高職《汽車電工電子技術》PPT電子課件,汽車電工電子技術,高職,汽車,電工,電子技術,PPT,電子,課件 汽車電工電子第7章 門電路與組合邏輯電路門電路與組合邏輯電路邏輯代數與門電路加法器編碼器譯碼器本章學習目標1、了解數字信號與數字電路2、掌握典型門電路3、了解加法器、編碼器、譯碼器工作原理在電子技術中，電子電路可分為模擬電子電路和數字電子電路兩大類，模擬電路是傳輸和處理模擬信號的電路，如整流電路、放大電路等，注重研究的是輸入和輸出信號間的大小及相位關系；數字電路是傳輸和處理數字信號的電路。模擬信號是指在時間和數值上都連續(xù)變化的信號如交流放大電路的電信號；數字信號是指在時間和數值上都不連續(xù)變化的離散的脈沖信號，是一種躍變信號，并且持續(xù)時間短暫。在數字電路中利用數字信號完成測量、運算、控制等功能。電子計算機、數字式儀表與通信、數字控制裝置和工業(yè)邏輯系統(tǒng)等都是以數字電路為基礎，利用數字電路的邏輯控制關系解決和邏輯控制有關的邏輯代數、各種門電路，此外還有常用的組合邏輯電路：編碼器、譯碼器等。71 邏輯代數與門電路邏輯代數與門電路711 數字信號與數字電路1數字信號數字信號數字信號是脈沖信號，持續(xù)時間短暫。在數字電路中，最常見的數字信號是矩形波和尖頂波，脈沖的基本參數（1）脈沖幅度A 脈沖信號變化的最大值。（2）脈沖上升時間tr 從脈沖10%的幅度上升到90%所需的時間。（3）脈沖下降時間tf 從脈沖90%的幅度下降到10%所需的時間。（4）脈沖寬度tp從上升沿50%幅度到下降沿50%幅度所需時間。（5）脈沖周期T 周期性脈沖信號前后兩次出現的間隔時間。（6）脈沖頻率f單位時間內的脈沖數，f=1/T。2數字電路數字電路 處理數字信號的電路稱為數字電路，它注重研究的是輸入、輸出信號之間的邏輯關系。在數字電路中，晶體管一般工作在截止區(qū)和飽和區(qū)，起開關的作用。數字電路通常是根據脈沖信號的有無、個數、頻率、寬度來進行工作的，而與脈沖幅度無關，所以抗干擾能力強，準確度高。雖然數字信號的處理電路比較復雜，但因信號本身波形十分簡單，它只有兩種狀態(tài)：有或無，在電路中具體表現為高電位和低電位(通常用1和0表示)，所以用于數字電路的晶體管不是工作在放大狀態(tài)而是工作在開關狀態(tài)，要么飽和導通，要么截止。因此制作時要求低、功耗小，易于集成化，隨著數字集成電路制作技術的發(fā)展，數字電路獲得了廣泛的應用。712 數值與碼數值與碼1數值 表示數值大小的各種計數方法稱為計數體制，簡稱數制。按進位的原則進行計數稱進位計數制。常用的數制有十進制、二進制、十六進制等。每一種進制有一組特定的數碼，如十進制數有0、1、2、9共10個數碼。數碼總數稱為基數，如十進制基數是10。每位數的“1”代表的值稱為權。二進制數的數碼有“0”、“1”兩個，基數是2，每位的權是2的冪，進位規(guī)則是“逢二進一”。在數字電路中，存在高、低電平兩種工作狀態(tài)，可以方便地表示二進制數（對于正脈沖，高電平為“1”低電平為“0”。因此數字電路中普遍使用二進制。二進制數轉換成十進制數的方法是按權展開，再求各位數值之和。十進制整數轉換為二進制數的常用方法是除二取余法，即將十進制數連續(xù)除以2，并依次記下余數，一直除到商為0為止。以最后所得的余數力最高位，依次從后向前排列即為轉換后對應的二進制數。2碼制碼制數字系統(tǒng)中的信息，除數字信息外還包括文字、符號和各種對象、信號等，這些信息都是用若干位“0”和“1”組成的二進制數表示的。這些二進制數分別稱為十進制數碼、文字、符號和某對象、信號等的代碼。n位二進制數，可以組成N=2n種不同的代碼，代表2n種不同的信息或數據。1）二一十進制碼（）二一十進制碼（BCD碼）碼）組成十進制數的數碼共有10個，至少需要4位二進制數表示。而4位二進制數碼可以有16種組合，表示十進制數碼時，只需用10種，有6種不用，故有多種表示方案。常用的二一十進制碼有8421碼、余3碼、格雷碼等.每組（4位）二一十進制碼表示一位十進制數，M位十進制數需用M組4M位二一十進制碼表示。