实验四 组合逻辑电路设计
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实验四 组合逻辑电路设计
一、实验目的
1、掌握组合逻辑电路的设计方法。
2、掌握实现组合逻辑电路的连接和调试方法。
3、通过功能验证锻炼解决实际问题的能力。
二、实验任务
1、用基本门电路设计一个四变量的多数表决电路。
2、设计一个车间开工启动控制电路。
3、设计一个加减器。
4、试设计一个8421BCD码的检码电路。
5、用Multisim8进行仿真，并在实验仪器上实现。
三、实验原理
组合逻辑电路是数字系统中逻辑电路形式的一种，它的特点是：电路任何时刻的输出状态只取决于该时刻输入信号（变量）的组合，而与电路的历史状态无关。组合逻辑电路的设计是在给定问题（逻辑命题）情况下，通过逻辑设计过程，选择合适的标准器件，搭接成实验给定问题（逻辑命题）功能的逻辑电路。
通常，设计组合逻辑电路按下述步骤进行。其流程图如。
（1）列真值表。设计的要求一般是用文字来描述的。设计者很难由文字描述的逻辑命题直接写出逻辑函数表达式。由于真值表在四种逻辑函数表示方法中，表示逻辑功能最为直观，故设计的第一步为列真值表。首先，对命题的因果关系进行分析，“因”为输入，“果”为输出，即“因”为逻辑变量，“果”为逻辑函数。其次，对逻辑变量赋值，即用逻辑0和逻辑1分别表示两种不同状态。最后，对命题的逻辑关系进行分析，确定有几个输入，几个输出，按逻辑关系列出真值表。
（2）由真值表写出逻辑函数表达式。
（3）对逻辑函数进行化简。若由真值表写出的逻辑函数表达式不最简，应利用公式法或卡诺图法进行逻辑函数化简，得出最简式。如果对所用器件有要求，还需将最简式转换成相应的形式。
（4）按最简式画出逻辑电路图。
图3.4.1 组合逻辑电路设计流程图 设计要求
真值表
卡诺图 逻辑表达式
简化的逻辑表达式
逻辑图 通常情况下的逻辑设计都是在理想情况下进行的，但是由于半导体参数的离散性以及电路存在过渡过程，造成信号在传输过程中通过传输线或器件都需要一个响应时间——延迟。所以，在理想情况下设计出的电路有时在实际应用中会出现一些错误，这就是组合逻辑电路中的竞争与冒险，应在逻辑设计中要特别注意的。当设计出一个组合逻辑电路后，首先应进行静态测试，也即先按真值表依次改变输入变量，测得相应的输出逻辑值，检验逻辑功能是否正确。然后再进行动态测试，观察有否存在竞争冒险。对于不影响电路功能的冒险可以不必消除，而对于影响电路工作的冒险，在分析属于何种类型冒险后，设法给于消除。
总之，组合逻辑电路设计的最佳方案，应是在级数允许的条件下，使用器件少，电路简单，而且随着科学技术的发展，各种规模的集成电路不断出现，给逻辑设计提供了多种可能的条件，所以在设计中应在条件许可和满足经济效益的前提下尽可能采用性能好的器件。
例1：设计一个三变量的多数表决电路。执行的功能是：少数服从多数，多数赞成时决议生效。用与非门实现。
解：（1）逻辑设计
在这个逻辑问题中，设A、B、C为输入变量，分别代表参加表决的逻辑变量，变量为1表示赞成，为0表示反对；设Y为输出变量，表示表决结果，为1表示通过，为0表示不通过。列出真值表如表3.4.2。
图 3.4.2 三人表决电路图
根据真值表3.4.1写出Y的与或表达式，即：BCABACY
实验仅提供与非门，如实现上述逻辑，则必须化简为“与非”的形式，即：BCABACY
（2）拟订实验线路并进行验证
画出接线图如图3.4.1。输入端A、B、C分别接三个逻辑开关，输出端Y接逻辑电平指示灯。将测试结果与真值表3.4.1对照验证。
