数电常用组合逻辑器件的原理及集成电路

常用组合逻辑器件的原理及集成电路在数字集成产品中有许多具有特定组合逻辑功能的数字集成器件，称为组合逻辑器件（或组合逻辑部件）。本节主要介绍这些组合器件，以及这些组合部件的应用。1.编码器和译码器（1）编码器组合逻辑部件中的编码器是对输入赋予一定的二进制代码，给定输入就有相应的二进制码输出。常用的编码器有二进制编码器和二—十进制编码器等。所谓二进制编码器是指输入变量数（m）和输出变量数（n）成2n倍关系的编码器，如有4线/2线，8线/3线，16线/4线的集成二进制编码器；二—十进制编码器是输入十进制数（十个输入分别代表0～9十个数）输出相应BCD码的10线/4线编码器。1）二进制编码器二进制编码器是对2n个输入进行二进制编码的组合逻辑器件，按输出二进制位数称为n位二进制编码器。二线―四线编码器编码器有4个输入（I0，I1，I2，I3分别表示0～3四个数或四个事件），给定一个数（或出现某一事件）以该输入为1表示，编码器输出对应二位二进制码（Y1Y0），其真值表如表3-1所示。根据真值表可得最小项表达式)4,1()I,I,I,(IY32100m，)2,1(I,I,I,IY32101m。进一步分析表3-1，若限定输入中只能有一个为“1”，那么，除表3-6所列最小项和m0外都是禁止项，则输出表达式可以用下式表示：31310IIIIY32321IIIIY。图3-22线/4线编码器由此输出函数表达式可得与非门组成的，如图3-2所示的2线/4线编码器逻辑图。2）优先编码器由上述编码器真值表可以知道，4个输入中只允许一个输入有信号（输入高电平）。若I1和I2同时为1，则输出Y1Y0为11，此二进制码是I3有输入时的输出编码。即此编码器在多个输入有效时会出现逻辑错误，这是其一。其二，在无输入时，即输入全0时，输出Y1Y0为00，与I0为1时相同。也就是说，当Y1Y0=00时，输入端I0并不一定有信号。为了解决多个输入同时有效问题可采用优先编码方式。优先编码指按输入信号优先权对输入编码，既可以大数优先，也可以小数优先。为了解决输出唯一性问题可增加输出使能端EO，用以指示输出的有效性。大数优先的优先编码器真值表如表3-2所示。表3-2中增加一个输入使能信号EI，EI等于零时，禁止输入，此时无论输入是什么，输出都无效。只有EI等于1时才具有优先编码功能。增加的输出使能信号EO为1时，表示输出有效。32I332I1IIEIIIEYI0I1I2I3Y1Y0100000010001001010000111表3-12线/4线编码器真值表111&&I1I2I3I0Y0Y1EII0I1I2I3Y1Y0EO表3-22线/4线优先编码器真值表0××××00010000000110000011×1000111××101011×××1111321I3321I0IIIEIIIIEY3210I3323213210IOIIIIEIIIIIIIIIIEE。（a）（b）图3-3具有输入输出使能的优先编码器（a）逻辑图（b）方框图由于输入变量数较多，一般通过对真值表分析直接写表达式。例如，Y1有两项“1”，对应有两个乘积项。一项为EII3，另一项为32IIIE。再利用吸收公式简化，得Y1表达式。同理，可得Y0，EO两个输出表达式。用与或非门实现此逻辑功能的逻辑图如图3-3（a），图（b）给出了该逻辑电路的方框图，一般输入写在方框左边，输出写在方框右边。方框图只能表示输入和输出端，而输入输出间逻辑关系需用功能表或真值表来描述。3）二—十进制编码器二—十进制编码器码对十个输入I0～I9（代表0～9）进行8421BCD编码，输出一位BCD码（ABCD）。输入十进制数可以是键盘，也可以是开关输入。但输入有高电平有效和低电平有效之分，如图3-4。图3-4（a）中开关按下时给编码器输入低电平有效信号；（b）图中开关按下时给编码器输入高电平有效信号。比较（a）（b）二图，（a）图中R可选较大阻值，（b）图中R应小于门电路的关门电阻ROFF，实际应用中多采用低电平有效信号。（a）（b）图3-4键控输入信号（a）低电平有效信号（b）高电平有效信号若输入信号低电平有效可得二—十进制编码器真值表（表3-3），表中输入变量上的非代表输入低电平有效的意义。&≥1&≥1&≥1EI1I0I1I2I3111EOY1Y0VCCI0I9RRI0I1I2I3EIY0Y1EOVCCI0I9RR输出逻辑函数为：D=“9”+“8”8989IIIIC=“7”+“6”+“5”+“4”45674567IIIIIIIIB=“7”+“6”+“3”+“2”23672367IIIIIIIIA=“9”+“7”+“5”+“3”+“1”1357913579IIIIIIIIII式中“9”表示开关9合上，同时只能有一个开关合上。采用与非门实现十进制编码电路的逻辑图如图3-5（a）所示，因为只有九个输入又叫9线/4线编码器。图3-5（b）用方框表示此编码器，输入端用非号和小圈双重表示输入信号低电平有效，并不表示输入信号要经过两次反相。输出端没有小圈和非符号，表示输出高电平有效。（a）（b）图3-510/4线编码器（a）逻辑图（b）方框图4）集成编码器编码器集成电路有TTL集成编码器也有CMOS集成编码器，按功能又有多种型号。这里仅介绍74147和74148集成编码器。①8线—3线优先编码器7414874148是TTL三位二进制优先编码器，双排直立封装74148的内部逻辑图和引脚分布如图3-6（a）所示，括弧中数字为引脚号。它有8线输入0I～7I以及输入使能IE共9个输AI3I1I2I4I5I6I7I8I9BCD&&&&I1I2I3I4I5I6I7I8I9DCBA输入输出十进制数I0I1I2I3I4I5I6I7I8I9DCBA001111111110000110111111110001211011111110010311101111110011411110111110100511111011110101611111101110110711111110110111811111111011000911111111101001表3-34/10线编码器真值表入端；共有5个输出端，其中，3线编码输出2Y～0Y，一个输出编码有效标志GS和一个输出使能端OE。