842l BCD碼是最基本、常見的BCD碼，選用了4位二進制數的前10種組合BCD碼是以二進制形式表示的十進制編碼，每個十進制數都以二進制編碼來表示。每組（4位）內8421碼符合二進制規(guī)則，而組與組之間則是十進制。十進制二進制格雷二進制BCD10110000000000000000000000100000100000100000012000010000011000001030000110000100000011400010000011000001005000101000111000010160001100001010000110700011100010000001118001000001100000100090010010011010001001100010100011110010000110010110011100010001120011000010100010010130011010010110010011140011100010010010100150011110010000010101 格雷二進制碼屬于可靠性編碼，其中所有相鄰整數在它們的二進制編碼中只有一數位不同，也就是任意兩個相鄰的數之間轉換時，只有一個數位發(fā)生變化，這樣就大大減少了由一個狀態(tài)到下一個狀態(tài)時邏輯的混淆可能性。二一十進制碼與自然二進制數形式相似，但本質不同。二進制數是按二進制的規(guī)則表示數值的大小，而二一十進制碼是用二進制數表示十進制數碼，它們的值并不一定相等，實際上往往不等。2）字符碼）字符碼目前廣泛應用的表示字母、符號的二進制代碼是ASCII碼（American Standard Code for Information Interchange、美國信息交換標準代碼）。例如，象a、b、c、d這樣的52個字母（包括大寫）、以及0、1、2等數字還有一些常用的符號（例如*、#、等）在計算機中存儲時也要使用二進制數來表示，而具體用哪些二進制數字表示哪個符號，當然每個人都可以約定自己的一套（這就叫編碼），而大家如果要想互相通信而不造成混亂，那么大家就必須使用相同的編碼規(guī)則，于是美國有關的標準化組織就出臺了所謂的ASCII編碼，統(tǒng)一規(guī)定了上述常用符號用哪些二進制數來表示。ASCIl碼采用7位二進制數編碼，可以表示128個字符。擴展ASCII碼采用8位二進制數編碼，可以表示256個字符。在漢字系統(tǒng)中，由于中文文字較多，需用16位二進制數編碼。713 基本邏輯門電路基本邏輯門電路 在數字電路中，電路的輸入信號與輸出信號之間存在一定的邏輯關系。實現這種邏輯關系的數字電路稱為邏輯電路。在數字邏輯電路中，只有兩種相反的工作狀態(tài)高電平與低電平，分別用“1”和“0”表示。對應正邏輯關系，開關接通為“1”，斷開為“0”；燈亮為“1”，暗為“0”：晶體管截止為“1”，飽和為“0”。數字電路中，用以實現一定邏輯關系的電路稱邏輯門電路，簡稱門電路。邏輯門電路是數字電路中最基本的邏輯元件。所謂門就是一種開關，它能按照一定的條件去控制信號的通過或不通過。數字電路中的基本邏輯關系有三種，即：“與”、“或”、“非”。與其對應的基本門電路有“與門”、“或門”、“非門”三種。1與門與門YYY Y與A、B的這種關系稱為“與”邏輯。“與”邏輯關系又乘邏輯乘，其表達式為：Y=AB=AB.實現與邏輯關系的電子電路稱為“與門”電路，簡稱為“與門”，如圖為由二極管組成的與門電路。由“與門”真值表和邏輯表達式可以得出邏輯乘的運算規(guī)律為：00=0 01=0 10=0 11=1，邏輯功能總結為：“有0出0，全1出1”。2或門或門YYY 由“或門”真值表和邏輯表達式，可得出邏輯加的運算規(guī)律為：0+0=0 0+1=11+0=1 1+1=1邏輯功能總結為：“有1出1，全0出0”。Y與A、B的這種關系稱為或邏輯?；蜻壿嬯P系又稱為邏輯加，其表達式為：Y=A+B，實現或邏輯關系的電路稱為“或門”電路，簡稱“或門”。