12 组合逻辑电路的认识(电子教材)

项目12 组合逻辑电路的认知及数显电容计显示电路的制作学习目标

1．知识目标

(1) 掌握组合逻辑电路的分析和设计方法。

(2) 掌握常用组合集成电路的使用方法。

2．技能目标

(1) 利用简单的元器件实现表决器的制作。

(2) 实现对常用集成组合逻辑电路(74LS138)等的测试。

(3) 制作数显电容计显示电路。

生活提点

生活中经常用到数码产品，包括MP3、手机、计算器等，电路必须按一定的数字逻辑进行工作，但又不具备时效性，即无记忆功能，这样的一类电路被称为组合逻辑电路，而本项目中将运用集成组合逻辑电路完成数显电容计显示译码电路的制作。

项目任务

项目目标：制作数显电容计显示电路。

项目要求：采用译码器实现所测电容大小的显示。

项目提示：数显电容计显示译码电路如图12.1所示。

图12.1 显示译码部分实物图

项目实施

12.1 三人表决电路的制作

利用集成与非门电路74LS00设计三输入表决电路，当输入端有两个或者两个以上高电平时，输出端二极管亮，表明表决通过。

测试电路如图12.2 所示。

图12.2 三人表决电路接线图

测试器件见表12-1。

表12-1 三人表决电路器件清单

测试步骤如下。

(1) 按照图12.2在面包板上进行连线。

(2) 当输入端A、B、C输入见表12-2中的信号，观察二极管是否亮，并记录在表中。

表12-2 记录表

测试结果分析如下。

结果表明：当3个输入端有两个或者两个以上高电平时，二极管亮(由接线图可知，当Y输出为高电平时LED亮)，表明表决通过。

上述测试中，通过74LS00的组合实现了三人表决，同时也可观察到，上述测试电路在测试时，其输出状态是“0”还是“1”关键取决于当前输入的状态，这是将要学习的数字电路的一种组态——组合逻辑电路。

数字电路根据逻辑功能的不同可分为组合逻辑电路(简称组合电路)和时序逻辑电路(简称时序电路)两大类。任一时刻电路的输出仅仅取决于该时刻的输入信号，而与电路原来的状态无关，这种电路称为组合逻辑电路。组合逻辑电路是由门电路组合而成的，可以有一个或多个输入端，也可以有一个或多个输出端。组合电路的示意图如图12.3 所示。

图12.3 组合逻辑电路框图

12.1.1 组合逻辑电路的分析方法

所谓组合逻辑电路的分析，就是根据给定的逻辑电路图，确定其逻辑功能。分析组合逻辑电路的目的是确定已知电路的逻辑功能或者检查电路设计是否合理。

组合逻辑电路通常采用的分析步骤如下。

(1) 根据给定逻辑电路图，写出逻辑函数表达式。

(2) 化简逻辑函数表达式。

(3) 根据最简逻辑表达式列真值表。

(4) 观察真值表中输出与输入的关系，描述电路逻辑功能。

例12.1 试分析图12.4所示组合逻辑电路的功能。

解：(1)列出真值表，见表12-3。

表12-3 图12.4电路的逻辑真值表

(2) 写出输出端的逻辑函数表达式。

Y=

AB

BC

AC

(3) 化简逻辑函数表达式。

+

=

Y+

AC

BC

AB

(4) 绘制逻辑电路。

图12.4 组合逻辑电路

(5) 描述电路逻辑功能。由表12-3可知，当输入A 、B 、C 中有2个或3个为1时，输出Y 为1，否则输出Y 为0。可见该电路可实现多数表决的逻辑功能，即3人表决用逻辑电路只要有2票或3票同意，表决就通过。

12.1.2 组合逻辑电路的设计方法

与分析过程相反，组合逻辑电路的设计是根据给定的实际逻辑问题，求出实现其逻辑功能的最简逻辑电路。

组合逻辑电路的设计步骤如下。

(1) 分析设计要求，设置输入变量和输出变量并逻辑赋值。

(2) 列真值表，根据上述分析和赋值情况，将输入变量的所有取值组合和与之相对应的输出函数值列表，即得真值表。

(3) 写出逻辑表达式并化简。

(4) 画逻辑电路图。

例12.2 一火灾报警系统，设有烟感、温感和紫外光感3种类型的火灾探测器。为了防止误报警，只有当其中有两种或两种以上类型的探测器发出火灾检测信号时，报警系统产生报警控制信号。试设计一个产生报警控制信号的电路。

解：(1) 分析设计要求，设输入、输出变量并逻辑赋值。

输入变量：烟感A 、温感B 、紫外线光感C 。

输出变量：报警控制信号Y 。

逻辑赋值：用1表示肯定，用0表示否定。

(2) 列真值表，见表12-4。

表12-4 例12.2真值表

(3) 由真值表写出逻辑函数表达式并化简。

ABC C AB C B A BC A Y +++=

AC BC AB ++=

(4) 画逻辑电路图。

若用与非门实现，其逻辑图与例12.1相同。 如果作以下变换AC BC AB Y ++=，用一个与或非门加一个非门就可以实现， 如图 12.5所示。

图12.5 逻辑电路图

利用分立门电路搭接了具有一定逻辑功能的组合逻辑电路，需要的组合逻辑电路固然能通过刚才的方法利用门电路进行搭接，但缺点是该种电路所需的硬件多、连线多、电路复杂，从而造成功耗、重量及体积增大，同时特性较差，所以可利用现成的集成数字组合逻辑电路来搭接相应的功能电路，接下来介绍常见的集成组合逻辑电路。

12.2 常见集成组合逻辑电路的认知及测试

常见集成组合逻辑电路的实物如图12.6所示。

(a) 集成译码器74LS138 (b) 集成编码器74LS148 (c) 集成多路电子开关CD4067

图12.6 常见集成组合逻辑电路实物

译码器是组合逻辑电路的一种典型电路，下面通过对3-8译码器74LS138的测试来了解集成组合逻辑电路的逻辑功能及特性，测试电路如图12.7所示。