數(shù)字電路第4章課件

1、隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，對一些經(jīng)常使用、功能固定的組合邏輯電路，人們不再利用小規(guī)模門電路臨時設(shè)計(jì)的方法來實(shí)現(xiàn)，而是將其整體封裝在一個集成塊內(nèi)部，形成中規(guī)模的常用組合邏輯電路模塊，如編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)分配和數(shù)據(jù)選擇器等。使用這些常用組合邏輯電路模塊，可以像搭積木一樣構(gòu)建自己需要的數(shù)字電路系統(tǒng)，從而可以加速數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)速度，提高系統(tǒng)的可靠性，使數(shù)字系統(tǒng)向微型化和智能化方向發(fā)展。4.1編碼器4.1.1編碼的概念按照預(yù)先的約定，用文字、數(shù)碼、圖形等字符或圖片表示特定對象的過程統(tǒng)稱為編碼，如學(xué)生的學(xué)號、考號及地方的郵政編碼等都屬于編碼，但在數(shù)字、計(jì)算機(jī)、單片機(jī)等系統(tǒng)中，多利用多位的二進(jìn)制數(shù)碼0和1按

2、照某種預(yù)先約定的規(guī)律排列，組成不同的數(shù)碼來表示某一具體特定事物或含義。之所以采用二進(jìn)制編碼是因?yàn)槎M(jìn)制數(shù)便于存儲、運(yùn)算等處理，而且易于用電路實(shí)現(xiàn)。常用的有42編碼、83編碼、104編碼和164編碼等。4.1.2三位二進(jìn)制編碼器的門電路實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)二進(jìn)制編碼器之前，首先應(yīng)對具體事物進(jìn)行充分的分析，確定相應(yīng)的輸入、輸出量，以及輸入量的初始狀態(tài)，輸入量高低電平所代表的具體含義，列出輸入量和輸出量之間的真值表。對于二進(jìn)制編碼器，根據(jù)輸入量高低電平所代表的具體含義有兩種設(shè)計(jì)方式：一種為正邏輯，即0代表初始狀態(tài)，1代表有效輸入；另一種為負(fù)邏輯，即1代表初始狀態(tài)，0代表有效輸入。以下是搶答器的具體設(shè)計(jì)過程。以

3、下是搶答器的具體設(shè)計(jì)過程。1)分析具體事物，列出輸入量和輸出量之間的真值表。 本項(xiàng)目中輸入量為八位選手的按鍵輸入，輸出量為三位二進(jìn)制數(shù)。選擇多少位二進(jìn)制編碼，取決于輸入量的個數(shù)：一位二進(jìn)制數(shù)可表示兩種狀態(tài)，兩位二進(jìn)制數(shù)表示四種狀態(tài)，三位可表示八種，即n位二進(jìn)制數(shù)可表示2n種狀態(tài)。二進(jìn)制編碼所能表示的狀態(tài)應(yīng)大于等于輸入量的個數(shù)。由于第3章中組合邏輯電路設(shè)計(jì)時，一般采用正邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了了解采用負(fù)邏輯的設(shè)計(jì)方法，本圖4-1按鍵輸入電路處采用負(fù)邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先確定1(高電平)表示初始狀態(tài)，0(低電平)表示有效的輸入信號，設(shè)計(jì)輸入電路如圖4-1所示。當(dāng)按鍵K1沒有按下時，電源VCC經(jīng)過電阻R向輸入

4、端I1輸入高電平；而在按下按鍵K1時，輸入端I1接地，輸入低電平。當(dāng)八個選手中有一個按下相應(yīng)的按鍵而輸入低電平時，邏輯電路對其輸入信號進(jìn)行二進(jìn)制編碼，但是應(yīng)該保證所有的輸入變量中只能有一個輸入為(不能同時幾個輸入量為0,否則編碼器將發(fā)生編碼混亂)。因?yàn)橐ＷC所有的輸入變量中只能有一個輸入為0，因此可列出簡化后真值表見表4-1。2)根據(jù)真值表，寫出各輸出端的邏輯表達(dá)式。方法是將所有輸出為1時所對應(yīng)的輸入量相或，并利用邏輯代數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本項(xiàng)目各輸出端表達(dá)式為3)根據(jù)化簡所得的邏輯表達(dá)式，畫出邏輯電路圖4-2。圖4-283編碼器電路圖4)對照邏輯電路圖選取具體的邏輯集成電路，并分配引腳。根據(jù)前面的學(xué)