3非門非門邏輯非的運算規(guī)律，即：見1出0，見0出1非邏輯關系也叫邏輯非，其表達式圖711YYY4復合門電路復合門電路 在實際使用中，可以將上述的基本邏輯門電路組合起來，構成常用的組合邏輯電路，以實現各種邏輯功能。如將與門、或門、非門經過簡單組合，可構成另一些復合邏輯門。常用的復合邏輯門有“與非門”、“或非門”、“異或門”等。l）與非門 在一個“與門”的輸出端接一個“非門”，就可完成“與”和“非”的復合運算（先求“與”，再求“非”）稱“與非”運算。實現與非復合運算的電路稱“與非門”。Y“與非門”的邏輯表達式為：電路特點是：“有0出1，全1出0”。2）或非門）或非門 在一個“或門”的輸出端接一個“非門”，則可構成實現“或非”復合運算的電路稱“或非門”?；蚍情T的邏輯運算表達式為：“或非門”電路的特點是：“有1出0，全0出1”。3）異或門）異或門 4）同或門）同或門“異或門”電路的特點是：“同則出0，不同出1”?！巴颉迸c“異或”運算相反，其運算符號為“”?！巴颉边\算的邏輯表達式為：同或門電路的特點是：同則出1，異則出0?？梢娡蜻壿嬇c異或邏輯互補。5）與或非門）與或非門“與或非”門邏輯運算邏輯表達式為：實現“與或非”復合運算的電路與非門。與或非門邏輯符號如圖7-19所示。與或非門電路的特點是：有同1出0，否則出1。714 TTL集成電路集成電路 二極管、三極管等分立元件組成的門電路，制造成本相當低，而且在數字電路中，門電路用的非常多，如果用分立元件門電路，體積大、焊點多、可靠性差。因此大多使用集成電路。集成邏輯門電路通過特殊的半導體工藝將二極管、三極管、電阻等電子元器件和連線制作在一個很小的硅片上，并封裝在殼體中，管殼外面只提供電源、地線、輸入、輸出線等。集成邏輯門電路具有體積小、功耗小、成本低、可靠性高等一系列優(yōu)點。集成門電路主要有兩大類，一類是由雙極型晶體管為主體構成的TTL集成電路，一類是由單極型MOS管為主體構成的集成電路。1TTL與非門電路與非門電路 電路由輸入級、倒相級和輸出級三部分組成。輸入級的VTl為多發(fā)射級三極管，如果把它的集電結看成一個二極管，而發(fā)射結可看成與前者背對背的幾個二極管。VT1的作用和二極管與門電路的作用完全相同。輸出級為推拉式電路，它的作用是降低靜態(tài)功耗和提高電路帶負載能力。該TTL電路實現邏輯功能對應的邏輯表達式為：多余端處理YYYYYYY 在使用門電路時，輸入信號數可能會小于門的輸入端數，這就會有多余的輸入端。多余輸入端的處理原則是：與門（與非門)多余輸入端接高電平，或門(或非門)多余端接低電平。2TTL三態(tài)輸出與非門三態(tài)輸出與非門 三態(tài)輸出與非門，是在與非門的基礎上增加了控制端和控制電路而構成，它的輸出有三種狀態(tài)：輸出高電平、輸出低電平和輸出高阻抗。其電路圖及邏輯符號如圖所示。E端稱為控制端或稱使能端。當E=l時，與非門正常工作，當E=0時，VT4、VT5都截止，F端呈高阻狀態(tài)，即：由于電路結構不同，有的三態(tài)門控制端E即低電平有效，為低電平時電路處于工作狀態(tài)，而在高電平時則為高阻態(tài)。邏輯符號中，E端有一個小圓圈，字母E上端有短橫線，表示低電平有效。3集電極開路與非門（集電極開路與非門（OC門）門）集電極開路與非門電路及邏輯符號，與普通TTL與非門比較，少了VT3和VT4 兩個晶體管，并且輸出管VT5集電極斷開。OC門正常工作時，需串聯一個適當阻值的上拉電阻RL后接到電源U上。7.1.5 CMOS集成電路集成電路由單極型場效應管構成的集成邏輯門電路叫做MOS門電路，它具有制造工藝簡單、集成度高、功耗低、抗干擾能力強等優(yōu)點。MOS門電路可分為三種類型：PMOS門電路、NMOS門電路及CMOS門電路。CMOS門電路是一種互補對稱場效應管集成電路，靜態(tài)功耗低、抗干擾能力強，工作穩(wěn)定性好、開關速度高，應用更為廣泛。1CMOS非門電路最基本的CMOS門電路是非門電路，稱CMOS反相器。電路如圖所示，其中VTN是增強型NMOS管，稱驅動管；VTP是增強型PMOS管，稱負載管。