4逻辑门电路
基本逻辑门电路
基本逻辑门电路————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：第一节基本逻辑门电路1.1 门电路的概念：实现基本和常用逻辑运算的电子电路，叫逻辑门电路。
实现与运算的叫与门，实现或运算的叫或门，实现非运算的叫非门，也叫做反相器，等等（用逻辑1表示高电平；用逻辑0表示低电平）11.2 与门：逻辑表达式F＝A B即只有当输入端A和B均为1时,输出端Y才为1,不然Y为0.与门的常用芯片型号有:74LS08,74LS09等.11.3 或门：逻辑表达式F＝A+ B即当输入端A和B有一个为1时,输出端Y即为1,所以输入端A和B均为0时,Y才会为O.或门的常用芯片型号有:74LS32等.11.4．非门逻辑表达式F=A即输出端总是与输入端相反.非门的常用芯片型号有:74LS04,74LS05,74LS06,74LS14等.11.5．与非门 逻辑表达式 F=AB即只有当所有输入端A 和B 均为1时,输出端Y 才为0,不然Y 为1.与非门的常用芯片型号有:74LS00,74LS03,74S31,74LS132等.11.6．或非门： 逻辑表达式 F=A+B即只要输入端A 和B 中有一个为1时,输出端Y 即为0.所以输入端A 和B 均为0时,Y 才会为1.或非门常见的芯片型号有:74LS02等.11.7．同或门: 逻辑表达式F=A B+A BA F B11.8.异或门：逻辑表达式F=A B+A B=AF B11.9.与或非门：逻辑表逻辑表达式F=AB+CD AB C F D11.10.RS 触发器：电路结构把两个与非门G1、G2的输入、输出端交叉连接，即可构成基本RS 触发器，其逻辑电路如图7.2.1.(a)所示。
它有两个输入端R 、S 和两个输出端Q 、Q 。
工作原理 :基本RS 触发器的逻辑方程为：根据上述两个式子得到它的四种输入与输出的关系:1.当R=1、S=0时，则Q=0,Q=1,触发器置1。
第4章 组合逻辑电路
25
4.3 编码器
主要内容：
编码器的概念 由门电路构成的三位二进制编码器 由门电路构成的二-十进制编码器 优先编码器的概念 典型的编码器集成电路74LS148及74LS147
26
4.3.1 编码器的概念
在数字电路中，通常将具有特定含义的信息（ 数字或符号）编成相应的若干位二进制代码的过程 ，称为编码。实现编码功能的电路称为编码器。 编码器功能框图如下图所示。
A B C D 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1
F 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1
30
根据上述各表达式可直接画出3位二进制编码 器的逻辑电路图如图所示。
31
2．优先编码器
优先编码器事先对输入端进行优先级别排序，在任何时 刻仅对优先级别高的输入端信号响应，优先级别低的输入端 信号则不响应。如图所示是8-3线优先编码器74LS148的逻辑 符号和引脚图。功能表见表4－10（P86）。
13
4.2.2组合逻辑电路的设计举例
1．用与非门设计组合逻辑电路 例4-4 用与非门设计一个三变量“多数表决电路”。 解：（1）进行逻辑抽象，建立真值表： 用A、B、C表示参加表决的输入变量，“1”代表 赞成，“0”代表反对，用F表示表决结果，“1”代表 多数赞成，“0”代表多数反对。根据题意，列真值表。
15
16
2．用或非门设计组合逻辑电路
例4-6 用或非门设计例4-5(见课本)的逻辑电路。 F(A,B,C,D)=∑m(3,7,11,13,15)
逻辑门电路
逻辑门电路1.1 晶体管的开关特性及应用在数字电路中，晶体管大多工作在开关状态，所以是一种无触点的电子开关。
通常的电子开关按其用途，可分为模拟开关和数字开关（又称逻辑开关）两大类。
对它们的要求也有所不同：模拟开关应具备断开和接通时，流过的电流或两端的电压为零，两种状态转换的时间为零；而对数字开关则要求器件有两种可以区分的工作状态，同时输出能明确地用逻辑0或1来表示。
1.1.1 晶体二极管的开关特性及应用1. 晶体二极管的开关特性图1－1是硅二极管的符号和伏安特性曲线。
由伏安特性可知：(1) 二极管端电压小于0.5V作为二极管的截止条件。
一旦截止，即可近似认为电流等于0，相当于开关断开，这就是二极管截止时的特点。
(2）二极管正向电压大于0.5V作为二极管的导通条件。
一旦导通，即可将二极管认为是具有0.7V压降的闭合开关，这就是二极管导通时的特点。