5、習(xí)，可以選用74LS20(二路四輸入與非門集成電路)，其中PR為整排電阻，按鍵K1K8為按鍵開關(guān)。5)驗(yàn)證編碼功能。當(dāng)沒有按鍵按下時，所有與非門輸入端為高電平，因此輸出端Y2Y0為000。假設(shè)按下按鍵K6(輸入數(shù)字5)，將使U1A的4腳輸入低電平，Y0輸出變?yōu)?，另外也使U2A的第2腳輸入低電平，Y2輸出變?yōu)?，而Y1保持0不變，因此輸出端Y2Y0為101。同理，可以分析其他按鍵的編碼情況。因此該編碼器可以將十進(jìn)制數(shù)07編碼為相應(yīng)的二進(jìn)制代碼。1.集成編碼器的概念利用門電路來實(shí)現(xiàn)編碼的邏輯電路復(fù)雜(如圖4-2所示)，特別是輸入變量較多時，如164編碼器，利用門電路實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜，此時，可以將其封

6、裝到一個集成塊內(nèi)部，只是將其輸入和輸出端用引腳引出，一般左邊為輸入端，右邊為輸出端，此時就可以得到一個集成的二進(jìn)制編碼器，它的邏輯符號如圖4-3所示。2.優(yōu)先編碼器圖4-2所示的編碼器任一時刻只允許一個輸入信號有效，如果同時有兩個或兩個以上的輸入信號有效，輸出的編碼就可能存在錯誤，出現(xiàn)編碼混亂。但有些情況下，可能出現(xiàn)同時幾個信號有效的情況(如同時按下幾個按鍵)，此時必須采用優(yōu)先編碼器。優(yōu)先編碼器允許同時輸入多個有效信號而不會發(fā)生編碼混亂，主要是該編碼器對輸入信號分配了優(yōu)先級，即使有幾個輸入信號有效，也只會對其中優(yōu)先級別最高的有效信號進(jìn)行編碼，而其他低優(yōu)先級的有效信號不會被編3.集成優(yōu)先編碼器圖

7、4-4所示是83線集成優(yōu)先編碼器MC14532的邏輯符號和引腳排列圖。MC14532屬于正邏輯優(yōu)先編碼器，編碼優(yōu)先級別為D7D0依次排列，即D7優(yōu)先級別最高，D0優(yōu)先級別最低。編碼輸出為Q2Q0，其引腳作用如下：D7D0：編碼輸入端，高電平有效。Q2Q0：編碼輸出端，高電平輸出。EI：輸入使能端，高電平有效。該引腳為高電平時，才表示輸入信號有效，集成編碼器才工作。GS：組選擇輸出端，一般用于多塊編碼器級聯(lián)時表示本組編碼輸出有效。EO：級聯(lián)輸出使能端，一般用于多塊編碼器級聯(lián)時，控制低端編碼器的EI端。如果本組無有效編碼輸出，則應(yīng)使低端編碼器的EI有效工作。(1)非工作狀態(tài)(EI=0)當(dāng)輸入使能端

8、為0時，不管輸入信號為何狀態(tài)，輸出端全為0，集成編碼器不工作。要使編碼器正常工作，EI必須為1。(2)等待狀態(tài)(EI=1，D7D0全為0)當(dāng)EI1，編碼器正常工作，可以根據(jù)輸入信號D7D0的狀態(tài)進(jìn)行編碼。但D7D0全為0時，輸入信號全無效，此時，編碼輸出Q2Q0為000，組選擇輸出端GS為0，表示本編碼器處于編碼等待狀態(tài)，無有效編碼輸出；而級聯(lián)輸出使能端EO為1，在多塊集成編碼器級聯(lián)時，可以控制低端集成編碼器EI為1而正常工作。(3)編碼狀態(tài)(EI=1，D7D0不全為0)當(dāng)EI1，編碼器正常工作，可以根據(jù)輸入信號D7D0的狀態(tài)進(jìn)行編碼。當(dāng)D7D0不全為0時，即有有效輸入信號，此時，編碼器根據(jù)最