Y2CMOS傳輸門電路傳輸門電路 CMOS傳輸門是一種能控制信號通過與否的開關，具有對所要傳送的信號允許或禁止通過的功能。圖圖733 當C=0，即控制端C電壓為0、只要輸入信號的變化范圍不超過0 UDD，VTN和VTP同時截止，輸入與輸出之間呈高阻狀態(tài)，相當于開關斷開。反之，當C=l，即在控制端C加UDD電壓，設兩管開啟電壓為UT，若0UI（UDD-UT），VTN管導通，若UTUIUDD，VTP管導通，只要UI在0UDD范圍內，則至少有一個管子導通，電路呈低阻，相當于開關接通。即當C=l，傳輸門導通，U0=UI；當C=0，傳輸門截止，輸出端呈高阻，即:716 邏輯代數邏輯代數 邏輯代數又稱為布爾代數，它是分析和設計數字電路的基本數學工具。邏輯代數與普通代數一樣，也是用字母表示變量。但是變量的取值只有“1”、“0”兩個值。這時的1和0已不再表示具體的數量大小，而只是表示兩種不同的邏輯狀態(tài)；“開”與“關”；“是”與“非”；“高”與“低”等。1邏輯代數運算法則與定律與或非00=01=10=00+0=00/=111=10+1=1+0=1+1=11/=0 在數字系統(tǒng)中，邏輯電路品種繁多，功能各異，但是它們的邏輯關系只進行邏輯乘（與）、邏輯加（或）和求反（非）三種基本運算。邏輯代數的基本定律邏輯代數的基本定律1）基本運算規(guī)則A+0=A A+1=1 A 0=0 A=0 A 1=A2）基本代數規(guī)律交換律 A+B=B+A A B=B A結合律 A+(B+C)=(A+B)+C=(A+C)+B A(B C)=(A B)C分配律 A(B+C)=A B+A C A+(B C)=(A+B)(A+C)3）吸收規(guī)則(1)原變量的吸收 A+AB=A(2)反變量的吸收(3)混合變量的吸收(4)反演定理(摩根定律)2邏輯函數的化簡 對于一個邏輯函數來說，邏輯表達式越簡單，則實現這個邏輯表達式所需要的元器件就越少，電路的可靠性也越高。因此，在邏輯電路的設計中，對邏輯表達式的化簡十分重要。邏輯函數的化簡方法有兩種：公式法和卡諾圖法。公式法主要是利用邏輯代數的運算法則及定律來化簡。72 加法器加法器 隨著微電子技術的不斷發(fā)展，單位集成器件所具有的邏輯功能越來越復雜，種類也越來越多。下面將介紹在數字系統(tǒng)，特別是在計算機中不可缺少的基本部件：加法器、編碼器、譯碼器、數據分配器、數值比較器等組合邏輯電路。算術運算是數字系統(tǒng)的基本功能，更是計算機中不可缺少的組成部分。由于在兩個二進制數之間的加、減、乘、除等算術運算過程，最終都可化作若干步加法運算來完成，因此，加法器是算術運算的基本單元。721 半加器半加器 半加就是不考慮低位的進位數運算，只求本位的和。設A、B兩數相加，和數為S，進位數為C?？梢詫懗霭爰悠鞯倪壿嫳磉_式為：722 全加器全加器 當多位數相加時，除了兩個二進制數本位相加外，還要考慮來自低位的進位，稱為全加?！叭印笔侵副患訑怠⒓訑档谋疚粩礎i、Bi和低位加法運算的進位數Ci-1三個數的相加運算。全加器的邏輯表達式為：全加器是由兩個半加器和一個或門組成。加法器 若有多位數相加，則可采用并行相加，串行進位的方法來完成。就構成加法器。例如，有兩個4位二進制數A3A2A1A0和B3B2B1B0相加，可以采用如圖所示的串行進位加法器邏輯電路來解決。這種加法器的任一位運算必須等到低位加法完成送來進位后才能進行。串行進位加法器電路簡單，但工作速度較慢。若希望提高運算速度，可采用超前進位加法器，但線路較復雜。73 編碼器編碼器 用文字、符號或數碼表示特定對象的過程稱為編碼，如郵政編碼、身份證號碼、汽車牌號等。在數字電路中用二進制代碼表示有關信號，稱為二進制代碼。用來完成編碼工作的邏輯電路稱為編碼器。731 二進制編碼器二進制編碼器 將某種信號編成二進制代碼的電路稱為二進制編碼器。一位二進制代碼可以表示兩個信號，n位二進制數可對N=2n個信號進行編碼。例如，一個將I0I7的8個信號編成二進制代碼的編碼器，圖7-38是3位二進制編碼器功能示意圖，3位二進制代碼的組合關系是23=8，因此I0I7的任一個輸入信號可用一個3位二進制代碼表示。