學(xué)習(xí)情景5.四人表決器的邏輯電路設(shè)計與制作

學(xué)習(xí)情景5

四人表決器的邏輯電路設(shè)計與制作學(xué)習(xí)情景5

四人表決器的邏輯電路設(shè)計與制作【學(xué)習(xí)目標(biāo)】【技能目標(biāo)】1.會對TTL間電路識別與測試

2.四人表決器的邏輯電路的設(shè)計與制作知識目標(biāo)

1.掌握羅輯門電路的結(jié)構(gòu)、特點、分析方法

2.了解常用集成門電路的產(chǎn)品

3.掌握羅輯代數(shù)的基本知識

4.掌握羅輯代數(shù)的化簡方法

5.組合羅輯電路的一般設(shè)計方法任務(wù)5.1邏輯門電路的基本知識

【任務(wù)描述】

邏輯門電路是數(shù)字電路的基本部件，集成門電路是數(shù)字集成電路的一部分，掌握集成門電路產(chǎn)品的識別與測試是電子工程技術(shù)人員的基本技能。

【任務(wù)分析】1.會TTL門電路的識別與測試

2.會CMOS門電路的識別與測試【知識準(zhǔn)備】1．基本門電路的知識

1．1或門電路在決定某件事的條件中，只要任一條件具備，事情就會發(fā)生，符合這一規(guī)律的邏輯關(guān)系，稱為或邏輯關(guān)系。圖5-1-1（a）是實現(xiàn)或邏輯關(guān)系的開關(guān)電路，在電路中只要開關(guān)A或B有一個或一個以上閉合，燈F就會亮。這種開關(guān)的閉合和燈亮之間的關(guān)系為或邏輯關(guān)系。實現(xiàn)或邏輯關(guān)系的或門電路簡成或門。或門的邏輯符號如圖5-1-1(b)。A、B是輸入端，輸入端的數(shù)量可以不止兩個，F(xiàn)是輸出端。研究邏輯關(guān)系所關(guān)心的是條件是否滿足及結(jié)果是否發(fā)生,而在門電路中則是輸入和輸出電平的高與低兩種狀態(tài)，所謂電平，就是表示兩個電位的高與低。為了便于邏輯分析和邏輯運算，規(guī)定高電平為邏輯1，低電平為邏輯O，這種規(guī)定稱為正邏輯，反之則稱為負(fù)邏輯，本書一律采用正邏輯?；蜷T的邏輯功能是：只要輸入中有一個或一個以上為1輸出便為表1，表5-1-1是或門邏輯功能真值表。或邏輯的運算稱為或運算又稱邏輯加，或門的邏輯表達式為F=A+B

根據(jù)上述邏輯關(guān)系可知邏輯加的運算規(guī)律為A+O=AA+1=1A+A=A1.2與門電路當(dāng)決定某事件的全部條件同時具備時，事件才會發(fā)生，符合這一規(guī)律的邏輯關(guān)系，稱為或邏輯關(guān)系。圖5-1-2(a)是實現(xiàn)與邏輯關(guān)系的開關(guān)電路，在電路中，只有開關(guān)A、B同時閉合，燈F才會亮。這里開關(guān)的閉合和燈亮之間的關(guān)系稱為與邏輯關(guān)系。實現(xiàn)與邏輯關(guān)系的電子電路，簡稱與門，與門的邏輯符號如圖5-1-2（b），輸入端可以不止兩個。與門邏輯功能是：輸入的為1時，輸出才為1，表5-1-2是與邏輯功能真值表與邏輯功能運算，又稱邏輯乘，與門的邏輯表達式為F=A·B

根據(jù)上述邏輯關(guān)系，可知邏輯乘運算規(guī)律為A·0=0A·1=AA·A=A1·3非門電路決定某事件的條件只有一個，當(dāng)條件出現(xiàn)時事件不發(fā)生，而條件不出現(xiàn)時事件發(fā)生，符合這一規(guī)律的邏輯關(guān)系稱為非邏輯關(guān)系。圖5-1-3(a)是實現(xiàn)非邏輯關(guān)系的開關(guān)電路，在電路中，只有在開關(guān)A不閉合時，燈F才會亮。即結(jié)果的發(fā)生與條件處于相反的狀態(tài)，符合這一規(guī)律的邏輯關(guān)系稱為非邏輯關(guān)系。實現(xiàn)非邏輯關(guān)系的電子電路稱為非門電路，簡稱非門。非門的邏輯符號如圖5-1-3（b）,非門只有一個輸入端和一個輸出端。