2. 二极管开关特性的应用利用二极管开关特性可以构成限幅器和钳位器。
(1) 二极管限幅器。
限幅器是一种波形变换或整形电路。
当输入信号在一定范围内变化时，输出电压跟随输入电压相应变化，完成信号的传输；而当输入电压超过这一范围时，其超过的部分被削去，输出电压保持不变，实现限幅作用，由于限幅器能将一定范围以外的输入波形削去，所以限幅器又称削波器。
(2) 二极管钳位器。
二极管钳位器是利用二极管的开关特性，将输入波形的顶部或底部钳定在某一选定的电平上的电路。
这种错位作用又称为波形钳位，在脉冲技术中经常用到。
1.1.2 晶体三级管的开关特性及应用 1. 晶体三极管的开关特性如图1－6所示为NPN 型三极管的电路和特性曲线。
图中直流负载线和三极管输出特性曲线的交点称为静态工作点，用Q 表示。
工作点的位置由基极电流iB 决定。
由于工作点的位置不同，三极管有3种不同的工作状态，或称为3个工作区域。
（1）0,0≈≈i i C B 的区域称为截止区，如图中的Q1点。
在截止区，三极管的集电极C 和发射极e 之间近似为开路，相当于开关断开一样，故有u u CCCE≈。
四输入与门的工作原理
四输入与门的工作原理
四输入与门是一种逻辑门电路，用于实现布尔代数中的与运算。
该门接受四个输入信号，只有当这四个输入信号同时为高电平时，输出信号才为高电平，否则输出信号为低电平。
其工作原理如下：
1. 外部输入信号通过输入端进入四输入与门电路。
2. 输入端的电压经过输入缓冲器进行放大和提供稳定的输入电平。
3. 输入信号经过逻辑门内部的四个与门电路。
4. 四个与门电路将四个输入信号进行逻辑与运算。
5. 若四个输入信号同时为高电平，那么输出端的电压为高电平；若四个输入信号中有任何一个为低电平，那么输出端的电压为低电平。
6. 输出信号经过输出缓冲器放大，并输出给后续电路或装置。
四输入与门的真值表可以表示为：
A B C D Y
0 0 0 0 0
0 0 0 1 0
0 0 1 0 0
0 0 1 1 0
0 1 0 0 0
0 1 0 1 0
0 1 1 0 0
0 1 1 1 0
1 0 0 0 0
1 0 0 1 0
1 0 1 0 0
1 0 1 1 0
1 1 0 0 0
1 1 0 1 0
1 1 1 0 0
1 1 1 1 1
其中，A、B、C、D分别为四个输入信号，Y为输出信号。
只有当所有输入信号为1时，输出信号才为1；否则输出信号为0。
实验4基本逻辑门电路参数测试
实验4基本逻辑门电路参数测试（学生用指导书）实验项目名称：基本逻辑门电路参数测试实验学时：2实验要求：必做实验类型：操作型要求：通过对74LS20芯片的低电平输出电源电流I CCL、高电平输出电源电流I CCH、低电平输入电流I iL、高电平输入电流I iH等电参数的测量，掌握主要参数的测试方法；掌握TTL 器件的使用规则；熟悉数字电路实验装置的结构，基本功能和使用方法。
重点：逻辑门电路参数测试方法。
难点：直流数字电压表、直流毫安表等工具的使用；元件参数测量。
一、实验目的1、掌握TTL集成与非门的逻辑功能和主要参数的测试方法；2、掌握TTL器件的使用规则；3、进一步熟悉数字电路实验装置的结构，基本功能和使用方法。
二、实验原理本实验采用四输入双与非门74LS20，即在一块集成块内含有两个互相独立的与非门，每个与非门有四个输入端。
其逻辑框图、符号及引脚排列如图4.1 74LS20逻辑框图、逻辑符号及引脚排列图 (a)、(b)、(c)所示。
(b)74LS20逻辑符号（a）74LS20逻辑框图(c) 74LS20引脚排列图4.1 74LS20逻辑框图、逻辑符号及引脚排列图1、与非门的逻辑功能与非门的逻辑功能是：当输入端中有一个或一个以上是低电平时，输出端为高电平；只有当输入端全部为高电平时，输出端才是低电平（即有“0”得“1”，全“1”得“0”。
）其逻辑表达式为:2、TTL与非门的主要参数(1)低电平输出电源电流I CCL和高电平输出电源电流I CCH与非门处于不同的工作状态，电源提供的电流是不同的。
I CCL是指所有输入端悬空，输出端空载时，电源提供器件的电流。
I CCH是指输出端空截，每个门各有一个以上的输入端接地，其余输入端悬空，电源提供给器件的电流。
通常I CCL＞I CCH，它们的大小标志着器件静态功耗的大小。
器件的最大功耗为P CCL＝V CC*I CCL。
手册中提供的电源电流和功耗值是指整个器件总的电源电流和总的功耗。
深入详解逻辑门电路
R1 4kΩ
VCC VB1=2.1V
T1
be2
be5
28
