電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程

1、 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程第10章 集成組合邏輯電路 教學(xué)內(nèi)容 教學(xué)小結(jié) 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程 一、重點(diǎn)與難點(diǎn)1、重點(diǎn)：1）半加器、全加器的電路結(jié)構(gòu)及其邏 輯功能. 2）四位算術(shù)/邏輯運(yùn)算單元74LS381的邏 輯功 能、引腳 圖及邏輯符號(hào)圖. 3）8421BCD編碼器、優(yōu)先編碼器的邏 輯功能及引腳圖. 4）譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、數(shù)據(jù)分配器 的邏輯功能.2、難點(diǎn)：1）十進(jìn)制數(shù)七段數(shù)碼顯示譯碼器. 2）數(shù)據(jù)選擇器的擴(kuò)展. 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程10.1.1 10.1.1 半加器電路半加器電路 半加器是只考慮兩個(gè)加數(shù)本身相加，而不考慮來(lái)自低位進(jìn)位的邏輯電路。設(shè)計(jì)一位二進(jìn)制半加器，輸入變量有兩個(gè)，分別為加數(shù)

2、A和被加數(shù)B；輸出也有兩個(gè)，分別為和數(shù)S和進(jìn)位C。列真值表如表10.1所示。 由真值表寫(xiě)邏輯表達(dá)式： 表10.1 半加器的真值表 0 11 11 01 01 00 10 00 1S CA B0 11 11 01 01 00 10 00 1S CA B 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程 10.1 10.1 算術(shù)運(yùn)算電路算術(shù)運(yùn)算電路（第（第1 1、2 2學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 數(shù)字系統(tǒng)的基本任務(wù)之一是進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算。加法器是數(shù)字系統(tǒng)中最基本的運(yùn)算單元。因?yàn)樵跀?shù)字系統(tǒng)中加、減、乘、除都是通過(guò)加法來(lái)實(shí)現(xiàn)。本節(jié)先介紹半加器電路，然后介紹集成算術(shù)/邏輯單元電路74LS381 。 二、教學(xué)內(nèi)容 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程 圖10.1 半

3、加器=1&ABSCABCOSC 畫(huà)出邏輯圖如圖10.1所示，它是由異或門和與門組成的，也可以用與非門實(shí)現(xiàn)。 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程 10.1.2 10.1.2 全加器電路全加器電路 全加器是完成兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)Ai和Bi及相鄰低位的進(jìn)位Ci-1相加的邏輯電路。它與半加器的區(qū)別在于半加器只有加數(shù)和被子加數(shù)兩數(shù)相加而全加器不光有加數(shù)和被子加數(shù)還有相鄰低位的進(jìn)位三數(shù)相加。 全加器的邏輯表達(dá)式11111111111iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiSA BCAB CA B CABCABCCABCA BCAB CABCABBCAC 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程輸入輸出AiB

4、iCi-1SiCi000000 0 1 1 00 1 0 1 0 0110110010101011100111111表10.2 全加器的真值表 圖10.2(a) 全加器的邏輯圖 圖10.2(b) 全加器的邏輯符號(hào) CI是進(jìn)位輸入端，CO是進(jìn)位輸出端 。 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程10.1.2 10.1.2 集成算術(shù)集成算術(shù)/ /邏輯運(yùn)算單元邏輯運(yùn)算單元 集成算術(shù)/邏輯運(yùn)算單元（ALU）能夠完成一系列算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。在這里我們介紹一種常用的集成算術(shù)/邏輯運(yùn)算單元74LS381，它是四位算術(shù)/邏輯運(yùn)算單元，管腳圖如圖3.3所示，A和B是預(yù)定的輸入狀態(tài)，根據(jù)輸入信號(hào)S2S0選擇八種不同的功能。 圖10

5、.3 74LS381集成 算術(shù)/邏輯運(yùn)算單元 （a）符號(hào)圖 (b) 引腳圖 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程選擇算術(shù)/邏輯運(yùn)算功能S2 S1 S0 000清零001B減A010A減B011A加B1001 0 1 110111預(yù)置BABABA 由表10.3可知，74LS381能夠進(jìn)行六種算術(shù)和邏輯運(yùn)算，并有清零和預(yù)置功能。所謂清零是將各數(shù)據(jù)輸出端的狀態(tài)全為0；預(yù)置是使數(shù)據(jù)輸出端輸出預(yù)定的狀態(tài)，進(jìn)行預(yù)置操作時(shí)，預(yù)定的狀態(tài)從A和B端輸入。 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程 10.2 10.2 信號(hào)變換電路（第信號(hào)變換電路（第3 3、4 4學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 10.2.1 10.2.1 編碼器編碼器 一般的說(shuō)，用文字、符號(hào)或者數(shù)碼

