门电路和组合逻辑电路

第20章门电路和组合逻辑电路20.1数制和脉冲信号20.2基本门电路及其组合20.5逻辑代数20.4CMOS门电路20.3TTL门电路20.6组合逻辑电路的分析和设计20.7加法器20.8编码器20.9译码器和数字显示20.10数据分配器和数据选择器20.11应用举例模拟信号数字信号电子电路中的信号模拟信号：在时间上或数值上连续变化的信号。处理模拟信号的电路称为模拟电路。如整流电路、放大电路等，注重研究的是输入和输出信号间的大小及相位关系。在模拟电路中,晶体管通常工作在放大区。ttuuttttuuttuuttuu三角波信号三角波信号正弦波信号正弦波信号数字信号(也称脉冲信号)：在时间上和数值上都是不连续变化的，即是一种跃变信号，并且持续时间短暂。处理数字信号的电路称为数字电路，它注重研究的是输入、输出信号之间的逻辑关系。在数字电路中，晶体管一般工作在截止区和饱和区,起开关的作用。矩形波矩形波t矩形波矩形波tt尖顶波尖顶波t尖顶波尖顶波tt前面几章讨论的都是模拟电路，后面几章将讨论的是数字电路。数字电路和模拟电路都是电子技术的重要基础。数字电路的广泛应用和高度发展，标志着现代电子技术的水准，电子计算机、数字式仪表、数字化通信以及繁多的数字控制装置等都是以数字电路为基础。20.1.1数制在数字体制中，常用的是十进制,它有0～9十个数码，计数规则为“逢十进一”。20.1数制和脉冲信号1.常用数制数制是计数进位制的简称。在数字电路中常用的数制有十进制、二进制、八进制和十六进制。(1)十进制各个数码处于十进制数的不同数位时,所代表的数值不同,即不同数位有不同数位的“位权”值。整数部分从低位至高位每位的权依次为：100、101、102、…;小数部分从高位至低位每位的权依次为：101、10–2、10–3、…。十进制的基数(底数)是10。如：(123.45)10=1102+2101+3100+4101+5102(2)二进制二进制有0和1两个数码，基数是2，计数规则为“逢二进一”。二进制数可转换为十进制数，例如：(110101.01)2=125+124+023+122+021+120+02-1+12-2=(53.25)10(3)八进制八进制有0~8八个数码，基数是8，计数规则为“逢八进一”。八进制数可转换为十进制数，例如：(32.4)8=381+280+48−1=(26.5)10(4)十六进制十六进制有0~9,A(10),B(11),C(12)，D(13)，E(14)，F(15)十六个数码，基数是16，计数规则为“逢十六进一”。十六进制数可转换为十进制数，例如：(3B.6E)16=3161+B160+616−1+1416−2(59.4)102.十进制数转换为任意进制数(1)十二进制转换十进制数转换为二进制数分整数和净小数两部分进行。整数部分的转换采取除2取余法，直到商为零为止。例如将十进制数(27.35)10转换成二进制数。………………余数1(d0)………………余数1(d1)………………余数0(d2)………………余数1(d3)………………余数1(d4)2272132623210整数部分的转换(除2取余法，直到商为零为止。净小数部分的转换采取乘2取整法，直到满足规定的位数为止。0.352=0.7……整数0(d1)0.72=1.4……整数1(d2)0.42=0.8……整数0(d3)0.82=1.6……整数1(d2)0.62=1.2……整数1(d5)0.22=0.4……整数0(d6)(27.35)10=(d4d3d2d1d0.d-1d-2d-3d-4d-5d-6)=(11011.010110)2(2)十八进制转换十进制数二进制数将二进制数整数部分从低位开始每3位划为一组；将小数部分从高位开始每3位划为一组。例：将十进制数27.35转换成八进制数。