门电路和组合逻辑电路.ppt

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,20.4CMOS门电路,20.3TTL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,20.2.1晶体管的开关作用,,1.二极管的开关特性,,,相当于开关断开,相当于开关闭合,3V,0V,3V,0V,20.2基本门电路及其组合,2.三极管的开关特性,,,,3V,0V,uO0,相当于开关断开,,相当于开关闭合,uOUCC,3V,0V,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。,20.2.2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YAB,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YAB,真值表,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。高电平和低电平都不是一个固定的数值，而是有一定的变化范围。,20.3.3分立元件逻辑门电路,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。,1.门电路的概念,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,2.二极管“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,2.二极管“与”门电路,即有“0”出“0”，全“1”出“1”,3.二极管“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”。,3.二极管“或”门电路,即有“1”出“1”，全“0”出“0”,4.三极管“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”,20.3.4基本逻辑门电路的组合,,2.“或非”门电路,有“1”出“0”，全“0”出“1”,例根据输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,20.3TTL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。,20.3.1TTL“与非”门电路,1.电路,20.3.1TTL“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、T4饱和导通,钳位2.1V,E结反偏,截止,,,负载电流（灌电流）,输入全高“1”,输出为低“0”,1V,2.工作原理,1V,T2、T4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,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,2TTL“与非”门的参数,电压传输特性,输出高电平电压UOH和输出低电平电压UOL,TTL“与非”门的参数,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,a输出高电平电压UOH和输出低电平电压UOL,电压传输特性,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。,c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）。,b扇出系数NO,例估算图示电路扇出系数NO,已知门电路的参数如下,IoH/IoL1.0mA/-20mA,IiH/IiL50A/-1.43mA,试求门GP扇出系NO,解讨论这类问题时，要对GP门输出低电平和高电平情况，分别讨论，然后取两个数中较小的作为扇出系NO,例估算图示电路扇出系数NO,已知门电路的参数如下,IoH/IoL1.0mA/-20mA,IiH/IiL50A/-1.43mA,试求门GP扇出系NO,GP门输出高电平时，后接的每个门流入的电流为2IiH，则可带的同类门的个数NOH应为,例估算图示电路扇出系数NO,已知门电路的参数如下,IoH/IoL1.0mA/-20mA,IiH/IiL50A/-1.43mA,试求门GP扇出系NO,GP门输出低电平时，负载门流入的电流为流出的灌电流，IiLIiS，因此IiL的大小与门输入端的并接数量无关，NOL应为,门GP扇出系NO10,d平均传输延迟时间tpd,tpd1,tpd2,TTL的tpd约在10ns40ns，此值愈小愈好。,输入波形ui,输出波形uO,20.3.3三态输出“与非”门,“1”,1.电路,截止,20.3.3三态输出“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,20.3.3三态输出“与非”门,可构成多路开关，数据双向传递，多路数据分时传送等。,实现数据双向传输,如图所示,G1,1.电路,20.3.4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,20.4.1CMOS非门电路,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”,20.4CMOS门电路,20.3.2.CMOS“与非”门电路,“1”,“0”,全“1”,导通,截止,20.3.2.CMOS“与非”门电路,存在问题当变量数增多时，1）造成电路输出特性的不对称，2）会引起输出低电平的上升，导致噪声容限的下降。,解决办法加缓冲电路,20.3.3.带缓冲门的CMOS“与非”门电路,如CC4011,20.3.3.CMOS“或非”门电路,B“1”,“0”,全“0”,“1”,导通,截止,20.3.2.带缓冲门的CMOS“或非”门电路,如CC4001,20.4.5.