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门电路及组合逻辑电路电子教案第一章：数字电路基础1.1 数字电路概述数字电路的定义数字电路的特点数字电路的应用领域1.2 数字电路的基本概念逻辑值和逻辑运算逻辑门和逻辑函数逻辑函数的表示方法1.3 数字电路的分类组合逻辑电路时序逻辑电路混合逻辑电路第二章：门电路2.1 基本门电路与门（AND gate）或门（OR gate）非门（NOT gate）2.2 复合门电路与非门（AND-NOR gate）或非门（OR-NAND gate）与或门（AND-OR gate）或与门（OR-AND gate）2.3 门电路的应用逻辑门电路的设计方法门电路在数字系统中的应用实例第三章：组合逻辑电路3.1 组合逻辑电路概述组合逻辑电路的定义组合逻辑电路的特点组合逻辑电路的应用领域3.2 组合逻辑电路的分析和设计方法组合逻辑电路的分析方法组合逻辑电路的设计方法3.3 常见的组合逻辑电路加法器（Adder）减法器（Subtractor）多路选择器（Multiplexer）编码器（Enr）译码器（Der）第四章：逻辑函数和逻辑门的关系4.1 逻辑函数的定义和表示方法逻辑函数的定义逻辑函数的表示方法4.2 逻辑函数的性质和运算规则逻辑函数的性质逻辑函数的运算规则4.3 逻辑函数的化简方法逻辑函数化简的意义常用的逻辑函数化简方法第五章：组合逻辑电路的设计实例5.1 组合逻辑电路设计实例一：4位加法器设计要求电路原理图逻辑表达式5.2 组合逻辑电路设计实例二：2位乘法器设计要求电路原理图逻辑表达式5.3 组合逻辑电路设计实例三：数字信号处理器设计要求电路原理图逻辑表达式第六章：时序逻辑电路6.1 时序逻辑电路概述时序逻辑电路的定义时序逻辑电路的特点时序逻辑电路的应用领域6.2 触发器（Flip-Flop）基本触发器类型触发器的真值表和时序图触发器的功能描述6.3 计数器（Counter）计数器的定义和分类同步计数器和异步计数器计数器的应用实例第七章：数字电路仿真软件的使用7.1 数字电路仿真软件概述数字电路仿真软件的定义数字电路仿真软件的作用常见数字电路仿真软件介绍7.2 Proteus软件的使用Proteus软件的安装与启动Proteus软件的基本操作Proteus软件在数字电路设计中的应用实例7.3 Multisim软件的使用Multisim软件的安装与启动Multisim软件的基本操作Multisim软件在数字电路设计中的应用实例第八章：数字电路的测试与维护8.1 数字电路测试的目的和意义数字电路测试的定义数字电路测试的目的和意义数字电路测试的分类8.2 数字电路测试方法静态测试方法动态测试方法测试序列的设计方法8.3 数字电路的维护数字电路维护的基本原则数字电路维护的方法和技巧数字电路维护中常见问题及解决方法第九章：数字电路在实际应用中的案例分析9.1 数字电路在通信系统中的应用通信系统的基本原理数字电路在通信系统中的应用实例9.2 数字电路在计算机系统中的应用计算机系统的基本组成数字电路在计算机系统中的应用实例9.3 数字电路在工业控制系统中的应用工业控制系统的基本原理数字电路在工业控制系统中的应用实例第十章：课程总结与拓展学习10.1 课程总结门电路及组合逻辑电路的基本概念数字电路的设计方法与步骤数字电路在实际应用中的案例分析10.2 拓展学习建议数字电路领域的最新研究动态推荐的学习资料和参考书籍实践项目与课程设计的建议重点和难点解析重点环节1：逻辑值和逻辑运算逻辑值是数字电路中的基础，包括逻辑0和逻辑1。