二、输出特性（输出电压随负载电流的变化情况）
1.高电平输出特性 输出高电平时，T4导通，T5截止,
R2
VCC R4
b1 c1 T1
T3
T2
R5
T4
+5V F
F ABC
R3
输入级 倒相级
T5
输出级15
R1 3k b1
R2 750
c2
V3
V1 c1
V2
A B C
e1 e2 e3
R3
R4 3k
360
UCC＝ ＋5 V R5 100
V4 F
V5 UO
UCC
R1 b
e1e2e3 c ABC
UCC
A e1 VD1 B e2 VD2 C e3 VD3
2.1.4 半导体三极管的开关特性
1. 三极管开关电路
VCC
RB + vI iB -
Rc iC +
vO
-
③vI继续增加，RC上的压降也随之增 大，vCE下降，当vCE↓≈0时，三极管 处于深度饱和状态， vO≈0，为低电 平。
注：当VCE=VBE时，三极管为临界饱和导通；
集电极临界饱和导通电流 ICS≈VCC/RC 基极临界饱和导通电流 IBS=ICS/β=VCC/ (β RC)
★
负号表示输入电流流出门.
26
2.vI=VIH=3.6V时
VIH=3.6V IIH=?
逻辑门电路工作原理
逻辑门电路工作原理
逻辑门电路是数字电子电路中的基本元件，用于进行逻辑运算和控制。
逻辑门电路主要由晶体管和其他电子元件组成，在输入端和输出端之间传输电信号进行逻辑计算。
逻辑门电路根据其功能可以分为与门、或门、非门、与非门、或非门等。
与门的原理是当所有输入端同时为高电平（1）时，输出端才
为高电平；否则输出端为低电平（0）。
或门的原理是当任意一个输入端为高电平时，输出端就为高电平；只有当所有输入端都为低电平时，输出端才为低电平。
与非门的原理是与门的输出端的电平进行取反操作，即当所有输入端同时为高电平时，输出端为低电平；否则输出端为高电平。
或非门的原理是或门的输出端的电平进行取反操作，即当任意一个输入端为高电平时，输出端为低电平；只有当所有输入端都为低电平时，输出端才为低电平。
逻辑门电路通过输入信号的组合来进行逻辑计算，并将计算结果通过输出端输出。
逻辑门电路可以根据需要进行组合和级联，实现更复杂的逻辑功能，如加法器、计数器等。
总之，逻辑门电路通过控制和组合输入信号，实现逻辑计算和控制的功能，是数字电子电路中重要的基本元件。
数字电路第四章组合逻辑电路
(3)逻辑表达式：
Y A B C A B C A B C ABC A B CB C A B CB C ABC R AB BC AC AB BC AC
（4）画出电路（见仿真）
2、下图所示是具有两个输入X、Y和三个输出Z1、Z2、 Z3的组合电路。写出当X>Y时Z1 ＝1；X=Y时 Z2 ＝1；当X<Y时Z3 ＝1，写出电路的真值表， 求出输出方程。 解：A、列真值表： B、写出函数表达式：
可在K图中直接圈1化简得最简与或式。再对最简与或式 两次求反进行变换。 A C A B C B C
n 1 n n n n n n
B n Cn A n Cn A n B n B n C n A n Cn A n B n
C、 画出逻辑电路：
4、设计一组合电路，当接收的4位二进制数能被4整除 时，使输出为1。 A 、列真值表：数N＝8A+4B+2C+D 注：0可被任何数整除 B、写逻辑函数式：画出F的K图
3、优先编码器
优先编码器常用于优先中断系统和键盘编码。与普 通编码器不同，优先编码器允许多个输入信号同时有效， 但它只按其中优先级别最高的有效输入信号编码，对级 别较低的输入信号不予理睬。
常用的MSI优先编码器有10线—4线(如74LS147)、
8线—3线(如74LS148)。
Cn 1 Cn 1 Bn Cn A n Cn A n Bn
2)、用异或门实现Dn：
An Bn C n An Bn C n An Bn C n
3)、用与非门实现 Cn+1：
Dn An Bn C n An Bn C n An BnC n An BnC n
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考虑门的延时时间,当A=0 B=1
竞争:当一个逻辑门的两个输入端的信号同时向相反方向变化， 而变化的时间有差异的现象。 冒险:两个输入端的信号取值的变化方向是相反时，如门电路输 出端的逻辑表达式简化成两个互补信号相乘或者相加，由竞争 而可能产生输出干扰脉冲的现象。
L2 I 0 I 1 I 2
L & &
0
I0 I1
1 1 & 1
L1
1 I2
L
2