9、高優(yōu)先級的輸入信號進(jìn)行編碼，編碼輸出Q2Q0為最高優(yōu)先級輸入信號對應(yīng)的二進(jìn)制編碼，組選擇輸出端GS為1，表示本編碼器處于編碼狀態(tài)，輸出端存在有效編碼；而級聯(lián)輸出使能端EO為0，在多塊集成編碼器級聯(lián)時，可以控制低端集成編碼器EI為0而不工作，因本優(yōu)先編碼已經(jīng)輸出高優(yōu)先級的編碼信號。(4)總結(jié)從表4-2可以看出，Q2Q0在三種情況下為000，而只有在EI=1、且D0=1時，輸出Q2Q0為000才表示有效編碼輸出。為了和編碼器不工作及等待狀態(tài)相區(qū)分，000為有效輸出通過組選擇輸出端GS進(jìn)行指示。只有GS為1時，Q2Q0才是有效編碼輸出。4.集成編碼器的級聯(lián)使用一塊MC14532只能對8個輸入信號進(jìn)行

10、優(yōu)先編碼，當(dāng)輸入信號數(shù)量超過8個時，必須將兩塊MC14532級聯(lián)起來才能滿足編碼要求，如圖4-5所示。如圖4-5所示，由U2和U1級聯(lián)組成了164優(yōu)先編碼器。由于U2的級聯(lián)輸出使能端EO連接到U1的輸入使能端EI，因此U1的工作與否受U2級聯(lián)輸出使能端EO的控制。只有在EI為1，且D15D8全為0時，U2的EO才為1，此時U1的EI為1，U1才工作。因此U2的編碼優(yōu)先級高于U1，U2的輸入端定義為D15D8。164優(yōu)先編碼器需要輸出4位二進(jìn)制碼，因此將U2的組選擇輸出端GS作為編碼輸出的高位Q3，而低三位Q2Q0由U1和U2的Q2Q0通過或門組成。假設(shè)編碼輸入信號為D15、D14、D7都為1，

11、因?yàn)镋I為1，U2工作，對輸入信號D15和D14進(jìn)行編碼。由于D15的編碼優(yōu)先級高于D14，因此U2對D15進(jìn)行編碼，U2的編碼輸出Q2Q0為111，經(jīng)過或門后Q2Q0也為111。此時由于U2編碼有效，U2的組選擇輸出端GS為1，因此Q3為1，即編碼輸出Q3Q0為1111，和輸入信號D15的二進(jìn)制編碼是一致的。而U2的EO輸出為0，U1的EI為0，不工作。假設(shè)編碼輸入信號為D6為1，因?yàn)镋I為1，U2工作，對輸入信號D15D8進(jìn)行編碼，由于D15D8全為零，因此U2的編碼輸出Q2Q0為000，經(jīng)過或門后Q2Q0也為000。此時由于U2編碼無效，U2的組選擇輸出端GS為0，因此Q3為0。同時U2

12、的EO輸出為1，U1的EI為1開始工作，對D6進(jìn)行編碼，U1的編碼輸出Q2Q0為110，經(jīng)過或門后Q2Q0也為110，此時總的編碼輸出Q3Q0為0110，和輸入信號D6的二進(jìn)制編碼是一致的。5.負(fù)邏輯集成編碼器74LS148圖4-6所示為83線集成優(yōu)先編碼器74LS148的邏輯符號和引腳排列圖，編碼優(yōu)先級別為I7I0依次排列，即I7優(yōu)先級別最高，I0優(yōu)先級別最低。編碼輸出為A2A0，為反碼輸出，其引腳作用如下：圖4-683線集成優(yōu)先編碼器74LS148的邏輯符號和引腳排列圖I0I7：編碼輸入端，低電平有效。A2A0：編碼輸出端，反碼輸出。EI：輸入使能端，低電平有效。該引腳必須為低電平時，輸入

