第三章组合逻辑电路

第三章组合逻辑电路基本知识点*组合逻辑电路的特点*组合逻辑电路功能的表示方法及相互转换*组合逻辑电路的分析方法和设计方法*常用集成组合逻辑电路的逻辑功能、使用方法和应用举例*组合逻辑电路中的竞争–冒险现象及消除竞争–冒险现象的常用方法3.1概述在数字电路中根据逻辑功能的不同特点，可将其分为两大类：一类是组合逻辑电路，另一类是时序逻辑电路。

组合逻辑电路在逻辑功能上的共同特点是：任意时刻的输出状态仅取决于该时刻的输入状态，与电路原来的状态无关。

在电路结构上的特点是：它是由各种门电路组成的，而且只有从输入到输出的通路，没有从输出到输入的反馈回路。

由于组合逻辑电路的输出状态与电路的原来状态无关，所以组合逻辑电路是一种无记忆功能的电路。

由此可知第二章中介绍的各种门电路都属于组合逻辑电路。

描述一个组合逻辑电路逻辑功能的方法很多，通常有：逻辑函数表达式、真值表、逻辑图、卡诺图、波形图五种。

它们各有特点，又相互联系，还可以相互转换。

3. 2逻辑功能各种表示方法的特点及其相互转换一、逻辑功能各种表示方法的特点1、逻辑函数表达式逻辑表达式是用与、或、非等基本运算来表示输入变量和输出函数因果关系的逻辑代数式。

其特点是形式简单、书写方便，便于进行运算和转换。

但表达式形式不唯一。

2、真值表真值表是根据给定的逻辑问题，把输入变量的各种取值的组合和对应的输出函数值排列成表格。

其特点是：直观、明了，可直接看出输入变量与输出函数各种取值之间的一一对应关系。

真值表具有唯一性。

3、逻辑图逻辑图是用若干基本逻辑符号连接成的电路图。

其特点是：与实际使用的器件有着对应关系，比较接近于实际的电路，但它只反映电路的逻辑功能而不反映电气参数和性能。

同一种逻辑功能可以用多种逻辑图实现，它不具备唯一性。

4、卡诺图卡诺图是按相邻性原则排列的最小项的方格图。

它实际上是真值表的特定的图示形式。

其特点是在化简逻辑函数时比较直观容易掌握。

卡诺图具有唯一性，但化简后的逻辑表达式不是唯一的。

第3章组合逻辑电路3.1 组合逻辑电路的概述按照逻辑功能的不同特点，可以把数字电路分成两大类，一类叫做组合逻辑电路，另一类叫做时序逻辑电路。

什么叫组合逻辑电路呢？在t=a时刻有输入X1、X2、……Zn，那么在t=a时刻就有输出Z1、Z2、……Zm，每个输出都是输入X1、X2、……Zn的函数，Z1=f1（X1、X2、……Xn）Z1=f2（X1、X2、……Xn）Zm=fm（X1、X2、……Xn）从以上概念可以知道组合逻辑电路的特点就是即刻输入，即刻输出。

任何组合逻辑电路可由表达式、真值表、逻辑图和卡诺图等四种方法中的任一种来表示其逻辑功能。

3.2 组合逻辑电路的分析方法和设计方法3.2.1组合逻辑电路的分析方法分析组合逻辑电路的目的，就是要找出电路输入和输出之间的逻辑关系，分析步骤如下：（1）根据已知的逻辑电路，写出逻辑函数表达式（采用逐级写出逻辑函数表达式），最后写出该电路的输出与输入的逻辑表达式。

（2）首先对写出的逻辑函数表达式进行化简，一般系用公式法或卡诺图法。

（3）列出真值表进行逻辑功能的分析。

以上步骤可用框图表示，如图3-2所示。

图3-2 组合逻辑电路分析框图下面举例说明对组合逻辑电路的分析，掌握其基本思路及方法。

【例3-1】 分析图3-3所示电路的逻辑功能图3-3 [例3-1]逻辑电路解：（1）写出输出Z 的逻辑表达式： Z1=B A ， Z2=B AZ=21Z Z •=B A B A • （2）化简Z=B A B A •=A B +A B=A ⊕B （3）列出真值表进行逻辑功能说明 列出该函数真值表，如表3.1所示： 表3-1 [例3-1]真值表 A B Z 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 13.2.2组合逻辑电路的设计方法组合逻辑电路的设计步骤与分析步骤相反，设计任务就是根据逻辑功能的要求设计逻辑电路，其步骤如下：（1）首先对命题要求的逻辑功能进行分析，确定哪些是输入变量，哪些为输出函数，以及它们之间的相互逻辑关系，并对它们进行逻辑赋值。

