中职教育-电子技术与数字电路(北大第二版)课件:第7章 组合逻辑电路.ppt

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第7章 组合逻辑电路
本章主要内容
(1)组合逻辑电路的基本概念 (2)逻辑函数的卡诺图化简法 (3)组合逻辑电路的分析 (4)组合逻辑电路的设计
(5) 几种常用的组合逻辑电路
7.1 几个基本概念
数字逻辑电路可以分为两种类型:一类是组合逻辑电路 (Combinational Logic Circuit),另一类是时序逻辑电 路(Sequential Logic Circuit)。
个数最少。
例7.4 化简逻辑函数F(A,BC,D)=∑m(0,1,3,8,9,11,13,14)
所以,
F(A,B,C,D)=ABCD+ACD+BD+BC
AB CD
0 1 3 C
A
8
13 9
D
11
14
B
例7.5 化简逻辑函数
F(A,B,C,D)=ACD+ABCD+BCD+ABCD+ABC
AB
A
所以,
一地说,对于n个变量,共有2n个最小项。
为了简化最小项的书写,也可以用mi表示最小项,并按下 述规则确定i的值:
当乘积项中的变量按序(A,B,C,D,…)排好以后, 如果变量以原变量形式出现时记作1,以反变量形式出现时 记作0,并把这1和0序列构成的二进制数化成相应的十进制 数,那么这个十进制数就是i的值。
在使用五变量卡诺图时,往往有人误把m8与m16(或m9与 m17等)认为是相邻格,其实只要比较一下它们对应的二 进制数就可知道,它们并不具备相邻格的条件。
7.2.3 用卡诺图化简逻辑函数
用卡诺图进行逻辑化简的出发点是最小项表达式,化简的 目标与用公式法化简的目标相同,即:
(1)乘积项的数目最少; (2)在满足乘积项数目最少的情况下,每个乘积项的变量
对于五变量的卡诺图,如图7.1(d),共32个小方格分为 左右两个矩形来表示,每个小方格仍有五个相邻小方格, 其中四个可在这个小方格所在的矩形内找到,第五个可在 另一个矩形的对应位置上找到,如m11除与左边矩形内的 m9、m10、m15、m3相邻之外,还与右边矩形内的m27相邻。
所谓对应位置,可这样理解:把一个矩形重叠到另一个矩 形之上,透视地看,上边矩形的一个小方格就和下边矩形 的一个小方格相对应。
F(A,B,C)=A*BC+AB*C+ABC 就是逻辑函数F的最小项表达式或第一范式。为了简化可 写成:
F(A,B,C)=m3+m5+m7=∑m(3,5,7)
由最大项之积所构成的逻辑表达式,称为逻辑函数的最大 项表达式,也称逻辑函数的第二范式。例如: F(A,B,C)=(A+B+C)(A+B+C*)(A*+B+C) 就是逻辑函数F的最大项表达式或第二范式。
一个逻辑电路,如果它在任何时刻的输出仅仅是该时刻输 入状态的函数,而与先前的输入状态无关,这样的逻辑电 路称为组合逻辑电路。
7.5.1 “积之和”与“和之积”
逻辑函数的“与或”表达式的形式,称为逻辑函数的“积 之和”(Sum of Product)形式,也称SP型。例如: f(x1,x2,x3)=x1x2+x1x3+x1x2* x3 f(A,B,C,D)=ABC+BC* D+CD+A*CD* 它们是“积之和”形式的逻辑函数表达式。
第二范式: 在真值表中,找出函数F的值为0的所有行, 对每一行变量的取值组合,如果变量取值为1,则写出相 应的反变量;如果变量取值为0,则写出相应的原变量。
然后写出该行变量取值所对应的变量之和,就得到该函数 的一个最大项,再把所有这样的最大项相乘,就是该函数 的第二范式,即该函数的最大项表达式。
7.5.3 最小项表达式和最大项表达式
一个逻辑函数的SP型或PS型并不是唯一的,这仍给人们 研究逻辑函数问题带来一些不便,但由最小项所构成的 “与或”表达式和由最大项所构成的“或与”表达式却是 唯一的。
由最小项之和所构成的逻辑表达式,称为逻辑函数的最小 项表达式,也叫逻辑函数的规范“积-和”式,或叫逻辑 函数的第一范式。例如:
7.4 组合逻辑电路的分析
▪ 对给定的组合逻辑电路进行逻辑描述,即找出与该电路相
对应的输入、输出逻辑关系表达式,并在必要时进行化简 或评价该电路设计是否合理等。