74148功能表见表3-4。由表3-4可以知道，输入使能信号IE低电平有效，IE低电平时实现8线—3线编码功能；IE高电平时禁止输入，输出与输入无关均为无效电平。输入信号0I～7I也是低电平有效。在IE=0，输入中有信号（0I～7I中有0时），GS输出低电平（低电平有效），表示此时输出是对输入有效编码；IE=0及无输入信号（0I～7I中无0）或禁止输入（IE=1）时，GS输出高电平，表示输出信号无效。当编码器处于编码状态（IE=0）且输入无信号时，输出使能OE为低电平。OE可作为下一编码器的IE输入，用于扩展编码位数。三位二进制输出是以反码形式对输入信号的编码，或者说输出也是低电平有效的。图3-6（b）和（c）分别给出了74148的方框图和国标符号图（标准符号）。方框图仅能够反映器件的输入输出及其有效电平，但按新国家标准画的符号图不仅反映器件的输入输出及其有效电平，而且能够反映器件输入输出之间的控制关系和器件功能。符号图中HPRI/BIN是总限定符号，表示器件逻辑功能是优先编码。编码输出（6，7，9）端受控制端（ENα）影响（控制），输出端符号中α表明受控于ENα，符号中标号表示该输出在二进制码中的位置，即输出信号下标。输入输出端小圈表示输入和输出都是低电平有效。符号Z表示内部互连，使能端有效及输入有信号（Z10～Z17中有1）时，14号输出端（GS）为低电平。反之，使能端高电平或输入无信号（Z10～Z17全0）时，14号端高电平。15号端OE受V18控制，使能端为高电平该输出端置1，使能端为低电平该输出端为Z10～Z17的或输出。即输入使能条件下，且无输入信号时15号端OE输出低电平。标准符号图说明了以上输入输出关系，由此可以得倒该器件功能表。（b）HPRI/BIN0/Z101/Z112/Z123/Z134/Z145/Z156/Z167/Z171011121314151617≥118α0α1α2αENα/V1810111213123456791415&≥1&≥1&≥1111111111111&&I0I1I2I3I4I5I6I7EIEOGSY0Y1Y2(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(9)(10)(11)(12)(13)(14)(15)Y0I2I0I1I3I4I5I6I7EIY1Y2GSEO（a）（c）图3-68线/3线键控编码器74148（a）逻辑图（b）方框图（c）符号图②二—十进制优先编码器74147十进制优先编码器74147的真值表见表3-5，与74148相比较，74147没有输入和输出使能端，也没有标志位（GS），实际应用时要附加电路来产生GS。和74148一样，74147输入和输出信号也都是低电平有效的，输出为相应BCD码的反码。图3-7分别给出了74147的方框图和符号图，此两图并无本质区别，但符号图的总限定符号HPRI/BCD说明了是键控BCD编码器，双排直立封装的引脚如图中所示。（a）（b）图3-79线/4线编码器74147（a）方框图（b）符号图③74148扩展应用图3-8是用两片74148实现16线/4线编码器的逻辑图。图中，高位编码器芯片74148-2的OE接低位编码器芯片74148-1的IE，即高位编码器的OE控制低位编码器的工作状态。123456711121312345108967914HPRI/BCD1248I1I2I3I4I5I6I7I8I9ABCD输入输出十进制数I0I1I2I3I4I5I6I7I8I9DCBA0011111111111111X01111111111102XX0111111111013XXX011111111004XXXX01111110115XXXXX0111110106XXXXXX011110017XXXXXXX01110008XXXXXXXX0101119XXXXXXXXX00110表3-574147真值表11111111111111EII0I1I2I3I4I5I6I7Y2Y1Y0GSEO表3-474148真值表1XXXXXXXX1111101111111111110001111111111010X0111111110010XX011111101010XXX01111100010XXXX0111011010XXXXX011010010XXXXXX01001010XXXXXXX000001图中高位编码器（IE接地）始终处于编码状态，输入（8I～15I中）有信号时，74148-2的OE为“1”禁止74148-1工作，同时又作为高电平有效的四位二进制输出的最高位（MSB）Y3。例如，1415II=10，74148-2编码输出001，74148-1禁止输出111，经与非门输出Y2Y1Y0=110，考虑到OE=1，合成输出Y3Y2Y1Y0=1110，即14的二进制码。若15I～8I=11111111，7I=0，74148-2的EO=0，74148-1编码输出000，合成输出Y3Y2Y1Y0=0111，即7的二进制码。注意到集成电路有效输出时标志位低电平，经与非门反相后变为高电平有效的标志信号GS。如果将图3-8中与非门改为与门，则Y3Y2Y1Y0和GS又都成低电平有效的信号。图3-8用74148实现4位二进制编码器（2）译码器译码是编码的逆过程，所以，译码器的逻辑功能就是还原输入逻辑信号的逻辑原意。按功能，译码器有两大类：通用译码器和显示译码器。1）通用译码器这里通用译码器是指将输入n位二进制码还原成2n个输出信号，或将一位BCD码还原为10个输出信号的译码器，称为二线—四线译码器，三线—八线译码器，四线—十线译码器等。①二