIHmin输入高电平最小值(2.0V) 5.UOLmax输出低电平最大值(0.
10、4V) 6.UOHmin输入高电平最小值(2.4V) 7.阈值电平(1.4V) :,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,输入噪声容限分为输入高电平噪声容限VNH和输入低电平噪声容限VNL。,输入噪声容限示意图,由图中可知,如果是多个门电路相连时,前一级门电路的输出即为后一级门电路的输入,输入低电平噪声容限,输入高电平噪声容限,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,TTL与非门的输入负载特性,TTL与CMOS器件性能指标(输入特性TTL输入负载特性),第2章 组合逻辑
11、电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,TTL带拉电流负载时的输出特性,TTL与CMOS器件性能指标(输出特性),第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,TTL带灌电流负载时的输出特性,读一读 TTL与CMOS门电路,TTL与CMOS器件性能指标(输出特性),2、TTL和CMOS门电路的性能特点,TTL与非门带负载能力,带灌电流负载的扇出系数:,带拉电流负载的扇出系数:,标准TTL:,标准TTL:,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电
12、路性能特点,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,TTL集成逻辑门各子系列重要参数比较,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,1、接插集成块时,要认清定位标记,不得插反。 2、电源电压使用范围为+4.5V+5.5V之间,实验中要求使用VCC=+5V。电源极性绝对不允许接错。 3、闲置输入端处理方法 (1)输入悬空,相当于正逻辑“l”,对于一般小规模集成电路的数据输入端,实验时允许悬空处理。但输入端悬空易受外界干扰,导致电路的逻辑功能不正常。因此,对于接有长线的输入端,
13、中规模以上的集成电路和使用集成电路较多的复杂电路,所有控制输入端必须按逻辑要求接入电路,不允许悬空。 (2)直接接电源电压VCC(也可以串入一只110k的固定电阻)或接至某一固定电压(+2.4V +4.5V)的电源上 。 (3)若前级驱动能力允许,可以与使用的输入端并联。 4、输入端通过电阻接地,电阻值的大小将直接影响电路所处的状态。当R680时,输入端相当于逻辑“0”;当R4.7k时,输入端相当于逻辑“1”。对于不同系列的器件,要求的阻值不同。 5、输出端不允许并联使用(集电极开路门(OC)和三态输出门电路(TS)除外。否则不仅会使电路逻辑功能混乱,并会导致器件损坏。 6、输出端不允许直接接
14、地或直接接+5V电源,否则将损坏器件,有时为了使后级电路获得较高的输出电平,允许输出端通过电阻R接至VCC,一般取R=35.1k。,TTL集成电路使用注意事项:,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,CMOS集成电路的性能特点 : 微功耗CMOS电路的单门静态功耗在毫微瓦(nw)数量级。 高噪声容限CMOS电路的噪声容限一般在40%电源电压以上。 宽工作电压范围CMOS电路的电源电压一般为318伏。 高逻辑摆幅CMOS电路输出高、低电平的幅度达到全电为VDD, 逻辑“0”为VSS。 高输入阻抗 CMOS电路的输入阻抗大于108,一般可达1010。 高扇出能力 CMOS电路的扇出能力大
15、于50。 低输入电容 CMOS电路的输入电容一般不大于5PF。 宽工作温度范围陶瓷封装的CMOS电路工作温度范围为 - 55 0C 125 0C;塑封的CMOS电路为 40 0C 85 0C。,CMOS电路的特点和使用注意事项:http:/www.go- 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.3 TTL及CMOS集成门电路的其它形式,一、OC门TTL集电极开路门,图2-7 普通的TTL门电路输出并联 图2-8 OC门(a) 结构(b)符号,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.