第９章门电路和组合逻辑电路数字电路一般可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。
组合逻辑电路的特点是输出逻辑状态完全由当前输入状态决定。
门电路是组合逻辑电路的基本逻辑本章除介绍门电路外，将对组合逻辑电路的分析和设计方法，译码器、编码器、多路选择器等常用集成电路予以介绍。
９．１分立元件门电路在数字电路中，所谓“门”就是指实现基本逻辑关系的电路。
最基本的逻辑门是与门、或门和非门。
用基本的门电路可以构成复杂的逻辑电路，完成任何逻辑运算功能，这些逻辑电路是构成计算机及其他数字系统的重要基础。
逻辑门可以用电阻、电容、二极管、三极管等分立元件构成，这种门称为分立元件门。
９．１．１基本逻辑门电路１．与门实现与逻辑运算的电路称为与门，如图９－１（ａ）所示。
图９－１（ｂ）所示为与门的逻辑符号。
与门的状态真值表见表９－１。
表９－１与门的真值表２．或门实现或逻辑运算的电路称为或门，如图９－２（ａ）所示。
图９－２（ｂ）所示为或门的逻辑符号。
或门的状态真值表见表９－２。
表９－２或门的真值表３．非门实现非逻辑运算的电路称为非门，如图９－３（ａ）所示。
图９－３（ｂ）所示为非门的逻辑符号。
图９－３三极管非门电路和逻辑符号９．１．２复合逻辑门将与、或、非三种基本逻辑门适当组合可形成几种基本的复合逻辑门，实现这些逻辑关系的集成电路是最基本的逻辑元件。
常见的复合门有：１．与非门与非门电路相当于一个与门和一个非门的组合，可完成以下逻辑表达式的运算其特点是：仅当所有的输入端是高电平时，输出端才是低电平；只要输入端有低电平，输出必为高电平。
或以“有０出１，全１出０”助记。
与非门用图９－４（ａ）所示的逻辑符号表示。
２．或非门或非门电路相当于一个或门和一个非门的组合，可完成以下逻辑表达式的运算其特点是：仅当所有的输入端是低电平时，输出端才是高电平。
只要输入端有高电平，输出必为低电平。
或以“有１出０，全０出１”助记。
或非门用图９－４（ｂ）所示的逻辑符号表示。
３．与或非门可完成以下逻辑表达式的运算与或非门用图９－４（ｃ）所示的逻辑符号表示。
图９－４复合门电路逻辑符号．异或门异或门电路可以完成逻辑异或运算，运算符号用“ 表示。
异或运算逻辑表达式为或Ｆ＝Ａ异或门用图９－４（ｄ）所示的逻辑符号表示，表９－３为异或门的真值表，由此可见：当变量中１的个数为偶数时，运算结果为０；１的个数为奇数时，运算结果为１。
对于二变量输入的异或门，当两输入的值相同时，输出为０；当两输入的值相异时，输出为１。
５．同或门同或门用来完成逻辑同或运算，运算符号是“⊙”。
同或运算的逻辑表达式为Ｆ＝表９－３异或运算真值表或Ｆ＝Ａ⊙Ｂ同或运算的规则正好和异或运算相反，同或门用图９－４（ｅ）所示的逻辑符号表示。
９．２ＴＴＬ集成门电路ＴＴＬ电路是目前双极型数字集成电路中用得最多的一种。
在门电路的定型产品中除了与非门以外，还有与门、或门、非门、或非门和异或门等几种常见的类型。
尽管它们逻辑功能各异，但输入端、输出端的电路结构形式、特性及参数和与非门基本相同，所以本节以ＴＴＬ与非门为例，介绍集成门电路的特性和参数。
９．２．１ＴＴＬ与非门电路ＴＴＬ与非门是一种典型的集成逻辑门电路，它的功能及电路符号同前面介绍的分立元件门电路相同，在实际中应用较多，其输出高电平ＵＯＨ＝３．６Ｖ，输出低电平ＵＯＬ＝０．３Ｖ，即所谓的ＴＴＬ电平。
１．工作原理图９－５是最常用的ＴＴＬ与非门电路及其逻辑符号。
Ｔ１是多发射极晶体管，可把它的集电结看成一个二极管，而把多发射结看成与前者背靠背的几个二极管，如图９－６所示。