非門的邏輯功能是：輸入與輸出的電平相反。表5-1-3是非門邏輯功能直值表。非邏輯的運算稱為非運算，又稱邏輯非，非門的邏輯表達式為根據(jù)上述邏輯關(guān)系，可知是邏輯非的運算規(guī)律為：2．常用集成門電路的產(chǎn)品簡介數(shù)目集成電路按其內(nèi)部有源器件的不同可以分為兩大類。一類為雙晶型晶體管集成電路，它主要有晶件管一晶體管邏輯（TTL—Transistor—TransistorLogic）、射極耦合邏輯（ECL—Emictor

CouprldLogic）和集成注入邏輯（IntegratedInjectionLogic）等幾種類型。別一類為MOS（MetaLoxideseniconductor）集成電路，其有源器件采用金屬——氧化物——半導(dǎo)體場效應(yīng)管，它又可分為NMOS、PMOS和CMOS等幾種類型。2．1TTL集成電路是雙極型中導(dǎo)體集成電路中的一種，這種電路具有生產(chǎn)較早，制造工藝成熟、產(chǎn)量大、品種全、價格低、速度快的特點，是中小規(guī)模集成電路的主流。2.1.1TTL集成電路產(chǎn)品簡介按照國際通用標(biāo)劃分，依工作溫度不同，TTL集成電路分為TTL54系列（—55℃~125℃）和TTL74系列（—70~0℃）。每一系列按工作速度、功耗有的不同，又分為標(biāo)準(zhǔn)系列、H系列、S系列、LS系列和ALS系列等。國產(chǎn)TTL電路共有5個系列，其中，有4個系列是作為主要的產(chǎn)品系列，即T1000、T2000、T3000、T4000T系列。T1000系列相當(dāng)于國際SN54/74通用系列，（即標(biāo)準(zhǔn)系列）；T2000系列相當(dāng)于國際SN54H/74H高速系列；T3000系列相當(dāng)于國際SN54S/74S肖特基系列；T4000系列相當(dāng)于國際SN54LS/74LS低功耗肖特基系列。這4個主要系列的重要差別反映在平均傳輸延遲時間和平均功耗這兩個參數(shù)上。其他電參數(shù)和引線引腳基本彼此相容。（1）74系列（簡稱N-TTL）。這類IC是以雙極型晶體管（即通常所說的晶體管）為開關(guān)元件。輸入級采用多發(fā)射極晶體管形式（各輸入端分別對應(yīng)一條發(fā)射極）。開關(guān)放大電路電都TTL。在速度和功耗方面，都處于現(xiàn)在數(shù)字IC的中等程度，品種豐富、互換性強，一般均以“74”（民用）或“54”（軍用）為型號前綴，以“74”為頭的均與N—TTL即74系列對應(yīng)品種引腳相容。初始的N—TTL現(xiàn)仍有使用，但正在被淘汰。除FSC（仙童公司）的F-TTL外，其余系列產(chǎn)品都出自美國TL（德克薩斯儀器公司）。（2）74LS系列（簡稱LS、LS-TTL等）。這是TTL類型中的主要應(yīng)用產(chǎn)品系列，也是邏輯IC的重點產(chǎn)品之一。品種和產(chǎn)生廠家都非常多，長年大批量制造，價格很低。在功耗、價格方面優(yōu)勢明顯，但將逐步讓位于H-CMOS和ALS—TTL，僅是目前還在廣泛使用。（3）74S系列（簡稱S、S—TTL等）。這是TTL的高速型，與LS—TTL一起成為重點產(chǎn)品。品種比74LS系列少，功耗比LS—TTL的大得多，但速度較高。（4）74ALS系列（簡稱ALS、ALS—TTL等）。采用介質(zhì)隔離、離了注入等新技術(shù)，寄生電容小、高，速度得以提高。這是LS—TTL的后繼產(chǎn)品，速度（傳輸時間典型值為4ns）、功耗（電型值為1mW）等都有較大改進，1983年TL公司已發(fā)表ALS和AS系列320種產(chǎn)品。特性近似LS系列，容易取代LS。（5）74系列（簡稱AS、AS-TTL等）。這是S—TTL的后繼產(chǎn)品，速度和功耗都比S-TTL有所改進，典型值為傳輸時間1.5ns、功耗8mW，是ALS系列的兄弟高速型。將要與ALS—TTL系列合起來成為TTL類型的新的主要標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。（6）74F系別（簡稱F、F-TTL或FAST等）。這是美國FSC采用介質(zhì)隔離、離子注入等新技術(shù)開發(fā)的類似于ALS、AS的高速版TTL產(chǎn)品，性能介于ALS和AS之間。品種較少，將來也可能成為TTL的主流產(chǎn)品之一。2.1.2與非門電路與非門是TTL集成電路的基礎(chǔ)，其他門電路與其大同小異。實現(xiàn)與非邏輯關(guān)系的電路稱為與非門電路，簡稱與非門。與非邏輯關(guān)系就是先“與”后“非”，邏輯表達式為2.2CMOS電路

