組合邏輯電路的設計與仿真

1、組合邏輯電路的設計與仿真組合邏輯電路的設計與仿真摘耍：以交通信號燈監(jiān)控器為例分析了組合邏輯電路設計的過 程，運用ssi、msi為主要元件分別設計了三種實現(xiàn)電路，并總結(jié)了 這三種電路的特點，最后利用multisim軟件進行了仿真測試，為組 合邏輯電路的設計與仿真提供了借鑒方法。關(guān)鍵詞：組合邏輯電路；電路設計；multisim；仿真；交通信 號燈；監(jiān)控器屮圖分類號:tp391文獻標識碼文章編號：1009-3044(2013) 29-6625-041概述數(shù)字電子技術(shù)已廣泛應用于各個專業(yè)技術(shù)領域，組合邏輯電路是 數(shù)字電路重耍的組成部分，也是時序邏輯電路設計的基礎，在實踐中 被廣泛應用。組合邏輯電路的輸

2、出僅與當前的輸入狀態(tài)有關(guān)，而與輸 入之前的信號狀態(tài)無關(guān)，因此組合邏輯電路沒有記憶功能，在其電路 中沒有反饋延遲電路1-2 omultisim 的前身是 ewb (electronics workbench)軟件，是美 國國家儀器(ni)有限公司推出的以windows為基礎的交互式spice 仿真和電路分析軟件，專用于原理圖捕獲、交互式仿真、電路板設計 和集成測試3-5 o multisim軟件包含了電路原理圖的圖形輸入、電 路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。本文以交通信號燈監(jiān)控器為例，分別運用與非門74ls00、中規(guī) 模集成數(shù)據(jù)選擇器74ls151和中規(guī)模集成譯碼器74ls138

3、為主耍元件 設計三種實現(xiàn)監(jiān)控交通信號燈狀態(tài)的控制電路，并利用multisim 12.0軟件進行仿真測試。2組合邏輯電路的設計2.1組合邏輯電路設計的一般步驟組合邏輯電路設計主要是將用戶的具體設計要求用邏輯函數(shù)加 以描述，再用具體的電路加以實現(xiàn)的過程。組合邏輯電路的設計可分 為小規(guī)模集成電路、中規(guī)模集成電路、定制或半定制集成電路的設計6 。其設計的一般步驟可用圖1來表示：1）首先對命題要求進行分析，確定輸入變量、輸岀變量的個數(shù) 和狀態(tài)，并以真值表的形式列出；2）根據(jù)真值表寫出邏輯函數(shù)表達式；3）通過邏輯化簡，寫出最簡的邏輯函數(shù)表達式；4）根據(jù)邏輯功能要求以及實際情況，選擇合適的門器件，把最 簡的

4、表達式轉(zhuǎn)換為相應的表達式；5）根據(jù)表達式畫出該電路的邏輯電路圖。2.2組合邏輯電路的設計方法組合邏輯電路可以采用分立元件實現(xiàn)，隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā) 展和集成電路工藝水平的提高，單塊芯片的集成度越來越高，價格越 來越便宜，也可用通過小規(guī)模集成電路ssi,中規(guī)模集成電路msi、 定制或半定制集成電路等來實現(xiàn)7 o本文以監(jiān)控交通信號燈工作狀態(tài)的監(jiān)控器為例分析組合邏輯電 路的設計方法。交通信號燈是交通信號中的重要組成部分，是道路交 通的基本語言，每一組交通信號燈由紅、黃、綠三盞燈組成。正常工 作情況下，任何吋刻必有一盞燈點亮，而且也僅有一盞燈亮。當出現(xiàn) 其他狀態(tài)吋，電路發(fā)牛故障，這吋監(jiān)控器發(fā)出故障信

5、號以提醒維護人 員前去修理。2. 2. 1命題分析根據(jù)交通信號燈監(jiān)控器的工作原理，確定紅、黃、綠三盞燈的狀 態(tài)為輸入變量，分別用a、b、c表示；取故障信號為輸出變量，用f 表示。假設：a、b、c取1時，表示燈亮，a、b、c取0時，表示燈不 亮；f為1時，表示工作狀態(tài)正常，f為1時表示發(fā)生故障。2.2.2列寫真值表根據(jù)命題分析列出邏輯真值表，如表1所示。計算機工程應用技術(shù) jxy02. jpg> （1）運用卡諾圖化簡，可得簡化的邏輯函數(shù)表達式：2. 2. 4把最簡的表達式轉(zhuǎn)換為相應的表達式邏輯電路圖是根據(jù)邏輯函數(shù)表達式得出的，因此畫邏輯電路圖之 前要根據(jù)邏輯功能要求以及實際情況確定元件，將

6、最簡的表達式轉(zhuǎn)換 為與所選用元件和對應的表達式。1)選用與非門實現(xiàn)選用集成與非門74ls00、74ls20實現(xiàn)交通信號燈監(jiān)控器，將輸 出與輸入z間的邏輯關(guān)系轉(zhuǎn)換為與非表達式。通過表達式變換，得到 式3o<d： 2013年學術(shù)和海外 2013年學術(shù)交流 2013年學術(shù)交流 第2)選用數(shù)據(jù)選擇器實現(xiàn)數(shù)據(jù)選擇器是種多路輸入、單路輸出的邏輯部件。它在控制信 號作用下，從多個輸入數(shù)據(jù)中選個送到輸出端。式4給出了數(shù)據(jù)選 擇器輸出與輸入的邏輯關(guān)系，其中，ao、a1、ak表示控制信號， y表示輸出信號，di為數(shù)據(jù)輸入信號，mi為控制信號的最小項表示， 2k二 n。從表達式4中可以看出，其輸出實際上是數(shù)據(jù)

