数字电路基础剖析

第6章数字电路基础教学重点1.理解模拟信号与数字信号的区别。

2.掌握基本逻辑门、复合逻辑门的逻辑功能和电路图形符号，会使用真值表。

3.了解TTL、CMOS门电路的型号、引脚功能，会测试其逻辑功能。

4.了解集成门电路的外形与封装，能合理使用集成门电路。

5.会进行二进制数、十进制数和十六进制数之间的相互转换。

6.了解8421BCD码的表示形式。

7.会用逻辑代数基本公式化简逻辑函数，了解其在工程应用中的实际意义。

教学难点1．集成门电路的合理使用。

2．二进制数、十进制数和十六进制数之间的相互转换。

3．用逻辑代数基本公式化简逻辑函数。

学时分配6.1逻辑门电路电信号可分为两大类：一类是模拟信号，另一类是数字信号，如图所示。

（a ） （b ）在数字电路中，通常用电位的高、低去控制门电路，输入与输出信号只有两种状态：高电平状态和低电平状态。

规定用1表示高电平，用0表示低电平，称为正逻辑，反之为负逻辑。

6.1.1基本逻辑门电路数字电路中往往用输入信号表示“条件”，用输出信号表示“结果”，而条件与结果之间的因果关系称为逻辑关系，能实现某种逻辑关系的数字电子电路称为逻辑门电路。

基本的逻辑关系有：与逻辑、或逻辑、非逻辑，与之相应的基本逻辑门电路有与门、或门、非门。

做一做：与逻辑、或逻辑和非逻辑1．与门电路 （1）与逻辑关系当一件事情的几个条件全部具备之后，这件事情才能发生，否则不发生。

这样的因果关系称为与逻辑关系，也称为逻辑乘。

（2）与逻辑关系的表示用逻辑函数表达式表示 Y =A ·B 或Y =AB用真值表表示（将全部可能的输入组合及其对应的输出值用表格表示称之为真值表）（3）与门电路能实现与逻辑功能的电路称为与门电路，简称与门，门电路可以用二极管、三极管、MOS管和电阻等分立元件组成，也可以由集成电路组成。

动画：二极管组成的与门电路。

与门电路的电路图形符号（又称逻辑图）。

2．或门电路（1）或逻辑关系当决定一件事情的各个条件中至少具备一个条件，这件就会发事情才能发生，否则不发生。

这样的因果关系称为或逻辑关系，也称逻辑加。

（2）或逻辑关系的表示逻辑函数表达式表示Y=A+B或逻辑的真值表如下表（3）或门电路能实现或逻辑功能的电路称为或门电路，简称或门。

动画：二极管组成的或门电路。

或门电路的电路图形符号。

电路评价：二极管门电路线路简单，元件少、概念直观。

由于二极管导通电压和输出端杂散电容的存在，在实际使用时，会引起信号电平偏离，开关速度变慢，带负载能力变差，容易造成逻辑功能的混乱。

因此，实际应用中很少使用二极管门电路。

3．非门电路 （1）非逻辑关系事情（灯亮）和条件总是呈相反状态。

这样的因果关系称为非逻辑关系，也称逻辑非。

（2）非逻辑关系的表示 用逻辑函数表达式表示 Y =A 非逻辑的真值表如表所示。

从真值表分析可以看出，非逻辑功能为“有0出1，有1出0”（3）非门电路能实现非逻辑功能的电路称为非门电路，又称反相器，简称非动画：三极管组成的非门电路。

非门电路的电路图形符号。

4．逻辑关系的波形图表示方法所谓波形图表示方法是用输入端在不同逻辑信号作用下所对应的输出端信号波形图表示门电路实现的逻辑关系。

由于波形图表示的直观性，也是表示和分析电路逻辑关系常用的方法。

如图所示是或门逻辑关系的波形图，图中在t 1时间段内，A 、B 输入端均为高电平1，此时输出端Y 为高电平1，依照此方法，可得出t 2、t 3和t 4时间段内输出端Y 的波形。

从波形图中可以直观地看出，对于或逻辑关系，只要输入有1输出就为1，只有输入全为0时输出才为0。

例：与门电路的“开门”与“关门”解：与门的两个输入端A 、B 的输入信号波形，则根据与逻辑功能不难画出与门输出端波形，如图所示。

A =0时，Y =0，说明此时B 端信号不能通过与门而出现在输出端； A =1时，Y =B （波形相同），说明此时B 端输入信号通过与门出现在输出端。

这里，A 输入端为控制端（门控端），当门控端A 为1时，与门开放（开门），能让B，B 端的输入信号不能通过与6.1.2复合逻辑门1．与非门在与门后串接非门就构成了一个与非门。

图（a ）所示为与非门的逻辑电路图，图（b ）所示为与非门电路图形符号。

与非门的逻辑函数表达式为 B A Y •=与非门真值表，其逻辑功能可归纳为“有0出1，全1出0”。

与非门真值表Y2．或非门在或门后串接非门就构成了一个与非门。

图（a ）所示为或非门的逻辑电路图，图（b ）所示为或非门电路图形符号。

或非门真值表，其逻辑功能可归纳为“有1出0，全0出1”。

或非门真值表3．与或非门与或非门一般由两个或多个与门和一个或门，再和一个非门串联而成。

图（a ）为与或非门的逻辑结构图，图（b ）为与或非门电路图形符号。

与或非门的逻辑函数表达式为 BC AB Y +=根据上式可得与或非门真值表， A 、B 、C 、D 四个输入变量有十六种可能的取值情况。

其逻辑功能可归纳为“一组全1出0，各组有0出1”。

与或非门真值表4．异或门异或门的逻辑结构及电路图形符号。

异或门的逻辑函数表达式为Y=A B+A B根据上式可得异或门真值表，其逻辑功能可归纳为“同出0，异出1”。

异或门真值表异或门在数字电路中作为判断两个输入信号是否相同的门电路，是一种常用的门电路。

其逻辑函数表达式还可写成 Y= A⊕B电路评价：上述讨论的各种逻辑门电路是由单个分立元件如二极管、三极管、电阻等连接而成的，在集成技术迅速发展和广泛应用的今天，分立元件门电路已很少使用，大量使用的是集成门电路。

