数字逻辑与数字系统课件

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无关项对应的变量取值卡诺图格中填。
二、用卡诺图化简逻辑函数的规则和步骤
(1)以矩形圈形式合并2n个函数值(为1)相同的卡诺 图格,消去取值不同的变量,形成一个乘积项。
(2) 圈从大到小,直到所有函数值相同(为1)的格全 部圈过。但每个圈中必须至少包含一个没有被 其它圈包围的独立格。
(3)圈尽可能大,使乘积项的变量因子尽可能少。 圈尽可能少,使乘积项的个数尽可能少。
低电平扇出:NL= IOLmax/ IIL
高电平扇出: NH= IOHmax/ IIH
NL < NH
6、 平均传输延迟时间(tpd)
输出信号延迟于输入信号的时间,反映了处理速度
7、功耗
逻辑门消耗 的能量:导通功耗Pon和截止功耗Poff
第二章 组合逻辑电路
组合逻辑的电路结构: 信号从输入端逐级向输出传输,没有后级向前级
个变量取值不同。
AB AB AB AB
2、卡诺图的每个格代表了函
C D0 C D4 CD12 C D8
数的一个最小项。
B
AB AB AB AB
3、相邻两个最小项可以合并 成一个乘积项,并消去一 C 个取值不同的变量。
C D1 AB C D3
C D5 CD13 AB AB C D7 CD15
C D9 AB CD11
三、数据选择器应用 1、信号选择控制 2、改变信号传输发式 多路并行数据分时顺序输出,转换成串行数据。
数字信号的传输方式: 并行方式----------一个信息(byte or word)的n 位数符同时传输,传输速率较高。需要n条信号 线和一条公共接地线。 串行方式----------一个信息的n位数符以统一的 时钟周期按位序依次传输,传输速率较低。只要 一条信号线和一条公共接地线。可以采用移位时 钟脉冲或依约定的速率传输
输出低电平电压UOLmax小于标准低电平U(0)
2、 输入电压指标
当逻辑门的输入信号电压的最小高电平UIHmin高 于开门电平Uon为逻辑1,
最大低电平UILmax 低于关门电平Uoff为逻辑0。信 号电平不能在Uon和Uoff之间
UOHmin>UIHmin 高电平抗干扰容限=UOHmin-UIHmin UILHmax>UOLmax 低电平抗干扰容限= UILmax-UOLmax
得满足设计要求的表达式形式。 5、根据表达式画逻辑图,并检查电路的驱动或
时间延迟等是否符合工程要求。
2.2.2逻辑问题的描述
1、分析要解决的问题,确定必要的逻辑变量。 2、列真值表示各逻辑变量之间的关系。
简化真值表: *只列函数值为“1”的变量组合。 *若某变量的取值对函数值没有影响,则用×表
示取值“1”、“0”均可。
2、最小项表达式: (标准与-或表达式) 由函数值为1的变量取值对应的最小项相加构
成的与-或表达式
3、最小项代表符m i
序号i为最小项中的原变量取1,反变量取0, 按变量排序组成的二进制数对应的十进制数值。
4、最小项和式∑m
用最小项代表符m i构成的最小项表达式
F(A,B,C,…)= ∑m
例:14
3、实现单输出组合逻辑函数(函数发生器)。 方法:
当使能有效(ST=“0”),函数变量从选择控制端输 入,输出可写成函数变量最小项和对应数据输入 相与的或项。
(1)写函数的最小项表达式。 (2)数据选择器的使能接有效电平。 (3)根据数据选择器的控制输入端数选择函数 的变量数,并按最小项编号的位序从控制端输入
3、 输入电流指标 逻辑门输入高电平时电流IIH流入输入端, 逻辑门输入低电平时电流IIL从输入端流出。
4、 输出电流指标
逻辑门输出高电平时电流流出输出端,有最大值限制IOHmax 。
逻辑门输出低电平时电流从输出端流出,有最大值限制
IOLmax。
5、 输出能力(扇出系数N)
逻辑门输出端可以最多连接其他门输入端的个数
4、基本型号:74139(双2:4线译码器) 2位码输入,4个开关量输出,一个低电平有效的使能G 74138(3:8线译码器) 3位码输入,8个开关量输出,三个使能控制:EN=G1G2AG2B;
使函数值为“1”的最小项之逻辑和。
F =A B C + A B C + A B C +A B C