7、輸入與地址輸入的 最小項相與的關(guān)系，所以數(shù)據(jù)選擇器可以實現(xiàn)各種組合邏輯功能。選 用中規(guī)模集成數(shù)據(jù)選擇器74ls151可實現(xiàn)交通信號監(jiān)控器。74ls151 是八選一數(shù)據(jù)選擇器，對式1進行變換，可得式5：f =abc+abc+abc+abc+abc =m0+m3+m5+m6+m7二 m0? 1 +m 1 ?0+m2?0+m3?l +n)4?0+ni5? 1 +m6? 1 +m7? 1 (5)由式5可以看出，選用74ls151實現(xiàn)交通信號監(jiān)控器需使f二y, a二a2, b=a1, c=ao,則有 d0=d3=d5=d6=d7=l, d1=d2=d4 二0。3)選用變量譯碼器實現(xiàn)變量譯碼器是組合邏輯電

8、路中一個重要的器件，它是一個將n個 輸入變?yōu)?n個輸出的多輸出端的組合邏輯電路。變量譯碼器的輸出 與輸入z間的邏輯關(guān)系可用式6表示：<d： 2013年學術(shù)和海外 2013年學術(shù)交流2013年學術(shù)交流 第29期 77篇 7計算機工程應用技術(shù) jxy06. jpg> (6)其中，yi是輸出端，mi是關(guān)于輸入變量an-1, an-2,a0 的最小項，0int。<!-endprint-> <!-startprint->由 于譯碼器電路的輸出列出了該電路的所有最小項表達式，而任何一個 組合邏輯電路都可以寫成故小項表達式的形式，因此我們可運用譯碼 器電路實現(xiàn)各種組合邏輯

9、電路。選用屮規(guī)模集成譯碼器74ls138來實 現(xiàn)交通信號燈監(jiān)控器。由于74ls138的輸出是反變量形式，低電平有 效，因此變換式1得：f 二 abc+abc+abc+abc+abc 二 m0+m3+ni5+ni6+ni7=m0+m3+m5+m6+m7=m0?m3?m5?m6?m7(7)使74ls138的三個數(shù)據(jù)輸入端分別為：a二a2, b二al, c二a0,且三 個使能端有效，則74ls138中的8個輸出可分別與交通信號燈監(jiān)控器 輸出的最小項 對應。2.2.5根據(jù)表達式畫出邏輯電路圖為了便于邏輯電路圖的驗證，利用multisim 12. 0設計邏輯電路 圖。根據(jù)2.2. 4小節(jié)中三種設計方法的

10、相應表達式：式3、式5、式 7畫出邏輯電路圖，分別如圖2、圖3、圖4所示。圖2圖4屮的xlc1為邏輯轉(zhuǎn)換儀，它是multisim軟件的一種 虛擬裝置，可以接入交通信號燈監(jiān)控器的輸入與輸出端，測試與驗證 其邏輯功能。通過邏輯轉(zhuǎn)換儀中的“邏輯電路轉(zhuǎn)換為真值表”的功能 分別驗證了圖2圖4的邏輯功能，得到的真值表相同，如圖5所示， 該電路真值表及邏輯函數(shù)表達式與設計的要求一致。2. 3設計方法分析比較選用不同的元件最后設計出的電路形式雖然差別很大，但是實現(xiàn) 的邏輯功能卻相同。選用如本文選用的74ls00、74ls20等ssi來實 現(xiàn)電路，所用的集成電路芯片數(shù)量多，線路復雜，通用性不強，僅能 夠適應某一

11、特殊的函數(shù)要求。在用ssi設計電路時，要力求邏輯門電 路的數(shù)量、種類以及輸入端的數(shù)量均應達到最少。選用msi設計組合邏輯電路,如本文選用的74ls15k 74ls138, 可以減少元件的數(shù)目，具有較強的通用性，可靠性高，易于設計、生 產(chǎn)、調(diào)試和維護8。3組合邏輯電路的仿真對于設計好的組合邏輯電路，不僅可以通過multisim中的邏輯 轉(zhuǎn)換儀來驗證，還可以在multisim窗口中搭建電路來仿真。從multisim元件庫在已經(jīng)繪制好的邏輯電路圖中添加電源、地、電阻、 發(fā)光二極管等電器元件并進行連線，得到仿真電路圖。由于篇幅有限, 文屮只給出了用74ls138實現(xiàn)交通信號燈監(jiān)控器的仿真屯路圖，如圖

12、6所示。在仿真過程中，si、s2、s3三個開關(guān)在全部打開、全部閉合以 及任意兩個閉合的情況下，發(fā)光二極管就會亮，此吋表示交通信號燈 出現(xiàn)故障。4結(jié)束語本文以交通信號燈監(jiān)控器為例分析了組合邏輯電路設計的過程 并進行了 multisim仿真測試?？梢钥闯鼋M合邏輯電路設計中，要實 現(xiàn)相同的邏輯功能可根據(jù)實際情況選用不同的設計方法；同時，借助 于eda軟件multisim,可以顯著提高電路設計工作的效率，為組合 邏輯電路的設計仿真提供了一定的借鑒方法。參考文獻：1 王毓銀數(shù)字電路邏輯設計m北京：高等教育出版社， 2002.2 魏淑桃計算機電路基礎m北京：高等教育出版社,2008.3 周潤景，郝曉霞.multisim&labview虛擬儀器設計技術(shù)m. 北京：北京航空航天大學出版社，2008.4 石嘉順基于multisim環(huán)境下的電路設計與仿真j計算 機仿真，2007, 24 (12)： 306-308.5 王延才基于multis