6、表示特定對(duì)象的過(guò)程，都可以叫做編碼。所謂二進(jìn)制編碼是用二進(jìn)制代碼表示有關(guān)對(duì)象（信號(hào)）的過(guò)程。一般地說(shuō)，n位二進(jìn)制代碼有2n種狀態(tài)，可以表示2n個(gè)信號(hào)。所以，對(duì)N個(gè)信號(hào)進(jìn)行編碼時(shí)，可用公式2n N來(lái)確定需要使用的二進(jìn)制代碼的位數(shù)n。 編碼器是實(shí)現(xiàn)編碼操作的電路，按照被編碼信號(hào)的不同特點(diǎn)和要求，有二進(jìn)制編碼器、二十進(jìn)制編碼器、優(yōu)先編碼器等。我們?cè)谶@里介紹10進(jìn)制8421 BCD編碼器 和優(yōu)先編碼器。 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程 10進(jìn)制8421 BCD編碼器 日常生活中，人們通常使用10進(jìn)制數(shù)來(lái)進(jìn)行處理計(jì)算，然而數(shù)字設(shè)備卻用二進(jìn)制或代碼進(jìn)行判斷處理。10進(jìn)制8421 BCD編碼器的作用就是將人們習(xí)慣使用

7、的10進(jìn)制數(shù)變換成8421 BCD碼的電路。因?yàn)檩斎胗?0個(gè)數(shù)碼，要求有10種狀態(tài)，所以輸出需用4位（2n10，取n4）二進(jìn)制代碼。設(shè)輸入的10個(gè)數(shù)碼分別用I0、I1、I9表示，輸出的四位8421BCD碼分別采用Y3、Y2、Y1、Y0表示，則真值表如表3.4所示： 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程輸入輸出IY3Y2Y1Y00(I0)00001(I1)00012(I2)00103(I3)00114(I4)01005(I5)01016(I6)01107(I7)01118(I8)10009(I9)1001表10.410進(jìn)制8421 BCD編碼器真值表 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程 （a）由或門組成 （b）由與非門組成

8、圖10.4 10進(jìn)制8421 BCD編碼器電路圖10進(jìn)制8421 BCD編碼器邏輯圖如圖3.4所示。其中I0是隱含的。 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程2優(yōu)先編碼器 優(yōu)先編碼器是當(dāng)多個(gè)輸入端同時(shí)有信號(hào)時(shí),電路只對(duì)其中優(yōu)先級(jí)別最高的輸入信號(hào)進(jìn)行編碼。常用的集成優(yōu)先編碼器IC有10線-4線、8線-3線兩種。10線-4線優(yōu)先編碼器常見(jiàn)的型號(hào)為54/74147、54/74LS147，8線-3線優(yōu)先編碼器常見(jiàn)的型號(hào)為54/74148、54/74LS148。 下面我們以TTL中規(guī)模集成電路74LS147為例介紹8421BCD碼優(yōu)先編碼器的功能。 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程 10線-4線8421 BCD碼優(yōu)先編碼器74LS1

9、47的真值表見(jiàn)表3.5。74LS147的引腳圖如圖3.5所示，其中第9腳NC為空。74LS147優(yōu)先編碼器有9個(gè)輸入端和4個(gè)輸出端。某個(gè)輸入端為0，代表輸入某一個(gè)十進(jìn)制數(shù)。當(dāng)9個(gè)輸入端全為1時(shí)，代表輸入的是十進(jìn)制數(shù)0。4個(gè)輸出端反映輸入十進(jìn)制數(shù)的BCD碼編碼輸出。 74LS147優(yōu)先編碼器的輸入端和輸出端都是低電平有效，即當(dāng)某一個(gè)輸入端低電平0時(shí)，4個(gè)輸出端就以低電平0的輸出其對(duì)應(yīng)的8421 BCD編碼。當(dāng)9個(gè)輸入全為1時(shí)，4個(gè)輸入出也全為1，代表輸入十進(jìn)制數(shù)0的8421 BCD編碼輸出。 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程 輸入端 為0，則輸出端以低電平輸出6的BCD碼9I8I7I6I5I4I2I0I3Y