因輸入為8個信號，輸出為3位二進制數，稱8線一3線（8/3）編碼器。編碼過程 1.確定二進制代碼位數 因為輸入有8個信號，所以必須有3位二進制數的輸出與之對應。2.列編碼表 把由待編碼的信號與對應的代碼列成的表格稱編碼表。這種對應關系是在確定編碼電路之前由已知條件寫出的。3.由編碼表寫出邏輯式 4.由邏輯式畫出邏輯圖 實現8/3編碼器的方案有多種，在實際應用中應選用最佳方案。如圖為三位二進制編碼器邏輯圖。I0的編碼是隱含的，當I1I7均為1時，電路的輸出000即表示I0。732 二二十進制編碼器十進制編碼器 二十進制編碼器執(zhí)行的邏輯功能是將十進制數的09十個數編為二十進制代碼：由4位二進制代碼來表示。二十進制碼（簡稱BCD碼）。1.確定二進制代碼的位數 二十進制代碼是用4位二進制代碼來表示一位十進制數。2.列編碼表 3.由編碼表寫出邏輯式并變換為與非形式 Y3Y0Y2Y1733 優(yōu)先編碼器優(yōu)先編碼器 以上討論的編碼器每次只允許一個輸入信號，否則會引起混亂。在數字系統(tǒng)的實際應用中，可能有幾個鍵或幾個輸入端同時有信號的情況，比如計算機的中斷系統(tǒng)，這時要求編碼器允許多個信號同時有效，并按優(yōu)先級別，按次序編碼。能完這一功能的編碼器稱優(yōu)先編碼器。74 譯碼器譯碼器 譯碼器是編碼器的逆過程，它的功能是將二進制代碼按編碼時的原意轉換為相應的信息狀態(tài)。能實現譯碼功能的電路稱作譯碼器。譯碼器可分為三種：二進制譯碼器、二十一進制譯碼器與顯示譯碼器。741二進制譯碼器8421 BCD譯碼器是常用的能將二進制代碼譯成對應輸出信號的數字電路。二進制譯碼器的輸入為二進制碼，如果輸入有幾位，數碼組合有2n種，則可譯出2n個輸出信號。譯碼電路的設計過程 1.列出譯碼器的狀態(tài)表 2由狀態(tài)表寫出邏輯表達式 3.由邏輯式畫出邏輯圖 742 二一十進制譯碼器二一十進制譯碼器二一十進制譯碼器，它是把4位BCD代碼00001001譯成10個高、低電平輸出信號，又稱4線-10線（4/10）譯碼器。設二進制碼輸入端為A3A2A1A0，輸出Y9Y8Y7Y0，實現二十進制譯碼器邏輯功能。當輸入一個8421 BCD碼，就會在它所表示的十進制數的對應輸出端產生一個低電平有效信號。當輸入的是非法碼Y0Y9均不能產生低電平信號，即譯碼器具有拒絕非法碼的功能。743 顯示譯碼器顯示譯碼器 在數字系統(tǒng)中，常需要把數據或字符直觀地顯示出來。因此，數字顯示電路是數字系統(tǒng)中不可缺少的部分。數字顯示電路通常由圖7-45所示的電路組成。顯示器件是由顯示譯碼器驅動，數字顯示器件種類很多，按發(fā)光材料不同可分為螢光管顯示器、半導體發(fā)光二極管顯示器（LED）與液晶顯示器（LCD）等。按顯示方式的不同可分為字形重疊式、分段式、點陣式等。目前，顯示譯碼器隨顯示器件的類型而變。最常用的顯示譯碼器是直接驅動半導體數碼管的七段顯示譯碼器。數字顯示電路圖 半導體數碼管是由特殊的半導體材料磷砷化鎵、磷化鎵、砷化鎵等制成發(fā)光二極管（LED）。七段顯示器由7個條形二極管組成8字形,每一段含有一個發(fā)光二極管。有規(guī)律地控制a、b、c段亮顯示“7”。半導體數碼管有共陰極和共陽極兩種接法。共陰極時，輸入高電平二極管亮；共陽極時，輸入低電平二極管亮。動七段數碼管的是與之對應的8421 BCD七段顯示譯碼器。輸入一個4位8421碼，經七段顯示譯碼器輸出數碼管各段的驅動信號，控制顯示相應的十進制數。若驅動共陽極LED管，則七段顯示譯碼器的邏輯狀態(tài)表如表所示。由作卡諾圖并化簡可得邏輯關系式，無交狀態(tài)作約束條件處理。A3A2A1A0YaYbYcYdYeYfYg顯顯示示字形字形000000000010000110011111001000100102001100001103010010011004010101001005011001000006011100011117100000000008100100001009