基本步骤:
(1)根据给定的电路,逐级写出输入、输出关系式; (2)依次代入,最后得到整个电路的输入、输出关系式; (3)如能化简,则进行化简,明确电路的功能和改进方案。
图7.1 二到五变量卡诺图
图7.2 二到五变量卡诺图的另一种形式
从图7.2所示的卡诺图可以看到,每个变量及其反变量各占 卡诺图区域的一半,每一个编号的小格都是所有变量(原 变量或反变量)的“与”(交)。
例如对于四变量的卡诺图,编号为13的小格是变量A、B、 C*、D的“与”(交),即m13=ABC*D。如果这个小格内 被记为1,则表示相应的最小项被赋值为1,即 m13=ABC*D=1。
卡诺图与一个逻辑函数的真值表完全等价,并且等价于一 个规范的“积-和”表达式——逻辑函数的最小项表达式。
所以称卡诺图为逻辑函数的最小项图示或最小项方块图。
例7.3 一个三变量逻辑函数的卡诺图、真值表和最小项表达 式示于图7.3,从中可以看出三者之间的对应关系。
图7.3 卡诺图、真值表、最小项表达式的比较
(2)n个变量的全体最小项共有2n个,而且它们的和为1。
因为对于变量的任意一组取值都有一个最小项的值为1, 所以,全体最小项之和恒为1。
(3)设mi和mj是n个变量的两个最小项,若i≠j,则mi·mj=0。 即n个变量的任意两个不同的最小项之积恒为0。
这是因为对于变量的任意一组取值,mi和mj不可能同时 为1,因此mi·mj恒为0。
▪ 对于这六种取值,可以随意选择F的值为“1”还是为“0”,而
对该逻辑电路的实际功能无关紧要。
▪ 这六种取值组合所对应的最小项就称无关最小项。与它们对
应的F值记为“d” (don’t care)——d既可认为是“1”,也可 以认为是“0”,根据化简的需要而定。
X
ABCD F
0
0000
0
1
0001
0
(2)把尽可能多的方格合并成一组,组越大,合并而成的 乘积项的变量个数就越少。
(3)用尽可能少的组覆盖逻辑函数的全部最小项,组越少, 化简而得到的乘积项数目就越少。
(4)在实现上述(1)和(2)时,一个最小项可以根据需 要使用多次,但至少也要使用一次。
(5)一旦所有的最小项都被覆盖一次以后,化简就停止。
CD 11
F(A,B,C,D)=AC+AB+ABD
C
111
1
1
1
B
利用卡诺图进行逻辑函数化简时应注意的几个问 题:
(1)在卡诺图上合并最小项时,总是按2的乘幂来组合方格, 即把2个方格、4个方格、8个方格等合并起来。2个方格合 并可以消去1个变量,4个方格合并可以消去2个变量,8个 方格合并可以消去3个变量,等等。
7.3 利用无关最小项化简逻辑函数
如下图所示,是一个用于“四舍五入”的逻辑电路,输 入A,B,C,D按8421编码,即X=8A+4B+2C+D,要求当X≥5 时,输出F=1;否则F=0,求F的最简“与或”表达式。
A
X
B C
F
D
▪ 根据题意,列真值表。在真值表中的A,B,C,D的六种取值组合
(1010~1111)在本问题中是不可能出现的。
逻辑函数的“或与”表达式的形式,称为逻辑函数的“和 之积”(Product of Sum)形式,也称PS型。例如: F(u,v,w)=(u+v)(u*+w)(u+v*+w) F(A,B,C,D)=(A+B+C)(B*+C+D*)(A+D*) 它们是“和之积”形式的逻辑函数表达式。
利用逻辑代数的基本公式,可以将任何一个逻辑函数化为 “积之和”或“和之积”的形式。
3.最大项
与最小项相对应,还有最大项,定义如下: 设有n个变量,p为一个具有n项的和,如果在p中每一个
变量都以原变量或者反变量的形式作为一项出现且仅出现 一次,则称p为n个变量的一个最大项。 同样,对于n个变量来说,最大项共有2n个。
例如,两个变量的四个最大项为:A*+B*,A*+B,A+B*, A+B。
定理 n个变量的任何一个逻辑函数,都可以展开成一组最小 项的和或最大项的积,并且这种展开是唯一的。
这是一个很重要的定理,它的另一种叙述方法是: n个变量的任何一个逻辑函数,都可以展开成第一范式或 第二范式,并且这种展开是唯一的。
所以也称它为范式定理。