10、2Y輸入信號(hào)輸出信號(hào)001101001111101000111010011111010101111101011111111011001111111011011111111101110111111111011111Y0Y3I1I 表10.5 74LS147的真值表 圖10.5 74LS147的引腳圖 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程10.2.2 10.2.2 譯碼器譯碼器 在編碼時(shí)，所使用的每一種二進(jìn)制代碼狀態(tài)，都賦予了特定的含義，即表示了一個(gè)確定的信號(hào)或者對(duì)象。把代碼的特定含義“翻譯”出來(lái)的過(guò)程叫做譯碼，而實(shí)現(xiàn)譯碼操作的電路稱為譯碼器。 我們也可以這樣來(lái)理解譯碼器，譯碼器可以將輸入代碼的狀態(tài)翻譯成相應(yīng)的輸

11、出信號(hào)，以表示其原意。 根據(jù)需要，輸出信號(hào)可以是脈沖，也可以是電位。 譯碼器的種類很多，但其工作原理是相似的，設(shè)計(jì)方法也是相同的。下面我們介紹常用的三種譯碼器。 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程10線-4線8421 BCD碼優(yōu)先編碼器74LS147的真值表見(jiàn)表3.5。74LS147的引腳圖如圖3.5所示，其中第9腳NC為空。74LS147優(yōu)先編碼器有9個(gè)輸入端和4個(gè)輸出端。某個(gè)輸入端為0，代表輸入某一個(gè)十進(jìn)制數(shù)。當(dāng)9個(gè)輸入端全為1時(shí)，代表輸入的是十進(jìn)制數(shù)0。4個(gè)輸出端反映輸入十進(jìn)制數(shù)的BCD碼編碼輸出。 74LS147優(yōu)先編碼器的輸入端和輸出端都是低電平有效，即當(dāng)某一個(gè)輸入端低電平0時(shí)，4個(gè)輸出端就以低電

12、平0的輸出其對(duì)應(yīng)的8421 BCD編碼。當(dāng)9個(gè)輸入全為1時(shí)，4個(gè)輸入出也全為1，代表輸入十進(jìn)制數(shù)0的8421 BCD編碼輸出。 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程表10.6 8421 BCD碼譯碼器的真值表 表10.6 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程 表中左邊是輸入的8421 BCD碼，右邊是譯碼輸出。其中10101111共6種狀態(tài)沒(méi)有使用，是無(wú)效狀態(tài)，在正常工作狀態(tài)下不會(huì)出現(xiàn)，化簡(jiǎn)時(shí)可以作為隨意項(xiàng)處理。 在中規(guī)模集成二-十進(jìn)制譯碼器中，對(duì)BCD碼采用了完全譯碼方案，即輸出函數(shù)沒(méi)有利用隨意項(xiàng)化簡(jiǎn)。這樣做的好處是，輸入端代碼出現(xiàn)無(wú)效狀態(tài)時(shí)，譯碼器不予響應(yīng)，各個(gè)輸入信號(hào)之間沒(méi)有約束。 采用完全譯碼方案的輸出函數(shù)，可直接由

13、真值表3.6寫(xiě)出，分別為：01230AAAAY 01231AAAAY 01232AAAAY 01233AAAAY 01234AAAAY 01235AAAAY 01236AAAAY 01237AAAAY 01238AAAAY 01239AAAAY 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程圖10.6 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程2. 集成4線-10線譯碼器 圖10.7所示是8421 BCD輸入的集成4線-10線譯碼器74LS42的引腳 排列圖和邏輯功能示意圖。 （a）引腳排列圖 （b）邏輯符號(hào)圖 74LS42的輸出為反變量，即為低電平有效，并且采用完全譯碼方案。 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程3. 84213. 8421BCDBCD碼