复习思考题3-1 组合逻辑电路的特点？ 从电路结构上看，组合电路只由逻辑门组成，不包含记忆元件，输出和输入之间无反馈。

任意时刻的输出仅仅取决于该时刻的输入，而与电路原来的状态无关，即无记忆功能。

3-2 什么是半加？什么是全加？区别是什么？若不考虑有来自低位的进位将两个1位二进制数相加，称为半加。

两个同位的加数和来自低位的进位三者相加，称为全加。

半加是两个1位二进制数相加，全加是三个1位二进制数相加。

3-3 编码器与译码器的工作特点？ 编码器的工作特点：将输入的信号编成一个对应的二进制代码，某一时刻只能给一个信号编码。

译码器的工作特点：是编码器的逆操作，将每个输入的二进制代码译成对应的输出电平。

3-4 用中规模组合电路实现组合逻辑函数是应注意什么问题？中规模组合电路的输入与输出信号之间的关系已经被固化在芯片中，不能更改，因此用中规模组合电路实现组合逻辑函数时要对所用的中规模组合电路的产品功能十分熟悉，才能合理地使用。

3-5 什么是竞争-冒险？产生竞争-冒险的原因是什么？如何消除竞争-冒险？在组合逻辑电路中，当输入信号改变状态时，输出端可能出现虚假信号----过渡干扰脉冲的现象，叫做竞争冒险。

门电路的输入只要有两个信号同时向相反方向变化，这两个信号经过的路径不同，到达输入端的时间有差异，其输出端就可能出现干扰脉冲。

消除竞争-冒险的方法有：接入滤波电容、引入选通脉冲、修改逻辑设计。

习 题3-1试分析图3.55所示各组合逻辑电路的逻辑功能。

解： (a)图 (1) 由逻辑图逐级写出表达式：)()(D C B A Y ⊕⊕⊕=(2) 化简与变换：令DC Y B A Y ⊕=⊕=21则 21Y Y Y ⊕=(4)分析逻辑功能：由真值表可知，该电路所能完成的逻辑功能是：判断四个输入端输入1的情况，当输入奇数个1时，输出为1，否则输出为0。

(b)图 (1) 由逻辑图逐级写出表达式：B A B A Y ⊕⊕⊕=(2) 化简与变换：Y=1 由此可见，无论输入是什么状态，输出均为13-2 试分析图3.56所示各组合逻辑电路的逻辑功能，写出函数表达式。