从图中看到Ｔ１的作用和前述的二极管与门的作用完全相似。
下面对输入输出的关系做详细分析。
图９－５ＴＴＬ与非门电路及其逻辑符号图９－６ＴＴＬ与非门电路中的多发射极晶体管及其等效电路（１）输入端不全为１的情况当输入端中有一个或几个为０（将在后面的推导中得出约为０．３Ｖ）时，则Ｔ１的基极与０输入端的那个发射极间处于正向偏置而导通，电源通过Ｒ１为Ｔ１提供基极电流。
Ｔ１的基极电平约为１Ｖ（０．３Ｖ加二极管的导通电压０．７Ｖ），它不足以向Ｔ２提供正向基极电流（因为从Ｔ１基极到Ｔ２发射极经过Ｔ１的集电结，即图９－６中Ｂ和Ｃ之间的二极管和Ｔ２的发射结，须约１．４Ｖ才能使它们导通），所以Ｔ２截止，以致Ｔ５也截止。
由于Ｔ２截止，其集电极电平很高，足以使Ｔ３和Ｔ４导通，所以输出端的电平为ＵＦ＝ＵＣＣ－Ｒ２ＩＢ３－ＵＢＥ３－ＵＢＥ４因为ＩＢ３很小，可以忽略不计，电源电压ＵＣＣ＝５Ｖ，故ＵＦ＝（５－０．７－０．７）Ｖ＝３．６Ｖ即输出为１。
并且由于Ｔ５截止，当接负载后，电流是从电源ＵＣＣ经Ｒ４流向每个负载门，这种电流称为拉电流。
（２）输入端全为１的情况当输入端全为１（由上面分析约为３．６Ｖ）时，Ｔ１基极在开始时为４．３Ｖ（３．６Ｖ加二极管的导通电压０．７Ｖ），足以使Ｔ２和Ｔ５导通，此时Ｔ１的基极电压被钳位在ＵＢ１＝ＵＢＣ１＋ＵＢＥ２＋ＵＢＥ５＝（０．７＋０．７＋０．７）Ｖ＝２．１Ｖ因而Ｔ１的发射结反向偏置而截止，于是电源通过Ｒ１和Ｔ１的集电极向Ｔ２提供足够的基极电流，使Ｔ２饱和，同时Ｔ２的发射极电流在Ｒ３上产生的压降又为Ｔ５提供足够的基极电流，使Ｔ５也饱和，所以输出端的电平为ＵＦ＝０．３Ｖ即输出为０。
Ｔ２的集电极电平为ＵＣ２＝ＵＣＥ２＋ＵＢＥ５≈（０．３＋０．７）Ｖ＝１Ｖ这也是Ｔ３的基极电平，所以Ｔ３可以导通。
但Ｔ４截止，因为其基极电位即为Ｔ３的发射极电位，约为０．３Ｖ（１Ｖ－０．７Ｖ＝０．３Ｖ）。
由于Ｔ４截止，当接负载后，Ｔ５的集电极电流全部由外接负载门灌入，这种电流称为灌电流。
由以上分析可知，图９－５所示电路在稳定状态下Ｔ４和Ｔ５总是一个导通一个截止，这就有效地降低了输出级的静态功耗，并提高了驱动负载的能力。
２．主要参数ＴＴＬ与非门有多种系列，参数很多，下面列出几个反映其性能的主要参数，以便于今后使用。
图９－７是ＴＴＬ与非门的电压传输特性，它反映的是输出电压ＵＯ随输入电压ＵＩ变化的关系。
当某一输入端的电压由零逐步增大时，输出电压由高到低的过程（其他输入端接高电平）。
图９－７ＴＴＬ与非门的电压传输特性（１）输出高电平电压ＵＯＨ和输出低电平电压ＵＯＬ当ＵＩ＜０．７Ｖ时，输出电压ＵＯ≈３．６Ｖ，即图中的ＡＢ段。
当０．７Ｖ＜ＵＩ＜１．３Ｖ时，ＵＯ随ＵＩ的增大而线性地减小，即ＢＣ段。
当ＵＩ增至１．４Ｖ左右时，Ｔ５开始导通，输出迅速转为低电平，ＵＯ≈０．３Ｖ，即图中的ＣＤ段。
当ＵＩ＞１．４Ｖ时，保持输出为低电平，即ＤＥ段。
输出高电平电压ＵＯＨ是对应于ＡＢ段的输出电压；输出低电平电压ＵＯＬ是对应于ＤＥ段的输出电压，它是通过实验在额定负载下测出的。
一般通用的ＴＴＬ与非门，其ＵＯＨ≥２．４Ｖ，ＵＯＬ≤０．４Ｖ。
（２）关门电平ＵＯＦＦ输出电平ＵＯ＝０．９ＵＯＨ时的输入电平ＵＩ称为关门电平ＵＯＦＦ，当ＵＩ≤ＵＯＦＦ时，门肯定是“关”的。
它与输入低电平ＵＩＬ之差表征了输入为低电平时的抗干扰能力，称为低电平噪声容限电压，即ＵＮＬ＝ＵＯＦＦ－ＵＩＬ。
（３）开门电平ＵＯＮ在额定负载下，保持输出为低电平ＵＯＬ所需输入的最低输入信号电压ＵＯＮ称为开门电平，ＵＩ≥ＵＯＮ时，门肯定是“开”的。
