卡诺图化简
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卡诺图化简法卡诺图化简法又称为图形化简法。
该方法简单、直观、容易掌握,因而在逻辑设计中得到广泛应用。
一卡诺图的构成卡诺图是一种平面方格图,每个小方格代表一个最小项,故又称为最小项方格图。
1.结构特点卡诺图中最小项的排列方案不是唯一的,图2.5(a)、(b)、(c)、(d)分别为2变量、3变量、4变量、5变量卡诺图的一种排列方案。
图中,变量的坐标值应0表示相变量的反变量,1表示相应变量的原变量。
各小方格依变量顺序取坐标值,所得二进制数对应的十进制数即相应最小项的下标i。
在五变量卡诺图中,为了方便省略了符号“m”,直接标出m的下标i。
图2. 5 2~5变量卡诺图从图2.5所示的各卡诺图可以看出,卡诺图上变量的排列规律使最小项的相邻关系能在图形上清晰地反映出来。
具体地说,在n个变量的卡诺图中,能从图形上直观、方便地找到每个最小项的n个相邻最小项。
以四变量卡诺图为例,图中每个最小项应有4个相邻最小项,如m5的4个相邻最小项分别是m1,m4,m7,m13,这4个最小项对应的小方格与m5对应的小方格分别相连,也就是说在几何位置上是相邻的,这种相邻称为几何相邻。
而m2则不完全相同,它的4个相邻最小项除了与之几何相邻的m3和m6之外,另外两个是处在“相对”位置的m0(同一列的两端)和m10(同一行的两端)。
这种相邻似乎不太直观,但只要把这个图的上、下边缘连接,卷成圆筒状,便可看出m0和m2在几何位置上是相邻的。
同样,把图的左、右边缘连接,便可使m2和m10相邻。
通常把这种相邻称为相对相邻。
除此之外,还有“相重”位置的最小项相邻,如五变量卡诺图中的m3,除了几何相邻的m1,m2,m7和相对相邻的m11外,还与m19相邻。
对于这种情形,可以把卡诺图左边的矩形重叠到右边矩形之上来看,凡上下重叠的最小项相邻,这种相邻称为重叠相邻。
归纳起来,卡诺图在构造上具有以下两个特点:☆ n个变量的卡诺图由2n个小方格组成,每个小方格代表一个最小项;☆ 卡诺图上处在相邻、相对、相重位置的小方格所代表的最小项为相邻最小项。
卡诺图化简一.画法卡诺图中变量组合采用格雷码排列,具有很强的相邻性。
0110m AB m AB1m 03m AB AB2(a)0132B (b)B A0101A0m ABC m ABC 1m 3m ABC ABC 265m ABC74ABCm m m ABCABC 0(a)(b)132457610011100BC A01BC A 1001110001m 0ABCD ABCD m 1ABCD m 3m ABCD 2m 567m m ABCD ABCD m ABCD 4ABCD ABCD m m 13ABCDABCD 1412m 15m ABCDABCDABCDm ABCD8m 1011m 9m ABCD 0132765413141512981110ABCD0000010*******10(a)(b)ABCD 0000010111111010二.步骤1.逻辑函数化为最小项表达式;写出最小项之和的形式、标准与或式2.根据变量的个数画出相应的卡诺图。
3.画卡诺圈并检查;填卡诺图(Y中包含的最小项填1),画包围圈(2n个相邻方格组,n=1,2,…4.将各卡诺圈合并为与项;各包围圈合并为一个与项(消去形式不同的变量,保留形式相同的变量5.将所有与项相加写出最简与或表达式合并后的各与项相加即为化简的逻辑函数三.注意:1.卡诺圈的面积要尽可能大,这样消去的变量就多,可保证与项中变量最少。
2.卡诺圈的个数要尽可能少,每个卡诺圈合并后代表一个与项,这样可保证与项最少。
3.每个卡诺圈内方格数为2n(n=0,1,2…),根据“去异留同”的原理将这2n个相邻的最小项结合,可以消去n个共有并且互补的变量而合并为一项。
4. 卡诺图中所有取值为1的方格均要被圈过,不能漏下。
5.取值为1的同一方格可被不同卡诺圈重复包围,但新增卡诺圈要有新方格。
6. 相邻方格包括上下相邻、左右相邻、四角相邻(注意对角不相邻)。
综上所述,画卡诺圈时应遵循先画大圈后画小圈的顺序,同时要保证圈内方格数为2n且不能漏下任何1方格。
画卡诺圈完成后,不要着急写出化简后的逻辑表达式,应重点检查卡诺圈是否兼顾了卡诺图循环邻接的特性以及每个卡诺圈是否多余,这点在利用卡诺图进行逻辑函数化简时显得尤为重要。
(1)画包围圈的原则❶圈内方格数n2个,n=0,1,2,…❷相邻方格包括上下底相邻、左右边相邻和四角相邻。
(2个对角不相邻)❸取值为1的方格可被不同包围圈重复包围,但新包围圈中至少要含有1个末被圈过的1方格。
❹圈的面积要尽可能大,个数尽量少。
(2)画完卡诺图后检查有无多余的卡诺圈。
(3)无关项在真值表和卡诺图中的对应位置上填入×(或 ),可为1也为0。
(4)求反函数圈0.四.应用1.具有无关项逻辑函数的化简无关项在真值表和卡诺图中的对应位置上填入×(或∅),可为1也为0。
带有无关项的逻辑函数的最小项表达式为:Y =∑m ( )+∑d ( )2.利用卡诺图求反函数的最简表达式(1)求Y 的最小项表达式; (2)画Y 的卡诺图; (3)圈0并写出与项。
(4)与项相加即为逻辑函数的最简反函数Y 。