16、1 集成门电路,2.1.3 TTL及CMOS集成门电路的其它形式,即在输出线上实现了与运算,通过逻辑变换可转换为与或非运算,图2-9 实现线与,TTL OC门通常有如下的应用:,1. 实现线与,2个OC门实现线与时的电路如图2-9 所示。此时的逻辑关系为:,在数字系统的接口部分(与外部设备相联接的地方)需要有电平转换的时候,常用OC门来完成。如图2-10所示。 把上拉电阻接到10V电源上,这样在OC门输入普通的TTL电平,而输出高电平就可以变为10V。,2. 实现电平转换,图2-10 实现电平转换,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.3 TTL及CMOS集成门电路的其
17、它形式,3. 用做驱动器,可用它来驱动发光二极管、指示灯、继电器和 脉冲变压器等。图2-11是用来驱动发光二极管 的电路。,图2-11 驱动发光二极管,OC门使用注意事项: 请正确连接电路,必须将输出通过一个适当大小的电阻 连接到电源上。,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.3 TTL及CMOS集成门电路的其它形式,二、TTL三态输出门,(a) 电路图 (b)EN=0有效的逻辑符号 (c)EN=1有效的逻辑符号 图2-12 三态输出门,1. 三态输出门的结构及工作原理,当EN=1时,G输出为0,VP=0.3V,D1导通,VC2=1V,T4、D截止;VB1=1V,T2、
18、T3也截止。输出端L看进去,对地和对电源都相当于开路,呈现高阻。所以称这种状态为高阻态。,当EN=0时,G输出为1,VP=3.6V,D1截止,电路恢复与非门正常电路,所以这时电路实现正常与非功能。这种EN=0时为正常工作状态的三态门称为使能端低电平有效的三态门。,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.3 TTL及CMOS集成门电路的其它形式,2. 三态门的应用,(a)单向总线 (b)双向总线 图2-13 三态门组成的总线,CMOS集成门电路的其它形式有;OD门(漏极开路门:如40107),CMOS三态门,CMOS传输门,CMOS模拟开关等。本书不做详细介绍,请同学门参阅
19、相关数字电路手册,了解其功能和应用。,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.3 TTL及CMOS集成门电路的其它形式,【技能训练2-1】OC门7406逻辑功能和应用测试 任务要求:1、测试OC门电路7406逻辑功能及相关应用。 2、并用Multisim9.0或同类软件仿真验证。,图2-14 OC门电路7406管脚图和内部结构图,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.3 TTL及CMOS集成门电路的其它形式,1、测试逻辑功能,输入分别置0或1,测试输出电平及状态, 填写真值表,判断其逻辑功能。,2、将270电阻断开,观察输出电平是否有变化,电路是否
20、正常 。(OC门的输出应通过电阻上拉到电源上),3、将Vcc换成10V或15V电源,观察输出电平是否有变化。 (是否可以实现电平转换),7406逻辑功能测试演示,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.3 TTL及CMOS集成门电路的其它形式,4、按图接线,测试结果填入真值表,判断其是否可以实现线与 功能。,7406线与功能演示,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.3 TTL及CMOS集成门电路的其它形式,【技能训练2-2】三态门74LS125逻辑功能测试 任务要求:1、测试三态门电路74LS125逻辑功能。 2、并用Multisim9.0或同类
21、软件仿真验证。,按照书上的步骤测试,使能端分别接高、低电平时, 输入端分别接高、低电平时进行测试。注意:高阻的测试方法。,作业: 完成【技能训练2-1】测试报告。,EN=1时,演示,EN=0时,演示,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.2 组合逻辑电路分析,一、组合逻辑电路的特点,图2-21 组合逻辑电路的框图,组合逻辑电路的特点是:输出状态只与当前的输入状态有关,而与电路原来的状态无关。,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.2 组合逻辑电路分析,二、组合逻辑电路的分析步骤,图2-22 组合逻辑电路分析步骤,三、组合逻辑电路分析案例,【例2-1】分析图2-23所示电路的逻辑功能。,第2章
22、组合逻辑电路的分析与设计,2.2 组合逻辑电路分析,三、组合逻辑电路分析案例,【例2-1】分析图2-23所示电路的逻辑功能。,解:1)由于该电路比较简单,可以直接写出输出变量F与输入变量A、B、C之间的关系表达式。,2)列出功能真值表,见表2-7。 3)从逻辑真值表可以看出:该电路为判奇电路,当三个输入变量A、B、C中有奇数个1时,输出F为1。否则输出F为0。,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.2 组合逻辑电路分析,三、组合逻辑电路分析案例,【例2-2】分析图2-24电路的逻辑功能。,;,;,解:1) 逐级在门电路的输出端标出符号,如右中的F1、F2、F3。 2) 逐级写出逻辑表达式: F
23、1=AB F2=AC F3=BC 3) 写出输出F的表达式: F=AB+AC+BC 4) 列出功能真值表,见表2-7: 5) 判断逻辑功能:,根据功能真值表可以判断,本电路为三人表决器电路。 三人表决器常用于表决时,在三人中若有两人或两人以上同意 通过某一决议时,决议才能生效。,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,【例2-3】分析图2-25电路的逻辑功能。,2.2 组合逻辑电路分析,三、组合逻辑电路分析案例,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.2 组合逻辑电路分析,【技能训练2-3】组合逻辑电路功能分析验证,任务要求:1、测试图2-26电路逻辑功能,并用Multisim9.0或同类软件仿真验证
24、。 2、用上述组合逻辑电路分析方法验证是否一致。,作业:P93五、六,组合逻辑电路分析1演示,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,一、组合逻辑电路设计步骤,2.3 组合逻辑电路设计,(1)根据实际问题进行逻辑抽象(逻辑假设); (2)确定输入变量、输出变量之间的逻辑关系, 列出真值表; (3)根据真值表,确定逻辑函数表达式; (4)根据器件要求,变换逻辑函数表达式; (5)画出逻辑电路图; (6)电路装接与调试; (7)电路逻辑功能检测; (7)设计文档的撰写。,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,二、组合逻辑电路设计案例,2.3 组合逻辑电路设计,【例2-4】试用基本门电路设计一个监视交通信号灯
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- 理学 组合 逻辑电路 分析 设计 20 课时
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