例2 试设计一个码转换电路，将4位格雷码转换为自然二进 制码。可以采用任何逻辑门电路来实现。 解：(1) 明确逻辑功能，列出真值表。 设输入变量为G3、G2、G1、G0为格雷码， 输出变量B3、B2、B1和B0为自然二进制码。 当输入格雷码按照从0到15递增排序时，
三、组合逻辑电路的分析举例 例1 分析如图所示逻辑电路的功能。
A B
=1
Z =1 L
C 1.根据逻辑图写出输出函数的逻辑表达式 解：
L Z C ( A B) C A B C
2. 列写真值表。 3. 确定逻辑功能：
A B 0 0 0 0 0 1
C Z A B L (A B C) 0 0 0 1 0 0 1 1 1
0
0 0
0
0 1
0
1 0
0
1
1
0
1
0
1
1 1
0
1 1
1
0 1
0 0 0 0 1 1 1 1
0 0
1 1 1 1 0 0
0 1 0 1 1 0 1 0
4.2 组合逻辑电路的设计
一、组合逻辑电路的设计：根据实际逻辑问题，求出所要求逻辑 功能的最简单逻辑电路。 二、组合逻辑电路的设计步骤 1、逻辑抽象：根据实际逻辑问题的因果关系确定输入、 输出变量，并定义逻辑状态的含义； 2、根据逻辑描述列出真值表； 3、由真值表写出逻辑表达式; 4、根据器件的类型,简化和变换逻辑表达式
Li = f (A1, A2 , …, An ) (i=1, 2, …, m)
工作特征: 组合逻辑电路工作特点:在任何时刻，电路的输出状态只取 决于同一时刻的输入状态而与电路原来的状态无关。
4.1 组合逻辑电路分析
一. 组合逻辑电路分析 根据已知逻辑电路，经分析确定电路的的逻辑功能。 二. 组合逻辑电路的分析步骤： 1、 由逻辑图写出各输出端的逻辑表达式； 2、 化简和变换逻辑表达式； 3、 列出真值表； 4、 根据真值表或逻辑表达式，经分析最后确定其功能。
L1 I 0 I 1
L2 I 0 I 1 I 2
3、 根据要求将上式变换为与非形式
L0 I 0
输 出 L1 0 0 L2 0 0
L1 I 0 I 1
L2 I 0 I 1 I 2
0 0
× 1
0 0
1 0
0 1
4、 根据输出逻辑表达式画出逻辑图。
L0 I 0
1
L1 I 0 I 1
号灯亮。当特快和直快均没有请求，
而慢车有请求时，三号灯亮。
解：1、 逻辑抽象。 输入信号: I0、I1、I2分别为特快、直快和慢车的进站请求信号 且有进站请求时为1，没有请求时为0。 输出信号: L0、L1、L2分别为3个指示灯的状态， 且灯亮为1，灯灭为0。 (2) 写出各输出逻辑表达式。 根据题意列出真值表
1
0 1
0 0 0 0 1 1 1 1
0 0
1 1 1 1 0 0
0 1 0 1 1 0 1 0
3、确定电路逻辑功能 这个电路逻辑功能是对输入 的二进制码求反码。最高位为 符号位，0表示正数，1表示负 数，正数的反码与原码相同； 负数的数值部分是在原码的基 础上逐位求反。
A B
真值表
C X Y Z
L BC 00 A 0 0 1 0 01 0 1 11 0 1 10 1 1 AB
当A=B=1时
& AC ≥1 L
L C C
，
C B
L AC B C L AC B C AB
当A=B=1时，根据逻辑表达式有
L C C 1
3. 输出端并联电容器 如果逻辑电路在较慢速度下工作，为了消去竞争冒险， 可以在输出端并联一电容器，致使输出波形上升沿和下降 沿变化比较缓慢，可对于很窄的负跳变脉冲起到平波的作 用。
X=A
A 1 B 1 & C 1 & & Z & & & Y X
Y AB A B
Z AC A C
2、列写真值表
A B
真值表
C X Y Z
X=A
0
0 0
0
0 1
0
1 0
Y AB A B AB AB
Z AC A C AC A C
0
1
1
0
1
0
1
1 1
0
1 1
(3) 根据逻辑表达式，画出逻辑图
G3 G2 G1 G0 =1 =1 =1
B3 B2 B1 B0
4.3 组合逻辑电路中的竞争冒险
4.3.1 产生的竞争冒险的原因 4.3.2 消去竞争冒险的方法
4.3 组合逻辑电路中的竞争冒险
4.3.1 产生的竞争冒险的原因
不考虑门的延时时间
L A B 1
0 1 0 0
0 1 1 1
1 0 0 0
1 1 1 1
(2) 画出各输出函数的卡诺图，并化简和变换。
B3 0 0 1 G3 1 0 0 1 1 G0 0 0 1 1 G1 0 0 1 1 G2 G3 B2 0 1 0 1 0 1 0 1 G0 0 1 0 1 G1 0 1 0 1 G2
B 3 G3
0 1
1 0 1 0 1 1 1 1
1 1
0 1 1 1 0 0 1 0
0