F(A、B、C)= m0 + m1 + m2 + m4 =∑m(0、1、2、4)
与真值表中为“1”的项数相同。
1.4卡诺图
1.4.1卡诺图的结构和特点: 1、将变量分为行、列两组,
B
A
AB
相邻列(行)之间只有一 CD
(4) 比较函数的最小项表达式和数据选择器的输 出表达式,确定各Di的值。
2.5.3数据分配器
结构:单数据输入、多输出
输入端:使能控制(选通)1个ST,选择控制n(An1~A0),数据输入 1个D,输出端: 2n个Y0~Y2n-1
功能:当使能有效时(被选通),根据选择控制信号将数据 分配给多路输出中的一路。
2.3考虑特殊问题的逻辑设计
2.3.1多输出函数的逻辑设计 在化简函数时保留各输出的公共项,以使整个电
路形式最简。 2.3.2利用无关项的逻辑设计 利用对函数值没有影响的输入任意项使函数更简。 2.3.3考虑级数的逻辑设计 逻辑门级数(与、或、非运算层次)增加,电路
时间延迟增加。 (1级与非门延迟1ty,1级与或非门延迟1.5ty) 逻辑门级数减少,某些门的输入端可能增加。
2、功能:当使能有效时(被选通),端口下标与输入的二进制码值相 同的输出端为有效电平,指示了当前输入码,其他端口输出无效电平。
一组输入码只能使唯一的一个输出有效(电平与其他输出端不同)。
3、输出表达式:Yi ( An -1 -A0) =mi (使能控制有效时) 每个输出信号对应了输入码构成的最小项的反函数。
2.4 组合逻辑中的竞争冒险
电路输出信号与输入信号不符合应有的逻辑运算关 系
2.4.1竞争冒险的概念及其产生的原因 竞争——同时输入的信号通过不同途径到达同一个
门的时间有先后。 冒险——由于竞争造成逻辑门错误输出干扰脉冲的
现象。 F=AA,在A信号的上升沿(0->1)产生正脉冲冒险 F=A+A,在A信号的下降沿(1->0)产生负脉冲冒险
相邻两列消去列变量。
AB AB AB AB C D2 C D6 CD14 CD10
相邻两行消去行变量。
A、B、C、D 取值 1
4、具有循环邻接性。
A、B、C、D 取值 0
1.4.2用卡诺图化简逻辑函数
一、由函数表达式写其卡诺图: 1、由最小项表达式写卡诺图
将表达式中出现的最小项所对应的卡诺图格 中填入“1”,其余格填“0”。 2、由非最小项表达式写卡诺图 将函数转换成与-或表达式,在每个乘积项的 变量范围内填入“1”,其余格填“0”。 3、具有无关项的函数的卡诺图
A1 A0
00
Y0
D
例15.利用数据选择器和数据分配器实现4路数据传输电路 解: 4/1数据选择器74153输出连1 / 4分配器74155数据输入
2.5.4译码器
一、多一译码器
1、结构:多输入、多输出 输入:使能控制(选通)若干个,n位二进制码A0-An-1, 输出开关量信号: Y0-Ym-1 (m=2n)
2.1.3列真值表分析 如果从表达式不能直接分析电路功能,可列真
值表确定。
2.2组合逻辑设计
根据任务要求设计电路实现逻辑功能 2.2.1采用小规模逻辑门设计组合电路的步骤: 1、分析任务要求,归纳成逻辑问题。 2、确定输入、输出变量及逻辑定义。 3、根据逻辑问题的因果关系写逻辑表达式或列
函数真值表,写最小项表达式。 4、化简逻辑函数得最简表达式或变换逻辑关系
1.3.3利用布尔代数化简逻辑函数
化简方法: 并项法: 利用A +A=1并项,消变量。 例7: F=ABC +ABC =AB(C +C) =AB 吸收法:利用A+AB=A并项,消变量。 例8: F=AB +ABCD(E+F)=AB(1+CD(E+F)) =AB 消去法:利用A+AB=A+B,消变量。 例9: F=AB +AC+BC=AB+C(A+B)
=AB+ABC=AB+C 配项法:利用A=A(B+B)配项,消去其他项的变量。 例10: F=AB +AC+BC=AB+AC+ (A+A) BC
=AB+ABC+AC+ABC=AB+AC
化简要求:
1、逻辑表达式最简 2、逻辑运算关系统一
最简与-或表达式: 乘积项最少且乘积项中变量因子最
少。
1.4 卡诺图
2.5.2 集成电路规模的划分 小规模集成电路SSI—— 器件集成。