(27.35)10=(33.26)8(011011.010110)2(33.26)8(3)十十六进制转换(00011011.01011000)2(1B.58)16(27.35)10=(1B.58)16脉冲幅度A脉冲上升沿tr脉冲周期T脉冲下降沿tf脉冲宽度tp脉冲信号的部分参数：实际的矩形波20.1.2脉冲信号脉冲信号有正和负之分。正脉冲：脉冲跃变后的值比初始值高。负脉冲：脉冲跃变后的值比初始值低。A0.9A0.5A0.1AtptrtfTA0.9A0.9A0.5A0.5A0.1A0.1AtptrtfT0+3V03V0+3V03V0+3V03V0+3V03V20.2基本门电路及其组合逻辑门电路是数字电路中最基本的逻辑元件。所谓门就是一种开关，它能按照一定的条件去控制信号通过或不通过。门电路的输入和输出之间存在一定的逻辑关系(因果关系)，所以门电路又称为逻辑门电路。20.2.1逻辑门电路的基本概念基本逻辑关系为与、或、非三种。下面通过例子说明逻辑电路的概念及与、或、非的意义。设开关断开、灯不亮用逻辑0表示,开关闭合、灯亮用逻辑1表示。逻辑表达式Y=A•B1.与逻辑关系与逻辑关系是指当决定某事件的条件全部具备时，该事件才发生。000101110100ABY状态表220V+220V+YBABY220VA+BY220VA+2.或逻辑关系或逻辑关系是指当决定某事件的条件之一具备时,该事件就发生。逻辑表达式Y=A+B000111110110ABY状态表+RYAY220V+RYAY220V3.非逻辑关系非逻辑关系是否定或相反的意思。逻辑表达式Y=A状态表101AY0由电子电路实现逻辑运算时，它的输入和输出信号都是用电位(或称电平)的高低表示的。高电平和低电平都不是一个固定的数值,而是有一定的变化范围。门电路是用以实现逻辑关系的电子电路，与前面所讲过的基本逻辑关系相对应。门电路主要有：与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门等。20.2.2分立元器件基本逻辑门电路20.2基本门电路及其组合100VUCC高电平低电平电平的高低电平的高低一般用一般用11和和00两种状态区别两种状态区别,,若规定若规定高电平高电平为为1,1,低电平为低电平为0,0,则称为则称为正逻正逻辑辑。反之则称。反之则称为为负逻辑负逻辑。若。若无特殊说明无特殊说明,,均均采用正逻辑。采用正逻辑。+UCC(+5V)RD1D2ABY+UCC(+5V)RD1D2ABY1.二极管与门电路(1)电路(2)工作原理输入A、B全为高电平1，输出Y为1。输入A、B不全为1，输出Y为0。与门逻辑状态表100000011101ABY输入输出00000101111101ABY输入输出1.二极管与门电路(3)逻辑关系:与逻辑即：有0出0，全1出1。逻辑表达式Y=A∙B逻辑符号&ABY&ABY与门逻辑状态表100000011101ABY输入输出00000101111101ABY输入输出100000000011101ABY输入输出00000101111101ABY输入输出.RD1D2ABY-UCC.RD1D2ABY-UCC(2)工作原理输入A、B全为低电平0，输出Y为0。输入A、B有一个为1，输出Y为1。11102.二极管或门电路(1)电路00011101或门逻辑状态表ABY输入输出2.二极管或门电路(3)逻辑关系:或逻辑即：有1出1，全0出0。Y=A+B逻辑表达式逻辑符号ABY≥ABY≥111000011101或门逻辑状态表ABY输入输出111000011101或门逻辑状态表ABY输入输出+UCC-UBBARKRBRCYT+UCC-UBBARKRBRCYT3.晶体管非门电路截止(2)逻辑表达式Y=A01(1)电路011010AY非门逻辑状态表饱和逻辑符号1AY逻辑符号1AY1.与非门电路有0出1，全1出0。与非门20.2.3基本逻辑门电路的组合逻辑表达式Y=A∙BY&ABY&AB&AB1Y&AB&AB1Y1Y与门非门000111100111ABY输入输出000001011111100110111ABY输入输出与非逻辑状态表或非门20.2.3基本逻辑门电路的组合2.