实验三 组合逻辑电路

实验三组合逻辑电路
一、实验目的
1. 通过简单的组合逻辑电路设计与调试，掌握采用小规模（SSI）集成电路设计组合逻辑电路的方法。

2. 用实验验证所设计电路的逻辑功能。

3. 熟悉、掌握各种逻辑门的应用。

二、实验原理
组合逻辑电路是最常见的逻辑电路之一，可以用一些常用的门电路来组合成具有其他功能的门电路。

组合逻辑电路在逻辑功能上的特点是任意时刻的输出仅仅取决于该时刻的输入，而与电路过去的状态无关。

在电路结构上的特点是只包含门电路，而没有存储（记忆）单元。

在使用中、小规模集成电路来设计组合电路时，一般步骤如图3-1所示：
1. 进行逻辑抽象，首先根据设计任务的要求建
立输入、输出变量，列出其真值表。

2. 用卡诺图或代数法化简，求出最简逻辑表达
式。

3. 根据简化后的逻辑表达式，画出逻辑电路图。

若已知逻辑电路，欲分析组合电路的逻辑功能，
则分析步骤为：
1. 由逻辑电路图写出各输出端的逻辑表达式。

2. 由逻辑表达式列出真值表。

3. 根据真值表进行分析，从而确定电路功能。

组合电路的设计过程是在理想情况下进行的，
即假设一切器件均没有延迟效应。

图3-1 组合逻辑电路设计流程图
三、实验仪器及器件
1. EL-ELL-Ⅳ型数字电路实验系统
2. 集成电路芯片：74LS00 74LS04 74LS86等
四、实验内容及步骤
1. 测试用异或门和与非门组成的半加器的逻辑功能
如果不考虑来自低位的进位而能够实现将两个1位二进制数相加的电路，称为半加器，半加器的符号如图3-2所示。

半加器的逻辑表达式为：
AB CO
B
A
B
A
B
A
S
=
⊕=
+
=
根据半加器的逻辑表达式可知，半加和S是输入A、B的异或，而进位CO则为输入A、B相与，故半加器可用一个集成异或门和二个与非门组成，电路如图3-3所示。

CO
A B
S CO
图3-2 半加器符号 图3-3 异或门和与非门组成的半加器逻辑电路
在实验仪上用74LS00及74LS86按图3-3接线，当输入端A 、B 为表3-1所列状态时，测量输出端S 及CO 的逻辑状态，将结果记录于表3-1中。

表3-1 半加器的逻辑功能测试记录
2. 由加法器组成的组合逻辑电路的设计与测试
在将两个多位二进制数相加时，除了最低位以外，每一位都应该考虑来自低位的进位，即将两个对应位的加数和来自低位的进位3个数相加。

能实现这种运算的电路称为全加器。

电路的输入有被加数A 、加数B 以及来自相邻低位的进位数CI ，输出有全加和S 与向高位的进位CO 。

全加器的逻辑表达式为：
CI
)B A (AB CI A CI B B A CO )CI (B A CI AB BCI A CI B A CI B A S ⊕=++=⊕⊕=+++=
全加器的符号如图3-4所示。

用异或门和与或非门组成的全加器电路如图3-5所示。

实现多位二进制数相加有多种形式电路，其中比较简单的一种电路是采用串行相加，逐位进位的方式。

（1）设计一个代码转换电路，将BCD 码的8421码转换为余3码。

要求使用简单门电路设计电路，用Multisim 进行仿真，列出真值表，画出逻辑电路图并在实验仪上进行测试，记录测量结果。

（2）用门电路芯片构成三位加法器电路，要求能进行两个三位二进制数A 2、A 1、A 0和B 2、B 1、B 0相加。

自拟实验电路并进行测量，用Multisim 进行仿真，实验结果记录于表3-2中。

3.组合逻辑电路设计
（1）设计一个燃油锅炉自动报警器电路。

要求燃油喷嘴在开启状态下，如锅炉水温或压力过高则发出报警信号。

A 、
B 、
C 表示开关、水温、压力，A=1，开关接通；A=0，开关被切断。

CO A
B
S
CO
图3-4 全加器符号图3-5 异或门和与或非门组成的全加器逻辑电路表3-2 三位加法器电路测试记录
B、C=1表示水温、压力过高；B、C=0表示水温、压力正常。

输出F：F=0正常，F=1报警。

要求：按要求写出逻辑表达式，如需化简则通过卡诺图，得到最简逻辑表达式（按实验室能提供的器件），画出逻辑电路图。

在实验仪上对所设计的电路进行实验测试，记录测试结果，数据记录表格自拟。

（2）在一幢宿舍楼的楼梯间有一盏电灯L，用三个控制开关A、B、C来控制电灯L 的开启和关闭。

要求只改变三个开关中任意一个开关的状态，都能控制电灯的点亮和熄灭。

试设计该灯的逻辑控制电路。

电路要求用与非门及异或门实现，电灯L用发光二极管代替。

要求：写出详细的设计过程，画出完整的控制电路图，并在实验以上选择相应的器件对所设计的电路进行实验测试，记录实验结果。

五、预习报告要求
1. 复习教材中有关半加器、全加器的内容，熟悉有关集成电路芯片的引脚及性能。

2. 复习组合逻辑电路的分析和设计方法。

六、实验报告要求
1. 总结组合逻辑电路的分析、设计方法。

2. 将仿真结果与设计结果比较。

3. 回答思考题：
（1）什么是组合逻辑电路的竞争冒险现象？如何消除？
（2）如何用最简单的方法验证“与或非”门的逻辑功能是否完好？
（3）图3-6是一个数字密码锁的模拟电路，其中三个开关S1、S2、S3只有按一定顺序闭合，才能在报警灯（红色）不亮的情况下，打开保险柜（开门指示灯亮，绿色）；否则报警灯亮。

试分析密码锁的开启顺序。

要求写出开门指示灯（绿色）和报警指示灯（红色）的逻辑表达式。

图3-6 数字密码锁电路。