第三章组合逻辑电路一、概述1、概念逻辑电路分为两大类：组合逻辑电路和时序逻辑电路数字逻辑电路中，当其任意时刻稳定输出仅取决于该时刻的输入变量的取值，而与过去的输出状态无关，则称该电路为组合逻辑电路，简称组合电路2、组合逻辑电路的方框图和特点（1）方框图和输出函数表达式P63输出变量只与当前输入变量有关，无输出端到输入端的信号反馈网络，即组合电路无记忆性，上一次输出不对下一次输出造成影响3、组合逻辑电路逻辑功能表示方法有输出函数表达式、逻辑电路图、真值表、卡诺图4、组合逻辑电路的分类（1）按功能分类常用的有加法器、比较器、编码器、译码器等（2）按门电路类型分类有TTL、CMOS（3）按集成度分类小、中、大、超大规模集成电路二、组合逻辑电路的分析方法 由电路图---电路功能 1、分析步骤（1）分析输入输出变量、写出逻辑表达式 （2）化简逻辑表达式 （3）列出真值表（4）根据真值表说明逻辑电路的功能 例：分析下图逻辑功能第一步：Y=A ⊕B ⊕C ⊕D 第二步： 第三步：A B C D Y 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 10 0 0 1=1=1=1CDY1 0 0 1 01 0 1 0 01 0 1 1 11 1 0 0 01 1 0 1 11 1 1 0 11 1 1 1 0第四步：即0和1出现的个数不为偶则输出1，奇偶个数的检验器三、组合逻辑电路的设计方法1、概念根据要求，最终画出组合逻辑电路图，称为设计2、步骤（1）确定输入输出变量个数（2）输入输出变量的状态与逻辑0或1对应（3）列真值表（4）根据真值表写出输出变量的逻辑表达式（5）对逻辑表达式化简，写出最简逻辑表达式（6）根据逻辑表达式，画出逻辑电路图例：三部雷达A、B、C, 雷达A、B的功率相等，雷达C是它们的两倍，发电机X最大输出功率等于A的功率，发电机Y输出功率等于A与C的功率之和，设计一个组合逻辑电路，根据雷达启停信号以最省电的方式开关发电机第一步：输入变量3个，输出变量2个第二步：雷达启动为1、发电机发电状态为1第三步：A B C X Y0 0 0 0 00 0 1 0 10 1 0 1 00 1 1 0 11 0 0 1 01 0 1 0 11 1 0 0 11 1 1 1 1第四步：卡诺图化简第五步：写逻辑表达式第六步：画逻辑电路图四、常用中规模标准组合模块电路一些常用的组合逻辑电路，如编码器、译码器、加法器等制成中规模电路，称为中规模标准组合模块电路1、半加器进行两个1位二进制数相加的加法电路称为半加器，如图3-11所示真值表如下：A B S C0 0 0 00 1 1 01 0 1 01 1 0 1根据真值表，写出逻辑表达式如下：S=AB+AB=A⊕BC=AB2、全加器即带低位上产生的进位的加法器真值表如下：A iB iC i-1S i C i0 0 0 0 00 0 1 1 00 1 0 1 00 1 1 0 11 0 0 1 01 0 1 0 11 1 0 0 11 1 1 1 1根据真值表，卡诺图化简后写出逻辑表达式如下：S i=A i⊕B i⊕C i-1C i=A i B i+C i-1(A i⊕B i)（为便于实现）根据逻辑表达式，画出电路图如图3-13所示3、加法器可以实现多位二进制数加法的电路（1）串行进位加法器低位全加器的进位输出端连到高位全加器的进位输入端，如图3-3所示（2）超前进位加法器C i=A i B i+C i-1(A i⊕B i)= A i B i+C i-1(A i B i+ A i B i）= A i B i C i-1+A i B i C i-1 +A i B i C i-1+ A i B i C i-1=A i B i+ B i C i-1+ A i C i-1= A i B i+C i-1（A i+B i）令P i=A i+B i，称P i为第i位的进位传输项，令G i=A i B i,称G i 为第i位的进位产生项，则第0位的进位为C0=G0+P0C-1,第1位的进位为C1=G1+P1 C0, C0带入C1，消去C0，得C1=G1+P1（G0+P0 C-1），同理，得C2= G2+P2（G1+ P1（G0+P0 C-1）），，C3= G3+ P3（G2+ P2（G1+P1（G0+P0 C-1））），即知道相加的二进制数的各位和最低位进位就可以超前确定进位，提高了速度，如图3-4所示4、乘法器完成两个二进制乘法运算的电路（1）乘法器P85（2）并行乘法器P855、数值比较器比较二进制数大小，输入信号是要比较的数，输出为比较结果（1）1位数值比较器A B M G L0 0 0 1 00 1 1 0 01 0 0 0 11 1 0 1 