14、碼七段七段1010進(jìn)制顯示的譯碼器進(jìn)制顯示的譯碼器 在各種數(shù)字設(shè)備中，經(jīng)常需要將數(shù)字、文字和符號(hào)直觀地顯示出來(lái)，供人們直接讀取結(jié)果，或用以監(jiān)視數(shù)字系統(tǒng)的工作情況。8421BCD碼七段10進(jìn)制顯示的譯碼器用來(lái)驅(qū)動(dòng)各種顯示器件。將二進(jìn)制代碼翻譯成人們習(xí)慣的形式直觀地顯示出來(lái)的電路，稱為顯示譯碼器。 （1）數(shù)碼顯示器 顯示器件的種類很多，在數(shù)字電路中最常用的顯示器有半導(dǎo)體顯示器（又稱為發(fā)光二極管顯示器LED）和液晶顯示器（LCD）。LED主要用于顯示數(shù)字和字線。 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程 a)共陰極 b)共陽(yáng)極 圖10.8 LED 7段顯示器的外形圖及二極管的連接方式 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程 7段LED數(shù)

15、碼顯示器俗稱數(shù)碼管，其工作原理是將要顯示的十進(jìn)制數(shù)碼分成7段，每段為一個(gè)發(fā)光二極管，利用不同發(fā)光段組合來(lái)顯示不同的數(shù)字。圖10.8所示為數(shù)碼管的外形結(jié)構(gòu)及內(nèi)部連接。 數(shù)碼管中的7個(gè)發(fā)光二極管有共陰極和共陽(yáng)極兩種接法，如圖3.8 (b)、(c)所示，前已述及，7段數(shù)碼管是利用不同發(fā)光段組合來(lái)顯示不同的數(shù)字。以共陰極顯示器為例，若a、b、c、d、g各段接高電平，則對(duì)應(yīng)的各段發(fā)光，顯示出十進(jìn)制數(shù)字3；若b、c、f、g各段接高電平，則顯示十進(jìn)制數(shù)字3。ag組合成為7位代碼，成為7段碼，要顯示的數(shù)字一般首先轉(zhuǎn)換成為7段碼，然后驅(qū)動(dòng)7段數(shù)碼管顯示。使用時(shí)每個(gè)二極管要串聯(lián)一個(gè)約100的限流電阻。 電子技術(shù)基

16、礎(chǔ)精品課程（2）8421BCD碼七段10進(jìn)制顯示的譯碼器 設(shè)計(jì)顯示譯碼器首先要考慮顯示器的字形，現(xiàn)以驅(qū)動(dòng)共陰極的7段發(fā)光二極管的二十進(jìn)制譯碼器為例，具體說(shuō)明顯示譯碼器的設(shè)計(jì)過(guò)程。 設(shè)輸入信號(hào)為8421 BCD碼，根據(jù)數(shù)碼管的顯示原理，可列出驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼管的7段顯示譯碼器的真值表，如表3.7所示。 輸入A3、A2、A1、A0是8421 BCD碼，其中10101111這6種狀態(tài)沒(méi)有使用，是無(wú)效狀態(tài)，化簡(jiǎn)時(shí)可作為隨意項(xiàng)處理。輸出ag是驅(qū)動(dòng)7段數(shù)碼管相應(yīng)顯示段的信號(hào)，由于驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼管，故應(yīng)為高電平有效，即高電平時(shí)顯示段亮。 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程表10.77段顯示譯碼器的真值表 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課

17、程10101111000 0111 1010110100A3A2A1A0用卡諾圖進(jìn)行化簡(jiǎn)。根據(jù)真值表畫(huà)出輸出函數(shù)a的卡諾圖，如圖10.9所示。圖10.9 卡諾圖由圖10.9可得a的最簡(jiǎn)與或表達(dá)式為：2032010aAA AA AAA 用同樣的方法可以求得bg的最簡(jiǎn)與或表達(dá)式：21010bAA AA A120cAAA2010dA AA A10031fAA AA A2010eA AA A0213112gAA AA AA A 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程用與非門實(shí)現(xiàn)上述函數(shù)，并考慮共用部分，邏輯圖如圖1.10所示。 圖10.6 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程 10.2.3 10.2.3 數(shù)據(jù)選擇器數(shù)據(jù)選擇器 1 1、