13、信號才有效，集成編碼器才工作。GS：選擇輸出端，一般用于多塊編碼器級聯(lián)時表示本組編碼輸出有效。EO：級聯(lián)輸出使能端，一般用于多塊編碼器級聯(lián)時，控制低端編碼器的輸入使能端。如果本組無有效編碼輸出，使低端編碼器的輸入使能端有效工作。4.2譯碼器4.2.1二進(jìn)制譯碼器譯碼是編碼的逆過程，相當(dāng)于對編碼內(nèi)容的“翻譯”，在數(shù)字電路中使用較多的是將二進(jìn)制代碼譯(翻譯)為十進(jìn)制數(shù)，即利用譯碼電路將輸入的二進(jìn)制數(shù)譯為相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)輸出。常用的譯碼器有38譯碼器、410譯碼器、416譯碼器、BCD七段顯示譯碼器等，下面以38譯碼器74LS138為例介紹譯碼器功能。38譯碼器74LS138的邏輯功能和引腳排列如圖4

14、7，各引腳功能如下：C、B、A：譯碼輸入。需要譯碼的三位二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸入端(有時用A2A0表示)。Y0Y7：譯碼輸出。輸出與輸入二進(jìn)制數(shù)據(jù)相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)據(jù)(有時用Q0Q7表示)，低電平有效。E1、E2、E3為片選使能端。當(dāng)E1、E2接低電平、E3接高電平時芯片正常工作，主要用于從引腳描述和邏輯真值表可知：當(dāng)E1E20，并且E3=1時，38譯碼器74LS138正常工作，如輸入數(shù)據(jù)C、B、A為011，則譯碼后將選中輸出端Y3，使其引腳輸出低電平0。4.2.2七段數(shù)碼顯示譯碼器七段數(shù)碼顯示譯碼器的作用是將8421BCD碼譯碼后通過數(shù)碼管顯示出來。在數(shù)字系統(tǒng)中，經(jīng)常要顯示系統(tǒng)的狀態(tài)、某些參數(shù)的數(shù)值等，因

15、此大量使用到數(shù)碼管。但數(shù)碼管實(shí)際上是由多個發(fā)光二極管并聯(lián)而成，要顯示某個數(shù)字，并不是直接輸入某個數(shù)值即可，而必須將該數(shù)值轉(zhuǎn)換為發(fā)光二極管所需要的控制電平，因此這也是一個譯碼的過程。完成數(shù)碼管顯示譯碼的集成電路就是顯示譯碼器。1.數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)和原理數(shù)碼管是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件，在數(shù)字電路和單片機(jī)中廣泛采用的是七段數(shù)碼管，其外形如圖4-8所示，其尺寸大小不一(一般以英寸為單位)。數(shù)碼管共有10 根引腳，其中8根為字段引腳，另外兩根引腳(3、8引腳)為數(shù)碼管的公共端，這兩個引腳在數(shù)碼管內(nèi)部是相互連通的。這種數(shù)碼管的顯示字段(其中還包括一個小數(shù)點(diǎn))各對應(yīng)一個發(fā)光二極管，它們在其內(nèi)部成“日”字

16、型排列，內(nèi)部等效結(jié)構(gòu)如圖4-9所示。8個字段分別用字母a、b、c、d、e、f、g和dp表示，dp表示小數(shù)點(diǎn)。根據(jù)發(fā)光二極管在數(shù)碼管內(nèi)部的連接形式不同可分為共陰極和共陽極兩種。對于共陰極數(shù)碼管而言，內(nèi)部發(fā)光二極管的負(fù)極連接在一起組成公共端，而各段發(fā)光二極管的正極通過引腳引出，如圖4-8c、圖4-9所示。因?yàn)楣捕藶榘l(fā)光二極管的負(fù)極，因此稱為共陰極數(shù)碼管。其公共端接低電平，而要顯示的字段必須接高電平。而對于共陽極數(shù)碼管而言，內(nèi)部發(fā)光二極管的正極連接在一起組成公共端，而各段發(fā)光二極管的負(fù)極通過引腳引出，如圖4-8d所示。因?yàn)楣捕藶榘l(fā)光二極管的正極，因此稱為共陽極數(shù)碼管。其公共端接高電平，而要顯示的

