组合逻辑电路应用

实验7 组合逻辑电路应用

一、实验目的

1.掌握SSI组合逻辑电路的设计流程和方法；

2.掌握SSI组合逻辑电路的分析方法；

3.能用基本的门电路芯片设计出符合要求的电路，并对其功能进行验证；

4.了解排除组合逻辑电路故障的一般方法；

5.学会用Multisim仿真软件辅助设计电路。

二、实验任务（建议学时：2学时）

基本实验任务(利用提供的芯片完成设计，要求设计所用的芯片种类和数量最少)

1.三个开关控制一盏灯。

设计一个三室一厅卫生间照明控制电路，要求分别安装在三个卧室的开关A、B、C都能独立控制灯Y的亮、灭。

2.设计一个四人表决器。

当对表决事件表示同意的人数≥3人时表决有效，指示灯点亮。

3.设计一个用电超载报警电路。

现有三个用电设备，其电功率分别为200W、350W、300W。要求当总用电量超过500W 时报警灯立即点亮。

4.设计一个水泵控制电路。

有一水箱有大小两台水泵M L和M S供水，如图2-1所示。水箱中设置了3个水位检测元件Ａ、Ｂ、Ｃ。水位低于检测元件时，检测元件给出高电平；水面高于检测元件时，检测元件给出低电平。现要求当水位超过Ｃ点时两水泵停止工作；水位低于Ｃ点而高于Ｂ点时M S 单独工作；水位低于Ｂ点而高于Ａ点时M L单独工作；水位低于Ａ点时M L和M S同时工作。

图2-1

扩展实验任务（电类本科生必做，任选一个）

1.设计一个交通灯工作状态监视电路。

路口红、绿、黄三种颜色交通灯分别表示车辆“停止”、“通行”、“缓行”三种行车状态。正常情况下，任何时刻同一方向有且只有一盏灯被点亮，且不能全灭，否则被认为交通灯系统发生故障。一旦系统发生故障，要求点亮“交通灯工作状态”报警灯。(利用提供的芯片完成设计，要求设计所用的芯片种类和数量最少)

2.设计一个4位数字密码锁。

该锁具有ＡＢＣＤ四个输入端和一个开锁控制信号输入端Ｅ，开锁代码自定义（如

0101）。当ＡＢＣＤ四个输入代码与自定义的开锁代码一致时，按下开锁键(Ｅ=１)，锁打开(Ｙ=１)；否则电路发出报警信号(Ｚ=１)。(利用提供的芯片完成设计，要求设计所用的芯片种类和数量最少)

三、实验原理

的输出信号仅取决于该时刻的输入信号，而与信号

作用前电路原来所处的状态无关。

2．组合逻辑电路的设计：是根据实际问题的

逻辑关系，设计出能够实现相应功能的逻辑电路。

组合逻辑电路设计的一般方法和步骤（流程如图

2-2所示）：

1）对实际问题进行逻辑抽象，定义输入、输

出逻辑变量（定义时应注意：①只有具有二值性的

命题才能定义输入或输出逻辑变量；②逻辑变量取

1值的含义必须表达清楚）；

2）列写真值表；

3）进行逻辑化简、变换(逻辑代数或卡诺图)

并写出逻辑表达式；

4）画出逻辑图；

5）逻辑功能验证，如不符合要求，则需要对

1）—4）步进行检查和调整，直至实现要求的逻辑功能。

需要说明的是：组合逻辑电路的设计通常是假定所有逻辑器件对信号的传递不产生延迟的情况下进行的。但实际上信号在导线和器件中传递时都会存在延迟现象，延迟时间长短与器件的工艺水平、器件规模的大小、电路布局、布线长短（高速数字电路中元件布局、布线工艺对信号的延迟影响特别显著）等众多因素相关。按照理想情况下设计出来的组合逻辑电路有可能会出现冒险现象，这会直接影响电路逻辑功能的可靠性和稳定性，应针对冒险现象采取相应措施予以消除。

3．判断组合逻辑电路中是否存在冒险现象的方法一般有：

1）逻辑代数法：一般输出端的逻辑状态函数在一定条件下若能够简化为F=A+A＇或者F=A•A＇的形式，则可断定电路存在冒险现象。

2）逐级真值表法：若单输入变量的大规模电路，采用逐级列出电路真值表，并找出那些门的输入信号会发生竞争，再判断是否会在电路的输出端产生干扰脉冲。这种方法只适用于输入变量为一个的情况，其局限性很大。

3）卡诺图法：在多个输入变量的情况下，判断两个以上的变量同时改变时，电路是否存在冒险现象。方法是：将逻辑函数化为最小项之和的形式，得出该逻辑函数卡诺图。若卡诺图中存在两个相切但不想交的圈（可以是“1”构成的圈，也可以是“0”构成的圈），则

电路会产生冒险现象。

4．组合逻辑电路的测试方法分静态和动态测试。

静态测试：指根据真值表依次改变各输入变量，观察其输出状态变化情况是否与真值表一致。

动态测试：指各输入端接入规定的脉冲信号，用示波器观察各输出端信号，分析是否存在干扰脉冲（冒险现象），电路的逻辑功能是否与真值表一致。

5．当设计出一个组合电路，安装后应首先进行静态测试，也就是用逻辑开关按真值表依次改变输入量，验证其逻辑功能。然后再进行动态测试，观察是否存在冒险。如果电路存在险象，但不影响下一级电路的正常工作，就不必采取消除险象的措施；如果影响下一级电路的正常工作，就要分析险象的原因，然后根据不同的情况采取措施加以消除。

消除冒险现象的方法：

1）接入滤波电路：输入端并接一个很小的滤波电容C（一般为几十皮法左右），能把尖峰脉冲幅度消减到门电路的阈值电压以下。

2）引入选通脉冲：对输出引入选通脉冲信号，避开冒险现象。

3）修改逻辑设计：在逻辑函数化简选择乘积项时，按照判断组合电路是否存在竞争冒险的方法，选择使逻辑函数不会使逻辑函数产生竞争冒险的乘积项。也可采用增加冗余项方法。

6．组合逻辑电路分析：是根据所给定的组合逻辑电路找出输入与输出之间的逻辑关系。

分析的步骤：

1）已知逻辑图写出表达式；2）进行逻辑化简或变换；

3）列写真值表；4）根据真值表判断逻辑功能。

设计举例：

在举重比赛中，有两名副裁判，一名主裁判。当两名以上裁判（必须包括主裁判在内）认为运动员上举杠铃合格，按动电钮，裁决合格信号灯亮，试用与非门设计该电路。

设计步骤：Array 1）逻辑抽象：设主裁判为变量A，副裁判分别为B和C；按电钮为1，不

按为0。表示成功与否的灯为Y，合格为1，否则为0。

2）列出真值表：

3）根据真值表写出逻辑函数表达式。

4）根据题目要求用与非门实现该逻辑功能，利用卡诺图化简，如图2-3

所示。