1 0 0 1
输入变量的取值中有奇数 个1时，L为1，否则L为0, 电路具有为奇校验功能。
如要实现偶校验，电路应做何改变？
例2 试分析下图所示组合逻辑电路的逻辑功能。 解：1、根据逻辑电路写出各输出端的逻辑表达式，并进行化 简和变换。
B 2 G3 G2 G3 G2
B1 0 1 0 G3 1 0 1 0 1 B0 1 0 1 0
G1 1 0 1 0 G2
B0 0 1 0 G3 1 1 0 1 0 G0 0 1 0 1
G1 1 0 1 0 G2
B 1 G3 G2 G1 G3 G2 G1 G3 G2 G1 G G G 3 2 1 ( G3 G2 G G ) G G G G G ) G 3 2 1 3 2 3 2 1 G3 G2 G1 B 0 G3 G2 G1 G0
4~20pF
4.4 若干典型的组合逻辑集成电路
4.4.1 编码器 4.4.2 译码器/数据分配器 4.4.3 数据选择器 4.4.4 数值比较器 4.4.5 算术运算电路
4.4 若干典型的组合逻辑集成电路
4.4.1 编码器
1、)编码器 (Encoder)的概念与分类 编码：赋予二进制代码特定含义的过程称为编码。 如：8421BCD码中，用1000表示数字8 如：ASCII码中，用1000001表示字母A等 编码器：具有编码功能的逻辑电路。
使能标志
编码输入
5 6 7 8 9
代码输出
2. 键盘输入8421BCD码编码器功能表
输
S0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 S1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 S2 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 S3 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 S4 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 S5 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1
可列出逻辑电路真值表
逻辑电路真值表
输 入 G3 G2 G1 G0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 输 出 B3 B2 B1 B0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 输 入 G3 G2 G1 G0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 输 出 B3 B2 B1 B0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0
1、)编码器 (Encoder)的概念与分类
编码器的逻辑功能： 能将每一个编码输入信号变换为不同的二进制的代码输出。 如BCD编码器：将10个编码输入信号分别编成10个4位码 输出。 如8线-3线编码器：将8个输入的信号分别编成 8个3位二进 制数码输出。
1、)编码器 (Encoder)的概念与分类 编码器的分类：普通编码器和优先编码器。 普通编码器：任何时候只允许输入一个有效编码信号，否则 输出就会发生混乱。 优先编码器：允许同时输入两个以上的有效编码信号。当同 时输入几个有效编码信号时，优先编码器能按预先设定的优
4.3.2 消去竞争冒险的方法
1. 发现并消除互补变量 L
A B 1 C & L
( A B )( A C )
B = C = 0时
F AA
可能出现竞争冒险。
为消掉AA，变换逻辑函数式为
F AC A B BC
2. 增加乘积项,避免互补项相加
L AC B C
A 1 & BC
入
S6 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 S7 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 S8 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 S9 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 A 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0