或非门电路有1出0，全0出1。Y=A+B逻辑表达式或或门门AB1AB11非非门门1Y1Y或或门门AB1AB11非非门门1Y1Y000101100101ABY输入输出000101100101ABY输入输出或非逻辑状态表Y≥≥1ABY≥≥1ABBY11ABY2BY11ABY2BY1BY11ABY211ABY2ABY2&A例：根据输入波形画出输出波形ABY1有0出0，全1出1。有1出1，全0出0。Y23.与或非门电路20.2.3基本逻辑门电路的组合Y=A∙B+C∙D逻辑表达式逻辑符号ABC&1&D1YABC&11&D111YY1&&YABCD11&&YABCD20.3TTL门电路(晶体管—晶体管逻辑门电路)TTL门电路是双极型集成电路，与分立元件相比,具有速度快、可靠性高和微型化等优点,目前分立元件电路已被集成电路替代。下面介绍集成与非门电路的工作原理、特性和参数。T5YR3R5ABCR4R2R1T3T4T2+5VT1T5YR3R5ABCR4R2R1T3T4T2+5VT1输入级中间级输出级20.3.1TTL与非门电路1.电路E2E3E1B等效电路C多发射极晶体管T5YR3R5ABCR4R2R1T3T4T2+5VT1T5YR3R5ABCR4R2R1T3T4T2+5VT1(1)输入全为高电平1(3.6V)时2.工作原理4.3VT2、T5饱和导通钳位2.1V发射结反偏截止0(0.3V)负载电流（灌电流）输入全高1输出为低01VT1R1+UCC3.6V1T5YR3R5ABCR4R2R1T3T4T2+5VT12.工作原理T2、T5截止负载电流（拉电流）(0.3V)10输入有低0输出为高11V(2)输入端有任一低电平0(0.3V)流过发射结的电流为正向电流5VVY(50.70.7)V=3.6V有0出1全1出0与非逻辑关系与非门Y&ABCY&ABC逻辑表达式Y=A∙B∙C00010011101111011001011101011110ABYC与非与非逻辑状态表逻辑状态表000100000010011001001110111101100101110101101110110111101110110110011001001011101101110101010010111101111110ABYC与非与非逻辑状态表逻辑状态表ABYC与非与非逻辑状态表逻辑状态表74LS20、74LS00引脚排列示意图(1)电压传输特性输出电压UO与输入电压UI的关系。3.TTL与非门特性及参数电压传输特性测试电路&&+5V+5VUUIIUUOOVVVV&&+5V+5VUUIIUUOOVVVV(2)TTL“与非”门的参数电压传输特性典型值3.6V，≥2.4V为合格典型值0.3V，≤0.4V为合格输出高电平电压UOH输出低电平电压UOL输出高电平电压UOH和输出低电平电压UOL指一个与非门能带同类门的最大数目，它表示带负载的能力。对于TTL与非门,NO≥8。扇出系数NO平均传输延迟时间tpd2pd2pd1pdtttTTL的tpd约为10~40ns，此值愈小愈好。输入高电平电流IIH和输入低电平电流IIL当某一输入端接高电平，其余输入端接低电平时，流入该输入端的电流，称为高电平输入电流IIH(A)。当某一输入端接低电平，其余输入端接高电平时，流出该输入端的电流，称为低电平输入电流IIL(mA)。若要保证输出为高电平，则对电阻值有限制RIILUNLIIL0&&Y11R10&&Y11R1&&Y11R1T5YR3R5ABCR4R2R1T3T4T2+5VT1T5YR3R5ABCR4R2R1T3T4T2+5VT1DE20.3.2三态输出与非门电路1电路D控制端截止当控制端当控制端为高电平为高电平11时时,,实现正实现正常的常的与非与非逻辑关系逻辑关系YY==AA••BB当控制端当控制端为高电平为高电平11时时,,实现正实现正