17、字段必須接低電平。當(dāng)不同的發(fā)光二極管組合發(fā)光時，就能顯示不同的數(shù)字，如圖4-10所示。如要顯示數(shù)字0時，只要g段和dp段不亮，而a、b、c、d、e、f6段發(fā)光即可顯示。圖4-10七段數(shù)碼管的顯示字形因此，要數(shù)碼管顯示某數(shù)字，并不是將該數(shù)字送到數(shù)碼管就能顯示，而必須根據(jù)需要轉(zhuǎn)換為相應(yīng)段的發(fā)光二極管亮，即給數(shù)碼管相應(yīng)段發(fā)光二極管不同的控制電平，而完成這種轉(zhuǎn)換工作的正是數(shù)碼管顯示譯碼器。2.集成顯示譯碼器MC14511簡介(驅(qū)動共陰極數(shù)碼管)顯示譯碼器MC14511的主要作用為將輸入的8421BCD碼轉(zhuǎn)換為共陰極數(shù)碼管所需的相應(yīng)七段碼,其引腳和邏輯符號如圖4-11所示，應(yīng)用電路如圖4-12所示。BI

18、為消隱端，非符號表示低電平有效。當(dāng)BI端接低電平時，則無論輸入端BCD碼為何數(shù)值，輸出端ag全為低電平，數(shù)碼管無顯示，用來暫時熄滅數(shù)碼管，使顯示系統(tǒng)具有滅零功能，在一般應(yīng)用中應(yīng)將該引腳接高電平使其無效。LE為鎖存端。當(dāng)LE接高電平時，MC14511輸出端(ag)保持不變，便于瞬間觀測快速變化的數(shù)值，典型應(yīng)用如數(shù)字頻率計(jì)；接低電平時，對正常的七段譯碼功能無影響。所以在一般應(yīng)用中應(yīng)將該引腳接低電平使其無效。R1R7為限流電阻，以免電流過大而燒毀數(shù)碼管或七段譯碼器MC14511，其阻值一般為470數(shù)碼管的dp端為小數(shù)點(diǎn)控制端，如果要使用，一般應(yīng)另外設(shè)計(jì)電路進(jìn)行控制，這里不用，將其接地。8421BCD

19、碼七段顯示譯碼器MC14511真值表見表4-4。4.3數(shù)據(jù)選擇器和分配器在實(shí)用的數(shù)字系統(tǒng)中，待處理的或處理完畢的信號和數(shù)據(jù)是多種多樣的，如何從眾多的數(shù)字信號中選擇需要的信號，以及如果要將處理完畢的信號送到指定的通道和負(fù)載，就需要使用數(shù)據(jù)選擇器和數(shù)據(jù)分配器。如在通信系統(tǒng)中，為了減少傳輸線路、節(jié)約成本，一般都采用總線復(fù)用技術(shù)，即在同一條傳輸線上傳送多路數(shù)據(jù)信號，如圖4-13a所示。在數(shù)據(jù)的傳送端使用數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn)多個數(shù)據(jù)的選擇，它有多個輸入、單個輸出。而在接受端使用數(shù)據(jù)分配器將數(shù)據(jù)輸送到指定的通道，它有單個輸入、多個輸出。數(shù)據(jù)選擇器和分配器在功能上相當(dāng)于兩個單刀多擲開關(guān)連接而成，如圖4-13b4.