CMOS電路由PMOS管和NMOS管組成的一種互補型MOS集成電路，簡稱CMOS電路，這種電路制造方便，功耗小，帶負(fù)載和抗干擾能力強，工作速度接近TTL電路，在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中多數(shù)采用這種電路。2.2.1CMOS集成電路主要系列簡介（1）4000B系列。4000B系列是CMOS的國際上流行的通用標(biāo)準(zhǔn)系列，與LS—TTL系列并列為20世紀(jì)80年代數(shù)字IC系列產(chǎn)品的代表。原先的4000B（美RCA）和4500B（美MOTA）已作為一個系列，國標(biāo)稱為CC4000B系列。一般來說其速度最低，功耗最小，并且價格低，品種多。（2）40H系列。40H系列是日本東芝公司初創(chuàng)的較高速鋁柵CMOS，以后夏普公司生產(chǎn)的，分別用TC40H、LR40H為型號。我國生產(chǎn)的定為CC40H系列，速度與N—TTL相當(dāng)，不及LS——TTL。因不久后出現(xiàn)了更高速版硅柵H—CMOS（74HC系列），隨之被取代，但在要求速度不太高的應(yīng)用中，從功耗、價格上來說仍有一定使用價值。（3）74HC系列（簡稱為HS或H—CMOS等）。74HC系列是具有CMOS低功耗性和LS—TTL高速性的產(chǎn)品。其初產(chǎn)于NSC（美國國家半導(dǎo)休公司）、MOTA（摩托羅拉）兩公司，爾后許多廠家也相繼開發(fā)成為第二產(chǎn)源，貨源豐富，不僅速度大大提高，還避免了CMOSR4000B系列等存在易阻塞（可控硅效應(yīng)易觸發(fā)）性等缺點。其性能均得到很大改進，品種豐富，有200種以上，引腳與TTL類相容，有少數(shù)屬4000B系列中的高速版品種與相應(yīng)4000B品種的引腳相容2.2.2或非門電路下面介紹GMOS或非門的工作原理實現(xiàn)或非邏輯關(guān)系的電路稱為或非門電路，簡稱或非門。或非邏輯關(guān)系就是先“或”后“非”。邏輯表達式為【任務(wù)實施】1.實施地點：電子技術(shù)實訓(xùn)室2.實訓(xùn)所需器材：（1）+5V直流穩(wěn)壓電源1臺（2）萬用表1塊（3）函數(shù)發(fā)生器1臺（4）雙蹤示波器1臺（5）CT74LS201片（6）電位器1只3.實施內(nèi)容與步驟（1）學(xué)生分組：4人左右一組，指定組長。工作始終各組人員盡量固定。（2）教師布置工作任務(wù)。學(xué)生了解工作內(nèi)容，明確工作目標(biāo)，制作實施方案。（3）教師通過圖片，實物或多媒體分析演示、讓學(xué)生了解TTL的功能和特性。（4）實際進行TTL的識別與測試發(fā)給學(xué)生幾片不同TTL集成塊要求學(xué)生從外形、型號及簡單的方法進行識別測試，分析各種TTL與非門的參數(shù)特性

①驗證TTL集成與非門74LS20

按圖5-1-6連接實驗電路，用邏輯開關(guān)改變輸入端A、B、C、D邏輯電平。門的輸入端接由LED發(fā)光二極管組成邏輯電平顯示器（又稱0-1指示器）的顯示插口，LED亮為邏輯“1”不亮為邏輯“0”。按表5-1-6，逐個測試集成塊中兩個與非門的邏輯功能，實驗測試中，只要對輸入1111，0111，1011，1101，1110等5項進行檢測就可以判斷其邏輯功能是否正常。表5-1-6