18、數(shù)據(jù)選擇器的工作原理、數(shù)據(jù)選擇器的工作原理 數(shù)據(jù)選擇器按要求從多路輸入選擇一路輸出，根據(jù)輸入端的個(gè)數(shù)分為四選一、八選一等等。其功能相當(dāng)于如圖10.11所示的單刀多擲開(kāi)關(guān)。 1A0A輸入輸出Y10000D0001D1010D2D3011 圖 10.11 數(shù)據(jù)選擇器示意圖 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程 在表10.8中A1、A0為地址輸入信號(hào)，D0D3為供選擇的并行輸入信號(hào)， 為選通端或使能端，低電平有效。當(dāng) 1時(shí)，選擇器不工作，禁止數(shù)據(jù)輸入。當(dāng) 0時(shí)，選擇器正常工作。由功能表可寫(xiě)出四選一數(shù)據(jù)選擇器輸出邏輯表達(dá)式:0123()YABDABDABDABD EEE 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程 由其功能表可得四選一選擇

19、器的邏輯電路，下面我們就介紹四選一選擇器的邏輯圖和符號(hào)圖(a) 邏輯圖 (b)符號(hào)圖 圖10.12四選一數(shù)據(jù)選擇器 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程2.2.數(shù)據(jù)選擇器數(shù)據(jù)選擇器74LS151是一種典型的集成電路數(shù)據(jù)選擇器，如圖10.13所示是74LS151的管腳排列圖。功能如表10.9所示。圖10.13 74LS151數(shù)據(jù)選擇器213DD0DDG1DD64DD751&1YY11A1A1121A0141235671516GND741518910111214134A02A1AD5D6DD73DD2DD01YVccGY 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程DDDDD表10.974LS151的功能表1A2A1A0W100

20、000D000001D110010D220011D330100D440101D550110D660111D77EWDDDDDDDD表10.974LS151的功能表1DDDDDDDDWD 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程3.數(shù)據(jù)選擇器的擴(kuò)展例：將兩片74LS151連接成一個(gè)十六選一的數(shù)據(jù)選擇器。解十六選一的數(shù)據(jù)選擇器的地址輸入端有四位，最高位A3的輸入可以由兩片八選一數(shù)據(jù)選擇器的使能端接非門來(lái)實(shí)現(xiàn)，低三位地址輸入端由兩片74LS151的地址輸入端相連而成，連接圖如圖10.14所示。當(dāng)A30時(shí)，由表3.9知，低位片74LS151工作，A3A2A1A0選擇數(shù)據(jù)D0D7輸出；A31時(shí)，高位片工作，選擇D8D15進(jìn)

21、行輸出。 圖10.14 由兩片74LS151構(gòu)成的十六選一的數(shù)據(jù)選擇器 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程4.4.數(shù)據(jù)選擇器的應(yīng)用數(shù)據(jù)選擇器的應(yīng)用 利用數(shù)據(jù)選擇器，當(dāng)使能端有效時(shí)，將地址輸入、數(shù)據(jù)輸入代替邏輯函數(shù)中的變量實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù)。例 試用八選一數(shù)據(jù)選擇器74LS151產(chǎn)生邏輯函數(shù) 解把邏輯函數(shù)變換成最小項(xiàng)表達(dá)式： 八選一數(shù)據(jù)選擇器的輸出邏輯函數(shù)表達(dá)式為： YABCABCAB210212020011210310102420521621070011223344556677YA A A DA A A DA A A DA A A DA A A DA A A DA A A DA A A Dm Dm Dm Dm D

22、m Dm Dm Dm D0136YABCABCABCABCmmmm 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程若將式中A2、A1、A0用A、B、C來(lái)代替，D0D1D3D61，D2D4D5D70，畫(huà)出該邏輯函數(shù)的邏輯圖，如圖10.15所示。 圖10.15此例的邏輯圖 圖10.15 此例的邏輯圖 YABCEA2A1A0 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D71074LS151 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程3.2.4 3.2.4 數(shù)據(jù)分配器數(shù)據(jù)分配器 數(shù)據(jù)分配器是數(shù)據(jù)選擇器的逆過(guò)程，即將一路輸入變?yōu)槎嗦份敵龅碾娐?。?shù)據(jù)分配器的示意圖3.17所示。 圖10.17數(shù)據(jù)分配器的示意圖圖 10.18用74LS138作為數(shù)據(jù)分配器 電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程 圖10.19 74LS138譯碼器的引腳圖