中规模集成电路MSI—— 构件集成。如数据选择 器、译码器、编码器等。
大规模集成电路LSI——子系统集成,定时器等。
超大规模集成电路VLSI——系统集成。 单片机、中央处理器(CPU)等。
2.5.2数据选择器——多路开关
一、结构:多输入、单输出
(4)所有乘积项之逻辑和为函数的最简与-或表达式。
三、具有无关项的逻辑函数表示方法
1、无关项
对函数值没有影响的变量组合所对应的最小 项,用符号表示其函数值。(如BCD码中的 伪码组合),用 i表示,i取值同最小项。 2、具有无关项的逻辑函数最小项表达式
f=∑m+∑ 3、具有无关项的逻辑函数卡诺图
在无关项格中-填入或X,表示函数值任意。 4、具有无关项逻辑函数的化简
的反馈。
组合逻辑的特点: 任何时刻电路的输出状态只与当前的输入信号的
状态有关,与电路原来的输出状态无关。
2.1组合逻辑分析
任务:根据已知电路图,分析输入、输出关系, 确定电路功能。
方法:
2.1.2逐级电平推导 根据电路逐级分析使输出为1的各输入条件组合,
分析电路功能。
2.1.2列表达式分析
根据电路图从输入到输出逐级写逻辑表达式,化 简后分析电路功能。
当三输
入中至少 有两个输 入为低时 输出为高。
变量取值
ABC 000 001 010 011 100 101 110 111
最小项 最小项符 函数值
mi
F
A B C m0
1
A B C m1
1
A B C m2
1
A B C m3
0
A B C m4
1
A B C m5
0
A B C m6
0
A B C m7
0
函数的最小项表达式:
2.4.2消除竞争冒险的方法
1、增加选通信号P 当信号改变时,选通信号无效,封锁逻辑门; 当信号稳定后,选通信号才有效,允许逻辑门输
出改变。 需要考虑选通信号与输入信号的时序关系。
2、修改逻辑设计 增加冗余项,改变电路,屏蔽逻辑门输入的互补
信号影响 。
例: F=AB+BC
ABC F
000 0 001 1
无关项可以任意取值“0”或“1”以满足合 并圈扩大的化简要求,但不必全部圈。
1.5 集成门电路外特性
一、集成门电路类型: TTL ----电源固定为5V。速度较快,功 耗较大。常用于电子设备或台式仪器。 CMOS----电源范围可由3-18V,功耗小, 性能稳定,常用于便携式仪器或设备。
二、集成门电路的主要参数指标: 1、输出电压指标 输出高电平电压UOHmin大于标准高电平U(1)
当A=“1”且C=“1”时,F=B+B。在 B信号的下降沿 ,由于B滞后于 B,使F=“0”,产生竞争冒险。
010 0 011 0 100 0 101 1 110 1
增加冗余项AC,使:
F=AB+BC=AB+BC+AC 当A=“1”且C=“1”时,
F=B+B+1=“1”,消除竞争冒险。
111 1
2.5常用中规模组合逻辑标准构件
输入端:使能控制(选通) 1个
:ST
路径选择控制
n个:An-1~A0
数据输入
2n个 :D2n-1~D0
二、功能:当使能有效时(被选通),根据路径选择信
号从多路数据中选择一路给输出。
A1A0
应用:
D0
00
1、数据选择
D1
01
2、函数发生器
D2
10
Y 3、并行数据转换成
D3
11
串行数据
74153 双四选一MUX 74151 八选一MUX
2.2.3逻辑函数变换
1、与非-与非形式 卡诺图圈“1” 得原函数最简与-或表达式,运用
摩根定律得与非-与非表达式。
2、与-或-非形式 卡诺图圈“0”求反函数,运用摩根定律得原函数
的与-或-非表达式。(两次求反,反函数求反)
3、或非-或非形式 卡诺图圈“0”求反函数,对各乘积项和函数运用
摩根定律得 或非-或非表达式。(两次求偶)
1.4.1 卡诺图的结构与特点
是真值表的图格形式。所有变量分成行、列 两组,按循环码取值排列。相邻两行或两列只有 一个变量取值不同。
1、逻辑函数的最小项:
包含了该函数全部变量的乘积项,每个变量 可以是原变量(取值1)或反变量(取值0) 。
n个变量的逻辑函数有2n个最小项,与函数真值 表的变量取值(卡诺图的格)一一对应。
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