0M=ABG=AB+AB= AB+AB（便于逻辑实现）L=AB逻辑电路图如图3-5所示（2）4位数值比较器多位二进制数比较大小，先看最高位情况，如相等再看次高位情况，以此类推4位比较器为例，8个输入端（A3A2A1A0，B3B2B1B0），三个输出端（L，G，M）A>B，则A3>B3，或A3=B3且A2>B2，或A3=B3，A2=B2，A1>B1，或A3=B3，A2=B2，A1=B1，A0>B0设定AB的第i位比较结果为L i=A i B i，G i=A i B i+A i B i，M i=A i B i，则L=L3+G3L2+G3G2L1+G3G2G1L0同理, A=B 时，G=G3G2G1G0，A<B时，M=M3+G3M2+G3G2M1+G3G2G1M0,因A不大于也不等于B时即小于B，故M=LG=L+G（便于逻辑实现）逻辑电路图如P87图3-18所示（3）集成数值比较器4位数值比较器封装在芯片中，构成4位集成数值比较器，74ls85真值表如图3-6所示考虑到级联，增加了级联输入端（更低位的比较结果），级联时，如构成8位数值比较器，低四位比较结果为高四位数值比较器的级联输入端，而低四位的级联输入端应结为相等的情况（010），74ls85级联如图3-7所示cc14585真值表如图3-8所示，cc14585级联如图3-9所示6、编码器将输入信号用二进制编码形式输出的器件，若有N个输入信号，假设最少输出编码位数为m位，则2m-1<N<2m（1）二进制编码器以2位输出编码为例输入输出I0I1I2I3Y1Y01 0 0 0 0 00 1 0 0 0 10 0 1 0 1 00 0 0 1 1 1故Y1=I2+I3，Y0=I1+I3逻辑电路图如P89图3-22所示但当不止一个输入端有编码要求时该电路不能解决问题（2）二进制优先编码器3位二进制优先编码器为例8个输入端为I0~I7，输出端为Y2~Y1,假设I7的编码优先级最高，则对应真值表为：输入输出I0I1I2I3I4I5I6I7Y2Y1Y0×××××××0 0 0 0 ××××××0 1 0 0 1 ×××××0 110 1 0 ××××0 1110 1 1 ×××0 1111 1 0 0 ××0 11111 1 0 1 ×0 111111 1 1 0 0 1111111 1 1 1 “×”为任意值根据真值表，列出逻辑表达式如P90所示，逻辑图过于麻烦，略以上为低电平有效的情况，高电平有效真值表如图3-10所示，得A2=I4+I5+I6+I7,A1=I2+I3+I6+I7，A0=I1+I3+I5+I7, 逻辑图便于实现（3）8线-3线编码器74ls148编码器图形符号如图3-11所示，真值表如图3-12所示74ls148编码器级联，注意控制信号线的连接，级联图如图3-13所示选通信号有效，当高位芯片输入不全为1时，选通输出端为1，低位芯片不工作且二进制反码输出端为1，与门受高位芯片二进制反码输出端影响，扩展输出端为0，作为A3，根据输入情况不同，得编码0000~0111；选通信号有效，当高位芯片输入全为1时，高位芯片不工作，选通输出信号为0，低位芯片工作，高位芯片扩展输出端为1，作为A3，高位芯片二进制反码输出端全1，与门受低位芯片二进制反码输出端影响，根据输入情况不同，得编码1000~1111，即实现16线-4线编码器功能（4）9线-4线编码器74ls147编码器图形符号、真值表如图3-14所示注意，其输出对应十进制数的8421BCD码的反码（5）码组变换器将输入的一种编码转换为另一种编码的电路参见P92例3-5原理：加0011和加1011的原因7、译码器译码是编码的逆过程，将二进制代码转换成相应十进制数输出的电路（1）3线-8线译码器真值表如图3-15所示逻辑表达式如下：Y0=CBA、Y1=CBA……Y6=CBA、Y7=CBA（2）集成3线-8线译码器74LS138译码器符号如图3-16所示，真值表如图3-17所示注意三个选通信号，在级联时的作用，级联如图3-18所示74LS138译码器典型应用如图3-19所示（3）集成4线-10线译码器74LS42符号如图3-20所示，真值表如图3-21所示逻辑表达式如图3-22所示（4）显示译码器是用来驱动显示器件的译码器（A）LED数码管电能---光能（发光二极管构成）具有共阴极和共阳极两种接法，如图3-23所示，注意非公共端连接高电平或低电平时要串接限流电阻（B）显示译码器74LS47（驱动LED为共阳极接法的电路，驱动共阴极要用74LS48）引脚图如图3-24所示，真值表如图3-25所示要具有一定的带灌电流负载能力才能驱动LED相应段发光，显示效果如P99图3-35所示附加控制端用于扩展电路功能：灯测试输入LT：全亮灭零输入RBI：将不需要的“0”不显示以使得要显示的数据更醒目灭灯输入\灭零输入BI\RBO:作为输入使用，一旦为0则灯灭。