20、3.1數(shù)據(jù)選擇器數(shù)據(jù)選擇器(簡寫為MUX，又稱為數(shù)字合路器)的作用就是從多個圖4-14四輸入數(shù)據(jù)選擇器邏輯框圖輸入信號中選擇一個需要的信號。根據(jù)輸入信號的不同一般有二輸入、四輸入、八輸入、十六輸入數(shù)據(jù)選擇器，圖4-14是四輸入數(shù)據(jù)選擇器的邏輯框圖。其中I0I3為四路數(shù)據(jù)信號輸入端，E為片選使能端。E必須有效，芯片才正常工作，一般用于級聯(lián)控制。S1、S0為通道選擇輸入端，給S1、S0輸入不同的二進(jìn)制代碼，將從輸入信號I3I0選擇相應(yīng)的信號從輸出端Z輸出。1.集成雙路四輸入數(shù)據(jù)選擇器74LS153圖4-15所示是集成雙路四輸入數(shù)據(jù)選擇器74LS153的邏輯符號和引腳排列圖。從圖中可以看出，它包含兩

21、個相同的四輸入數(shù)據(jù)選擇器，分別用字母A、B進(jìn)行區(qū)分，共用通道選擇輸入端S1、S0。2.數(shù)據(jù)選擇器的級聯(lián)雖然數(shù)據(jù)選擇器的種類很多，但有時候仍需要將數(shù)據(jù)選擇器級聯(lián)起來使用。圖4-16所示就是用74LS153雙路四輸入數(shù)據(jù)選擇器級聯(lián)而成的八輸入數(shù)據(jù)選擇器。當(dāng)S20時，由于EA=0，74LS153的A部分正常工作，可以根據(jù)S1、S0的輸入狀態(tài)從I0I3中選擇1個信號從ZA輸出，經(jīng)過或門后，輸出信號從總的輸出端Z輸出，同時S2經(jīng)過非門反相后送到EB，使EB=1，74LS153的B部分不工作。當(dāng)S21時，由于EA=1，74LS153的A部分不工作，同時S2經(jīng)過非門反相后送到EB，使EB=0，74LS153

22、的B部分正常工作?？梢愿鶕?jù)S1、S0的輸入狀態(tài)從I4I7中選擇1個信號從ZB輸出，經(jīng)過或門后，輸出信號從總的輸出端Z輸出。從而實(shí)現(xiàn)了八輸入數(shù)據(jù)選擇器的功能。S2實(shí)際上起到高位片選使能端的作用。4.3.2數(shù)據(jù)分配器數(shù)據(jù)分配器(簡寫為DMUX，又稱為數(shù)字分路器)的作用和數(shù)據(jù)選擇器正好相反，它將一個輸圖4-17四輸出數(shù)據(jù)選擇器邏輯框圖入信號分送到多個輸出端。根據(jù)輸出端的不同一般有二輸出、四輸出、八輸出、十六輸出數(shù)據(jù)分配器，圖4-17所示是四輸出數(shù)據(jù)選擇器邏輯框圖。其中I為數(shù)據(jù)信號輸入端，E為片選使能端，必須有效芯片才正常工作，一般用于級聯(lián)控制。S1、S0為通道選擇輸入端，給S1、S0輸入不同的二進(jìn)制代碼，可將輸入信號I傳送到相應(yīng)的輸出端Y0Y3輸出。數(shù)據(jù)分配器實(shí)際上可以由譯碼器來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)譯碼器作數(shù)據(jù)分配器使用時，是將譯碼器的片選使能端E作為數(shù)據(jù)輸入端I，將譯碼輸入端(C、B、A)作為通道選擇輸入端，將譯碼輸出端Y作為數(shù)據(jù)分配器的輸出端。如果譯碼器有多個片選使能端，將剩余的片選使能端作為數(shù)據(jù)分配器的片選使能端,如圖4-18所示。圖4-18所示是利用38譯碼器74LS138作為18數(shù)據(jù)分配器使用。首先將原譯碼器的片選使能端分配如下：選取片選控制端E2作為數(shù)據(jù)分配器的數(shù)據(jù)輸入端，E3作為數(shù)據(jù)分配器的片選使能端E2，而E1也作為數(shù)據(jù)分配器的片選使能端E