三态输出CMOS门电路,为高阻状态,双向总线数据传输,如图所示,当E1时，信号由A从G1输入，经总线到G2输出；,当E0时，信号由B从G3输入，经总线到G4输出；,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uOui，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）,20.4.4.CMOS传输门电路,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10-5mW,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318V,1速度快,2抗干扰能力强,3带负载能力强,20.4.6几个实际问题,1.CMOS门电路与TTL门电路性能的比较,2.门电路多余输入端的处理,一般不允许多余输入端悬空（相当于高电平）以防引入干扰信号。,1对与逻辑门电路，应将多余端经电阻（13K或直接接正电源。,2对或逻辑门电路，应将多余端接地。,3如果前级有足够的驱动能力，也可将多余端与信号输入端联在一起。,3.CMOS与TTL门电路的连接,1CMOS电路驱动TTL电路,由于CMOS电路的驱动电流小（0.51mA），而TTL的输入电流大（1.6mA），即IoLmax1,,Y,D0,D1,D2,D3,A0,A1,0,1,“与”门打开，选择器工作。,,,,,,,,由控制端决定选择哪一路数据输出。,选中,D0,CT74LS153型4选1数据选择器,动画,,由逻辑图写出逻辑表达式,多路选择器广泛应用于多路模拟量的采集及A/D转换器中。,用2片CT74LS153多路选择器选择8路信号,若A2A1A0010,输出选中1D2路的数据信号。,,,A0,A1,A2,,,,,,,,,,,,用2片CT74LS151型8选1数据选择器构成具有16选1功能的数据选择器,CT74LS151功能表,3.5.1用数据选择器实现逻辑函数的基本原理和步骤,3.5用中规模集成电路实现组合逻辑函数,（一）基本原理,1.数据选择器输出逻辑表达式的一般形式,3.5用中规模集成电路实现组合逻辑函数,（一）基本原理,3.组合逻辑函数的标准表达形式,我们知道，任何组合逻辑函数都可以表示为最小项之和的标准形式。因此应用对照比较的方法，用数据选择器可以不受限制的实现任何组合逻辑函数。,例,用CT74LS151型8选1数据选择器实现逻辑函数式YABBCCA,解将逻辑函数式用最小项表示,将输入变量A、B、C分别对应地接到数据选择器的选择端A2、A1、A0。由状态表可知,将数据输入端D3、D5、D6、D7接“1”，其余输入端接“0”，即可实现输出Y，如图所示。,用数据选择器实现逻辑函数的基本原理和步骤,用中规模集成电路实现组合逻辑函数,（一）基本原理,1.数据选择器输出逻辑表达式的一般形式,用数据选择器实现逻辑函数的基本原理和步骤,用中规模集成电路实现组合逻辑函数,（一）基本原理,1.数据选择器输出逻辑表达式的一般形式,3.5用中规模集成电路实现组合逻辑函数,（一）基本原理,3.组合逻辑函数的标准表达形式,我们知道，任何组合逻辑函数都可以表示为最小项之和的标准形式。因此应用对照比较的方法，用数据选择器可以不受限制的实现任何组合逻辑函数。,3.5用中规模集成电路实现组合逻辑函数,（二）基本步骤,1.确定应该选用的数据选择器。,根据nk-1确定数据选择器的类型,n为选择器的地址变量个数，k是逻辑函数的变量个数。,2.写出组合逻辑函数的标准与或表达形式和选择器的输出表达式。,3.确定选择器的输入变量的表达式。,4.画逻辑图,例,用数据选择器实现逻辑函数式YABBCCA,2）将逻辑函数式用最小项表示,用中规模集成电路实现组合逻辑函数,1）选用74LS153型4选1,数据选择器标准与或式,3）确定输入变量的表达式,例,用数据选择器实现逻辑函数式YABBCCA,用中规模集成电路实现组合逻辑函数,3）确定输入变量的表达式,比较对照可得,用中规模集成电路实现组合逻辑函数,4）画出逻辑图,例,用数据选择器实现逻辑函数式YABBCCA,2）将逻辑函数式用最小项表示,将输入变量A、B、C分别对应地接到数据选择器的选择端A2、A1、A0。由状态表可知,将数据输入端D3、D5、D6、D7接“1”，其余输入端接“0”，即可实现输出Y，如图所示。,用中规模集成电路实现组合逻辑函数,1）选用74LS151型8选1,将输入变量A、B、C分别对应地接到数据选择器的选择端A2、A1、A0。由状态表可知,将数据输入端D3、D5、D6、D7接“1”,其余输入端接“0”,即可实现输出Y,如图所示。。,CT74LS151功能表,用译码器实现逻辑函数的基本原理和步骤,用中规模集成电路实现组合逻辑函数,（一）基本原理,1.二进制译码器可以产生全部输入地址变量的最小项。,用中规模集成电路实现组合逻辑函数,1.译码器器输出逻辑表达式的一般形式,若S0,则,,4）画出逻辑图,例,用译码器器和数据选择器实现两个4位二进制数码比较器，判断两个4位二进制数是否相等。,用中规模集成电路实现组合逻辑函数,因为实现4位二进制比较，所以选用一片4/16线译码器和一片16选1数据选择器。,,4位二进制数,4位二进制数,当A3A2A1A0B3B2B1B0时Y0,否则Y1,0,0,20.10.2数据分配器,,将一个数据分时分送到多个输出端输出。,数据输入,使能端,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,D,Y0,Y1,Y2,Y3,S,数据输出端,确定芯片是否工作,,,,数据分配器的功能表,Y3Y2Y1Y0,001,例用集成3/8线译码器构成1路8路分配器,0,20.12应用举例,20.12.1交通信号灯故障检测电路,交通信号灯在正常情况下，红灯R亮停车，,黄灯Y亮准备，绿灯G亮通行。正常时，只有一个灯亮。如果灯全不亮或全亮或两个灯同时亮，都是故障。,解,灯亮“1”表示，灯灭“0”表示，,故障“1”表示，正常“0”表示，,输入信号三个，输出信号一个,动画,1列逻辑状态表,2写出逻辑表达式,3化简可得,为减少所用门数,将上式变换为,4画逻辑图,发生故障时，F1，晶体管导通,继电器KA通电，其触点闭合,故障指示灯亮。,数值比较器,在数字和计算机系统中，经常需要比较两个数的大小。能实现两数比较功能的逻辑电路，称为数值比较器。,一、1位数值比较器,真值表,逻辑表达式,Y2,逻辑图,