它与输入高电平ＵＩＨ之差表征了输入为高电平时的抗干扰能力，称为高电平噪声容限电压，即ＵＮＨ＝ＵＩＨ－ＵＯＮ。
图９－７所示曲线上Ｃ点对应的输入电压ＵＴ称为阈值电压或门槛电压，一般为１．４Ｖ。
（４）输入电流当输入高电平时，输入电流ＩＩＨ是由前级门的Ｔ４管流出的，对前级门是一种“拉电流”负载。
当输入低电平时，输入电流ＩＩＬ实际上是流入前级门的Ｔ５管的，对前级门是一种“灌电流”负载。
ＩＩＨ≤５０μＡ，ＩＩＬ≤１．６ｍＡ。
（５）扇出系数ＮＯＮＯ是一个门的输出端能带同类门输入端的个数。
由于ＩＩＨ≤ＩＩＬ，所以ＮＯ主要取决于输出端允许的灌电流大小，一般最大输出灌电流ＩＯＬｍａｘ≥１２．８ｍＡ，因此（６）平均传输延迟时间ｔｐｄ理论上门的输入和输出波形均应为矩形波，但实际波形如图９－８所示。
在开门和关门时均有延迟，其中ｔｐｄ１称为上升延迟时间，ｔｐｄ２称为下降延迟时间，二者的平均值为称为平均传输延迟时间，一般在几十纳秒（ｎｓ）以下。
（７）输入端负载电阻图９－８表示延迟时间的输入输出电压波形在具体使用门电路时，有时需要在输入端与地之间或者输入端与信号的低电平之间接入电阻ＲＰ，如图９－９（ａ）所示。
因为输入电流流过ＲＰ，就必然会在ＲＰ上产生压降而形成输入端电平ｕＩ。
ｕＩ随ＲＰ变化的规律，即输入端负载特性可表示为上式表明，在ＲＰ＜＜Ｒ１的条件下，ｕＩ几乎与ＲＰ成正比，但是当ｕＩ上升到１．４Ｖ以后，Ｔ２和Ｔ５的发射结同时导通，将ｕＢ１钳位在２．１Ｖ左右，所以即使ＲＰ再增大，ｕＩ也不会再升高了。
这时ｕＩ与ＲＰ的关系也就不再是这种关系，特性曲线趋近于ｕＩ＝１．４Ｖ的一条水平线。
输入端负载特性曲线如图９－９（ｂ）图所示。
图９－９输入负载特性由以上分析可以看到，输入电阻的大小会影响非门的输出状态。
保证输出为低电平时，允许的最小电阻称为开门电阻，用ＲＯＮ表示。
由特性曲线可以看到ＲＯＮ大约为２ｋΩ。
保证输出为高电平时，允许的最大电阻称为关门电阻，用ＲＯＦＦ表示。
由特性曲线可以看到，对应ｕＩ为０．８Ｖ时的ＲＯＦＦ大约为７００～８００Ω。
从这也可看到，输入端悬空，ＲＰ相当于无穷大，即相当于输入高电平。
使用时应注意，电源电压ＵＣＣ＝＋５Ｖ不得超过＋１０％；两个门的输出端不得短接，以免烧坏；输入端开路等于输入高电平，实际上输入端对地所接电阻大于１．０４５ｋΩ时，输出即为低电平，相当于输入高电平。
9．２．２其他类型的ＴＴＬ集成门电路ＴＴＬ集成门电路除了与非门外，还有与门、或门、非门、或非门、与或非门、异或门、三态与非门和集电极开路门（ＯＣ门）等产品。
下面就三态输出与非门和集电极开路门做一简单介绍。
１．三态输出与非门三态输出与非门电路和与非门电路不同，它的输出端除出现高电平和低电平外，还可以出现第三种状态———高阻状态。
图９－１０是ＴＴＬ三态输出与非门电路及其图形符号，它是在图９－５所示的ＴＴＬ与非门电路中多加了二极管Ｄ，并且将一个输入端变成控制端或称使能端Ｅ。
其真值表见表９－４。
表９－４三态输出与非门真值表当控制端Ｅ＝１时，三态门的输出状态决定于输入端Ａ、Ｂ的状态，实现“与非”功能，即Ｙ＝ＡＢ，此时电路是工作状态。
当控制端Ｅ＝０时，Ｔ１的基极电平约为１Ｖ，致使Ｔ２和Ｔ５截止。
同时，二极管Ｄ将Ｔ２的集电极电位钳位在１Ｖ，使Ｔ４也截止。
这样，不管输入端Ａ、Ｂ的状态如何，与输出端相连的两个晶体管Ｔ４和Ｔ５都截止，输出端相当于开路而处于高阻状态。
它应用于计算机传输总线中，如图９－１１所示，图中３个门的输出端接在一根线上，称为总线，三个使能输入端Ｅ１、Ｅ２和Ｅ３轮流输入高电平，即任何时间只能有一个三态门处于工作状态，其余均处于高阻状态，总线轮流接受三态门的输出。