例2：某工厂有A、B、C三个车间，各需电力10千瓦，由变电所的X、Y两台变压器供电。其中X变压器的功率为13千伏安，Y变压器的功率为25千伏安。为合理供电，需设计一个送电控制电路。使控制电路的输出接继电器线圈。送电时线圈通电；不送电时线圈不通电。提供“异或”门（74LS86）、“与非”门（74LS00）、“与或非”门（74LS54）各一片。完成设计电路，并标出集成电路型号及相应的管脚号。
解：根据命题的因果关系可以确定A、B、C为输入变量，X、Y为输出逻辑函数。现赋值如下：工作用1表示，不工作用0表示；送电用1表示，不送电用0表示。三个车间的工作情况及变压器是否供电，列入表3.4.2中。经公式变换和化简得： 输入 输出
A B C Y
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1 0
0
0
1
0
1
1
1 表3.4.1 三变量表决电路真值表
&
&
& & A
B
C CBABCCBACBCBAABCCBACBACBAX
ACBCABACBCABY
画出接线图如图3.4.3。输入端A、B、C分别接三个逻辑开关，输出端X和Y接逻辑电
平指示灯。将测试结果与真值表3.4.1对照验证。
图 3.4.3 逻辑图
四、实验仪器与器材
1、THD-4型数字电路实验箱
2、GOS-620示波器
3、器材：74LS00 四-2输入与非门
74LS54 四-2-3-3-2输入与或非门
74LS86 四-2输入异或门
五、实验内容与步骤
1、设计一个四变量的多数表决电路。当输入变量A、B、C、D有三个或三个以上为1时，输出Y为1；否则为0。提供“异或”门（74LS86）、“与非”门（74LS00）、“与或非”门（74LS54）各一片。画出逻辑图。用Multisim8进行仿真，分析仿真结果。在实验仪器上进行验证。
2、某工厂有三个车间A、B、C，有一个自备电站，站内有二台发电机M和N，N的发电能力是M的两倍，如果一个车间开工，启动M就可以满足要求；如果两个车间开工，启动N就可以满足要求；如果三个车间同时开工，同时启动M、N才能满足要求。试用异或门和与非门设计一个控制电路，因车间开工情况来控制M和N的启动。画出逻辑图。用Multisim8进行仿真，分析仿真结果。在实验仪器上进行验证。
3、设计一个加减器。即在附加变量M控制下，既能做加法运算又能做减法运算。操作数为两个一位二进制数与低位的进位/借位。用异或门、与非门和与或非门实现。画出逻辑图。用Multisim8进行仿真，分析仿真结果。在实验仪器上进行验证。
4、试设计一个8421BCD码的检码电路。要求当输入变量ABCD≤2，或≥7时，电路输出Y为高电平，否则为低电平。用异或门、与非门和与或非门实现。画出逻辑图。用Multisim8进行仿真，分析仿真结果。在实验仪器上进行验证。
六、实验报告要求
1、列写实验任务的设计过程，画出设计的逻辑电路图，并注明所用集成电路的引脚号。
2、拟定记录测量结果的表格。
3、总结用小规模数字集成电路设计组合电路的方法。 输入 输出
A B C Y
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1 0
0
0
1
0
1
1
1 表3.4.2 控制电路真值表 =1
=1
& A
B
C
Y & ≥1 X 74LS86
74LS86
74LS54 74LS00 6
3 6 1
2 3 1
2
1
2
3
4
9
114
5 七、实验预习要求
1、复习组合逻辑电路的设计方法。
2、熟悉本实验所用各种集成电路的型号及引脚号。
3、根据实验内容所给定的设计命题要求，按设计步骤写出真值表、输出函数表达式、卡诺图化简过程。并按指定逻辑写出表达式。
4、根据实验要求画出标有集成电路的型号及引脚号的逻辑电路图。