例题:例1、在卡诺图中画出逻辑函数∑=)15,14,13,9,7,5,4,3(m Y 的卡诺圈。
解:按照画卡诺圈的原则依次画出如下的卡诺圈:Y 1、Y 2、Y 3、Y 4、Y 5(图2-5-8),如不进行卡诺圈检查则可以立即写出化简后的逻辑表达式Y=Y 1+Y 2+Y 3+Y 4+Y 5经检查最先画的卡诺圈Y 1中的4个方格已经分别被卡诺圈Y 2、Y 3、Y 4、Y 5重复包围,Y 1中没有新方格,因此为多余的卡诺圈。
正确的逻辑表达式应为Y= Y 2+Y 3+Y 4+Y 5例2 用卡诺图化简逻辑函数∑=)14,12,11,9,7,6,5,4,3,1(m Y 。
解:(1)由表达式画出卡诺图,如图2-5-9所示:(2)画卡诺圈合并与项并相加,得最简的与或表达式。
D B D B B A Y ++=例3 用卡诺图化简逻辑函数∑=)12,10,8,7,5,4,3,2,1,0(m Y 。
解:(1)由表达式画出卡诺图,如图2-5-10所示:(2)画卡诺圈合并最小项,得最简的与-或表达式。
D C D B B A D A Y +++=例4 用卡诺图化简逻辑函数∑=)15,13,12,11,10,9,8,7,5,4,3,2,1,0(m Y 。
解:(1)由表达式画出卡诺图,如图2-5-11所示:(2)画卡诺圈合并与项并相加,得最简的与或表达式。
D C B Y ++=例5 用卡诺图化简逻辑函数∑=)12,10,8,7,6,3,2(m Y解:方法一(1)由表达式画出卡诺图,如图2-5-12所示:(2)画卡诺圈合并与项并相加,得最简的与或表达式。
D C B D C A C A Y ++=方法二(1)由表达式画出卡诺图,如图2-5-13所示:(2)画卡诺圈合并与项并相加,得最简的与或表达式。
AC=AY++DCBDA通过【例5】可以看出,同一个逻辑函数,化简的结果有时不是唯一的。
两个结果虽然形式不同,但与项数及各个与项中变量的个数都是相同的,因此两个结果都是最简与或式。
我们可以用代数公式法或通过对比两个逻辑函数的真值表来证明两个函数相等,证明过程请读者自行进行,本书不再赘述。
【例6】某品牌家用油烟机有三个指示灯白、黄、红分别代表电机的低速、中速和高速运行,试分析电机中速运行与三色信号灯之间逻辑关系。
解:设白、黄、红灯分别用A、B、C表示,且灯亮为1,灯灭为0。
电机中速运行用Y表示,Y=1表示电机中速运行,Y=0表示电机非中速运行。
列出该函数的真值表如表2-5-2所示。
表2-5-2 【例2-25】真值表显而易见,在这个函数中,有5个最小项是不会出现的,如C B A (三个灯都不亮)、ABC (三个灯同时亮)等。
因为一个正常油烟机指示系统不可能出现这些情况即逻辑值任意。
【例6】已知逻辑函数D BC A D C B A D C A D C A Y +++=,约束条件为0=+CD BD A ,求最简的逻辑表达式。
解:(1)将逻辑函数和约束条件转移到一个卡诺图中,画卡诺圈,如图2-5-15所示。
图2-5-15 【例2-26】卡诺图(2)写出最简与或表达式。
D B A C A Y ++= 0=+CD BD A (约束条件)例1 用卡诺图表示逻辑函数ABC C AB C B A BC A Y +++= 解:(1)该函数为三变量,且为最小项表达式,写成简化形式为 7653m m m m Y+++=(2)画出三变量卡诺图,如图2-5-4所示(3)将最小项填入卡诺图。
有最小项的方格填入1,没有最小项的方格填入0,也可不填。
0 0 0 1 1 1 1 0图2-5-4 例15卡诺图例2 用卡诺图表示逻辑函数BC A D C B B A Y ++= 解:(1)画四变量卡诺图,如图所示。
(2)将逻辑函数变为最小项表达式)13,11,10,9,8,7,6,5( )()())((∑=++++++=m D D BC A A A D C B D D C C B A Y(3)将最小项填入卡诺图。
有最小项的的方格填入1,没有最小项的方格填入0,也可不填。
例3 用卡诺图表示D C B B A Y += 解:(1)画出四变量卡诺图,如图所示(2)此逻辑函数由2个与项组成,B A 与项中的变量都在卡诺图的左侧,它所代表的最小项对应的为“1 0”那一行的4个最小项如图(a )所示;D C B 与项中的B 变量在卡诺图左侧,D C 变量在卡诺图上方,则此项所代表的最小项为“0 1”和“1 1”两行与“0 1”列交叉的两个最小项如图(b )所示。
(3)将有最小项的方格填入1,无最小项方格中填入0,也可不填如图(c )所示。
(a ) (b )(c )例4 某函数的真值表如表所示,用卡诺图表示该函数。
真值表解:(1)画三变量卡诺图,如图所示(2)根据真值表填卡诺图。
将Y为1对应的最小项直接填入卡诺图相应的方格。
例5 用卡诺图化简逻辑函数∑Y=),9,7,6,4,1(m15解:(1)由表达式画出卡诺图,如图所示:(2)画包围圈合并最小项,得最简的与-或表达式。
BY++=DCBDABCD例6 某逻辑函数的真值表如表所示,用卡诺图化简该逻辑函数。
真值表解:方法一(1)由真值表画出卡诺图,如图(a)所示:(a)(b)(2)画包围圈,合并最小项得:+Y+=AABCCB方法二(1)由真值表画出卡诺图,如图(b)所示:(2)画包围圈,合并最小项得:Y++=AACBCB。