②74LS20主要參數(shù)的測試

a、按圖5-1-7導(dǎo)通電源電流Iccl，Iccl指所有輸入端懸空，輸出端空載時，電源提供器件的電源，測試結(jié)果的記入表5-1-7b、截止電源電流按圖5-1-7（b）接線，是指輸出端空載，每個門各有一個以上的輸入端接地，其余輸入端懸空，電源提供給器件的電流。測試結(jié)果計入表5-1-7中，通?！担鼈兊拇笮?biāo)志器件的靜態(tài)功耗的大小。C、低電平輸入電源按圖5-1-7（b）接線，是指被測輸入端接地，其余輸入端懸空，輸出端空載時，由被測輸入端流出的電流值，測試結(jié)果注入表5-1-7中。D、電壓傳輸特性按圖5-1-8接線，調(diào)節(jié)電位器RP使從零向高電平變化，逐點測試和的對應(yīng)值?！緦W(xué)習(xí)小結(jié)】1.門電路是利用半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性構(gòu)成的，是數(shù)字電路中最基本的邏輯單元。與門、或門和非門是三種基本邏輯門，能實現(xiàn)與、或、非三種基本邏輯關(guān)系。2.TTL、ECL以及，都屬于雙極型數(shù)字集成電路，因為這些電路所用的三極管都是雙極型的。TTL電器表現(xiàn)出的非邏輯功能，應(yīng)掌握熟悉其參數(shù)在外部表現(xiàn)出的電壓傳輸特性。3.在MOS數(shù)字集成電路中，CMOS電路是重點，由于采用了N溝道管的P溝道管互補式電路，所以功耗小，而且現(xiàn)在生產(chǎn)的高速CMOS路，其工作速度可與TTL電路媲美，在整個數(shù)字集成的電路中，CMOS電路占據(jù)主導(dǎo)地位的趨勢日益明顯?！咀晕以u估】（1）輸入波形如圖所5-1-9所示,試畫出下列輸出波形（2）不同系列的TTL門電路，在其開關(guān)特性和功耗方面有哪些主要差別？【任務(wù)描述】

將門電路按照一定的規(guī)律連接起來，可以組成只有各種邏輯功能的邏輯電路。而邏輯代數(shù)是分析和設(shè)計邏輯電路的數(shù)學(xué)工具，因此掌握邏輯代數(shù)是電子工程技術(shù)人員的基本技能?！救蝿?wù)分析】1.掌握邏輯代數(shù)的基本知識

2.掌握邏輯代數(shù)的代簡方法

3.組合邏輯電路的一般設(shè)計方法任務(wù)5.2四人表決器的設(shè)計與制作【知識準(zhǔn)備】1.邏輯代數(shù)的公式和定理;

1.1基本運算1.2基本定律2.邏輯代數(shù)的化簡直接根據(jù)邏輯要求而歸納出來的邏輯表達式及其對應(yīng)的邏輯電路，往往不是最簡單的形式，這就需要對邏輯表達式進行化簡。邏輯函數(shù)的化簡有公式法和卡諾圖法，公式化簡法就是運用邏輯代數(shù)的基本公式和定理來化簡邏輯函數(shù)的一種方法。3.組合邏輯電路的一般設(shè)計方法3.1組合邏輯電路設(shè)計的目的設(shè)計組合電路的目的是根據(jù)功能要求設(shè)計最佳電路。即根據(jù)給出的實際問題，求出能夠?qū)崿F(xiàn)這一邏輯要求的最簡的邏輯電路，這就是組合邏輯電路的設(shè)計，它是分析的逆過程。3.2設(shè)計組合邏輯電路的步驟

1）分析設(shè)計要求。根據(jù)題意，確定輸入、輸出個數(shù)及它們的相互關(guān)系，并對它們進行邏輯賦值（即確定0和1代表的含義）。

2）根據(jù)功能要求列出真值表。

3）根據(jù)真值表進行化簡，得到最簡邏輯表達式。

4）根據(jù)最簡表達式畫邏輯圖。例5-5

設(shè)計一個表決電路，有A、B、C三人進行表決，當(dāng)有兩人或兩人以上同意時決議才算通過，但同意的人中必須有A在內(nèi)。解：（1）確定輸入、輸出變量；設(shè)輸入變量A、B、C分別代表三個人，1表示同意，0表示不同意；輸出變量Y表示決議是否通過，1表示通過，0表示沒有通過。（2）根據(jù)題目要求列真值表，如表5-2-1所示。（3）由真值表寫出邏輯函數(shù)表達式并化簡得（4）畫出邏輯圖：邏輯電路圖如圖5-1a所示。若要求用與非門實現(xiàn)，則需要將化簡后的與或表達式轉(zhuǎn)換為與非形式，即畫出的邏輯電路圖如圖5-1b所示。【任務(wù)實施】實施地點：電子技術(shù)實訓(xùn)室實訓(xùn)所需器材（1）CT74LS175一片3.實施內(nèi)容與步驟（1）學(xué)生分組：4人左右一組，指定組長。工作始終各組人員盡量固定。（2）教師布置工作任務(wù)，學(xué)生了解工作內(nèi)容，明確工作目標(biāo)，制定實施方案。（3）教師通過圖片，實物或多媒體分析演示讓學(xué)生了解四人表決器的邏輯電器設(shè)