该定理之所以重要,是因为由“最小项的和”或“最大项 的积”所组成的逻辑函数表达式是唯一的,这给研究和使 用逻辑函数带来极大的方便。
(2)公式法 (详见教材P175)
7.2 逻辑函数的卡诺图化简法
7.2.1卡诺图
卡诺图是用几何图形形象化地表示逻辑函数的真值表,即 卡诺图和真值表二者有一一对应的关系,每个最小项在真 值表上占一行,而在卡诺图上占一个小格。
图7.1和图7.2表示了两种形式的卡诺图。对于多于六个变 量的卡诺图,因为它缺乏几何直观性,从而也就失去了实 际使用意义。
7.2.2 卡诺图的编号
卡诺图的小方格编号原则为: 任意一个小方格的编号(以二进制表示)与其相邻小方格 的编号相比仅有一位不同。
由于每个小方格的编号用n位二进制数表示,而使一个n位 的二进制数只有一位改变(1变0,或0变1),恰好可找出 n个二进制数,这些二进制数就是这个格的相邻格的编号。
卡诺图中某小方格的相邻格的个数等于它的二进制编号的 位数或相应最小项的逻辑变量个数。
7.5.2 最小项和最大项
1.最小项
设有n个变量,p为一个含有n个因子的乘积项,如果在p 中每个变量都以原变量或反变量的形式作为一个因子出现 且仅出现一次,则称p为n个变量的一个最小项。
例 如 : 对 于 三 个 逻 辑 变 量 A 、 B 、 C来 说 , 有 A*B*C*, A*B*C , A*BC* , A*BC , AB*C* , AB*C , ABC* , ABC八个最小项。
例如,与最小项A*B*C*对应的二进制数码为“000”,所以 记 A*B*C* =m0 ; 与 最 小 项 AB*C 对 应 的 二 进 制 数 码 为 “101”,所以记AB*C =m5等。
2.最小项的性质
(1)对于任意一个最小项,只有一组变量的取值使得它的值 为1,而在变量取其他各组值时,该最小项的值都为0;不 同的最小项,使得它的值为1的那一组变量的取值也不相同。
后由真值表写出范式。
第一范式: 在真值表中,找出函数F的值为1的所有行, 对每一行变量的取值组合,如果变量取值为1,则写出相 应的原变量;如果变量取值为0,则写出相应的反变量。
然后写出该行变量取值所对应的变量之积,就得到该函 数的一个最小项,再把所有这样的最小项相加,就是该 函数的第一范式,即该函数的最小项表达式。
特别是第一范式,这实际上告诉我们,可以把最小项看作 构成逻辑函数的基本元素。也就是可以把任何一个逻辑函 数,看做由若干最小项所构成。
对第二范式的研究,由于逻辑函数的对偶性,完全可以由 对第一范式的研究推出。
下面给出由给定的逻辑函数写出它的范式的方法。 (1)真值表法:对给定的逻辑函数,列出它的真值表,然
2
0010
0
3
0011
0
4
0100
0
5
0101
1
6Hale Waihona Puke Baidu
0110
1
7
0111
1
8
1000
1
9
1001
1
-
1010
d
-
1011
d
-
1100
d
-
1101
d
-
1110
d
-
1111
d
AB
A
CD
d8
5d9
D
7dd
C
6dd
B
F(A,B,C,D)= ∑m(5,6,7,8,9)+ ∑d(10,11,12,13,14,15) 所以, F(A,B,C,D)= A+BC+BD
图7.3(a)、(b)、(c)三者的逻辑意义完全相同,只 是表示形式不同。
其中(a)为几何图形,(b)为数字表格,(c)为数学 表达式。
依据它们各自的特点而分别在不同的场合得到应用。但基 于人们阅读图形优于阅读表格及数学表达式的特点,而以 卡诺图的表示方式最具有几何直观性。
卡诺图的表示方式在逻辑函数的化简中得到广泛应用。
例7.12 分析图7.14所示的组合逻辑电路。 图7.14 例7-12逻辑电路图
由图容易得出: y1= (ABC)*, y2= (ABC*)* y3= (A*BC)*, y4= (AB*C)*
所以输出F的表达式为: F=ABC+ABC*+A*BC+AB*C
分析一下该电路的结构能否再简化一些。画出F的卡诺图, 如图7.15所示。从卡诺图可明显看出,F可化简为: F=AB+AC+BC
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