但不管功能多强大，结构多复杂的集成门电路，都是以分立元件门电路为基础，经改造演变而来的。

6.1.3集成逻辑门按内部所采用器件的不同，集成逻辑门电路分为TTL和CMOS集成门电路两大类。

1．TTL集成门电路TTL集成门电路内部输入、输出级都采用三极管，这种电路也称为三极管—三极管逻辑电路。

（1）产品系列和外形封装74LS系列为现代主要应用产品。

TTL集成电路通常采用双列直插式外形封装。

TTL集成电路的型号由五部分构成。

如CT74LS××CP。

第一部分字母C表示国标。

第二部分字母T表示TTL电路。

第三部分是器件系列和品种代号，74表示国际通用74系列，54表示军用产品系列；LS表示低功耗肖特基系列；××为品种代号。

第四部分字母表示器件工作温度，C为0℃～70℃，G为-25℃～70℃，L为-25℃～85℃，E为-40℃～85℃，R为-55℃～85℃。

第五部分字母表示器件封装，P为塑料双列直插式，J为黑瓷双列直插式。

CT74LS××CP可简称或简写为74LS××或LS××。

（2）引脚识读如图说示是74LS系列集成门电路的引脚排列图。

引脚编号的判断方法是：把凹槽标志置于左方，引脚向下，逆时针自下而上顺序依次为1、2、做一做——测试74LS00的逻辑功能（3）TTL集成电路使用技巧1）TTL集成电路功耗较大，电源电压必须保证在4.75V～5.25V，建议使用稳压电源供电。

2）TTL集成电路若有不使用的多余引脚可以悬空，相当于高电平，但实际使用中抗干扰能力差，一般不建议采用。

与门和与非门的多余引脚应将其接至固定的高电平，或门和或非门多余引脚应将其接地。

3）TTL集成电路的输入端不能直接与高于5.5V或低于-0.5V的低内阻电源连接，否则会造成器件损坏。

4）TTL集成电路的输出端不允许与正电源或地短接，必须通过电阻与正电源或地连接。

2．CMOS集成门电路CMOS集成门电路是由PMOS场效晶体管和NMOS场效晶体管组成的互补电路。

（1）产品系列和外形封装CMOS集成门电路系列较多，现主要有4000（普通）、74HC（高速）、74HCT（与TTL 兼容）等产品系列，其中4000系列品种多、功能全，现仍被广泛使用。

外形封装与TTL集成门电路相同。

CMOS集成电路的型号由五部分构成，如CC74HC××RP。

第一部分字母C表示国标。

第二部分字母C表示CMOS电路。

第三部分是器件系列和品种代号，74表示国际通用74系列，54表示军用产品系列；HC表示高速CMOS系列；××为品种代号。

第四部分字母表示器件工作温度，G为-25℃～70℃，L为-25℃～85℃，E为-40℃～85℃，R为-55℃～85℃，M为-55℃～125℃。

第五部分字母表示器件封装，P为塑封双列直插式，J为黑瓷双列直插式。

CC74HC××RP可简称或简写为74HC××或HC××（对于4000系列，这部分用40××）。

（2）引脚识读 CMOS集成电路通常采用双列直插式外形，引脚编号判断方法与TTL 相同，如CC4001是四2输入或非门，CC4011是四2输入与非门，都采用14脚双列直插塑封装，其引脚功能如图所示，V DD、V SS与TTL的V CC、GND表示字符不同，以作区别。

做一做——测试CC4001的逻辑功能（3）CMOS集成电路使用技巧1）CMOS集成电路功耗低，4000系列的产品电源电压在4.75V～18V范围内均可正常工作，建议使用10V电源电压供电。

2）COMS集成电路若有不使用的多余输入端不能悬空。

与门和与非门的多余端应将其接至固定的高电平，或门和或非门多余端应将其接地。

3）COMS集成电路在存放、组装和调试时，要有一定的防静电措施。

4）COMS集成电路的输出端不允许与正电源或地短接，必须通过电阻与正电源或地连接。

3．CMOS 和TTL电路的主要差异CMOS电路的工作速度比TTL电路低。

CMOS带负载的能力比TTL电路强。

CMOS电路的电源电压允许范围较大，抗干扰能力比TTL电路强。

CMOS电路的功耗比TTL电路小得多。

门电路的功耗只有几μW，中规模集成电路的功耗也不会超过100μW。

CMOS集成电路的集成度比TTL电路高。

4．集成逻辑门电路的选用（1）若要求功耗低、抗干扰能力强，则应选用CMOS 电路。

其中4000 系列一般用于工作频率 1 MHz 以下、驱动能力要求不高的场合；74HC系列常用于工作频率 20 MHz 以下、要求较强驱动能力的场合。

（2）若对功耗和抗干扰能力要求一般，可选用TTL 电路。

目前多用 74LS 系列，它的功耗较小，工作频率一般可至 20 MHz；如工作频率较高，可选用 CT74ALS 系列，其工作频率一般可至 50 MHz。

课外阅读：常见集成电路（IC）芯片的封装6.2数制与编码6.2.1数制数制就是计数的方法。

按进位方法的不同，有十进制计数、二进制计数和十六进制计数等。