數(shù)字電路第2章課件

1、2.1基本邏輯關(guān)系和基本邏輯門2.1.1生活中的邏輯現(xiàn)象日常生活中存在大量的邏輯關(guān)系，如“下課后張三和李四一起去學(xué)生科”屬于“與”邏輯關(guān)系，而“下課后張三或者李四打掃一下教室”屬于“或”邏輯。通過認(rèn)識和分析事物之間的邏輯關(guān)系，我們可以預(yù)先得到事物的結(jié)果和發(fā)展趨勢。人們通過分析和總結(jié)，得到三種基本的邏輯關(guān)系：與邏輯、或邏輯、非邏輯。1.與邏輯與邏輯關(guān)系指只有相關(guān)的所有條件都具備和滿足時，事物才會出現(xiàn)或結(jié)論才成立的邏輯關(guān)系，如優(yōu)等生的評定就是與邏輯關(guān)系，只有各方面都好的學(xué)生才能評為優(yōu)等生。2.或邏輯或邏輯關(guān)系指只要相關(guān)的所有條件中至少有一個具備和滿足時，事物就會出現(xiàn)或結(jié)論就會成立的邏輯關(guān)系，如“成

2、人高考要帶有效證件(身份證、學(xué)生證或軍人證)進(jìn)入考場”就是或邏輯關(guān)系，只要帶了身份證、學(xué)生證或軍人證中的一個就可以進(jìn)入考場參加考試。3.非邏輯非邏輯關(guān)系指相關(guān)的某個條件具備和滿足時，事物就不會出現(xiàn)或結(jié)論就不會成立的邏輯關(guān)系，如“違反計劃生育條例將取消評優(yōu)資格” 就是非邏輯關(guān)系，只要違反了計劃生育條例，則不管其他工作做得多么出色，都不能評為優(yōu)秀。2.1.2邏輯現(xiàn)象的分析和抽象1.邏輯代數(shù)基礎(chǔ)為了更好地研究邏輯關(guān)系，人們對各種具體的邏輯關(guān)系進(jìn)行了提煉和抽象，于是出現(xiàn)了邏輯代數(shù)。邏輯代數(shù)利用人們熟悉的數(shù)學(xué)方法來研究邏輯，將事件相關(guān)的條件和結(jié)果抽象為邏輯變量，并用大寫字母AZ來表示；用“邏輯1”來表示

3、條件成立或結(jié)果出現(xiàn)，而用“邏輯0”來表示條件不成立或結(jié)果不出現(xiàn)；用特定的邏輯關(guān)系符號來描述變量間的邏輯關(guān)系。這樣一個具體的邏輯關(guān)系就可用一個通用的邏輯表達(dá)式(或稱為邏輯函數(shù))來表達(dá)。2.邏輯表達(dá)式圖2-2串聯(lián)開關(guān)控制電路圖2-2所示的串聯(lián)開關(guān)控制電路中，只有當(dāng)開關(guān)S1和S2同時閉合時，燈L1才亮，這是一種典型的與邏輯關(guān)系，為了能更簡單地描述燈L1的亮滅和開關(guān)S1和S2閉合和斷開之間的邏輯關(guān)系，我們可以采用邏輯代數(shù)的方法：將相關(guān)的條件和結(jié)果抽象為邏輯變量，如開關(guān)S1用邏輯變量A表示，開關(guān)S2用邏輯變量B表示，結(jié)果燈L1的亮滅用字母Y表示，它們之間的與邏輯關(guān)系用符號“”表示。這樣圖2-2所示的串聯(lián)

4、開關(guān)控制電路就可描述為這就是串聯(lián)開關(guān)控制電路的邏輯表達(dá)式，其中A、B稱為輸入變量，Y稱為輸出變量。邏輯表達(dá)式能簡單明了地表達(dá)事物之間的邏輯關(guān)系。有了它，我們就可以根據(jù)條件是否成立確定輸入變量的值，并通過邏輯推理得到輸出變量的值，即進(jìn)行邏輯運(yùn)算。基本的邏輯運(yùn)算有三種：與邏輯運(yùn)算、或邏輯運(yùn)算、非邏輯運(yùn)算。3.邏輯真值表為了更直觀地分析各事物之間的邏輯關(guān)系，我們可以將輸入變量及其可能取值和對應(yīng)的輸出變量列成一個表格，將輸入變量的所有可能組合情況下的輸出變量都求出來，從而可以全面直觀地分析出事物之間的邏輯關(guān)系。如對應(yīng)于圖2-2所示的串聯(lián)開關(guān)控制電路，我們可以列出表2-1所示的邏輯真值表。4.邏輯門電路

5、及其符號前面對事件的邏輯分析都是我們自己通過大腦思維分析得到的，占用時間和精力，而且很多情況下是重復(fù)勞動。實(shí)際上可以通過數(shù)字電路(或其他機(jī)械裝置)來實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算和邏輯分析，我們將這些數(shù)字電路稱為邏輯門電路。圖2-3所示就是一個簡單但能實(shí)現(xiàn)與邏輯運(yùn)算的與門電路。只有其輸入端A和B都為高電平3.6V時，二極管VD1和D2都截止，其輸出端Y才為高電平3.6V。只要輸入端有一個為低電平0V時(如A端)，其連接的二極管將導(dǎo)通(此時VD1導(dǎo)通)，則輸出端Y的電平將拉到低電平0V。輸入端A和B的高低電平和輸出端Y的高低電平對應(yīng)關(guān)系見表2-2。分析表2-2可知，如果用輸入端的電平值代表邏輯輸入變量，其輸入高電

6、平(3.6V)代表輸入變量為邏輯1，輸入低電平(0V)代表輸入變量為邏輯0，而用輸出端的高低電平來代表輸出邏輯變量Y的不同結(jié)果，便可以得到表2-3所列的與門邏輯真值表?？偨Y(jié)：通過以上分析可知，用該電路就能實(shí)現(xiàn)一個二輸入變量的與邏輯運(yùn)算。用它可以完全表示圖2-2所示的串聯(lián)開關(guān)控制電路，得到與表2-1完全一致的邏輯結(jié)果，從而將邏輯分析工作交給邏輯門電路自動完成。圖2-4與門邏輯符號在數(shù)字電路中，實(shí)現(xiàn)相同邏輯運(yùn)算的電路形式多樣，如還可以利用晶體管(TTL)和場效應(yīng)晶體管(CMOS)來構(gòu)成。結(jié)構(gòu)上有的簡單，有的復(fù)雜，但對于初學(xué)者和應(yīng)用型技術(shù)人員而言，我們主要關(guān)注的是外部的輸入和輸出之間的邏輯關(guān)系，即它

7、能實(shí)現(xiàn)怎樣的邏輯運(yùn)算，而沒必要太在意其內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)和工作原理。不同的邏輯門電路用特定的邏輯門符號來表示，2.1.3基本邏輯運(yùn)算和基本邏輯門上面主要以與邏輯為例對邏輯代數(shù)和邏輯門電路的基本概念進(jìn)行了一定的介紹，現(xiàn)將三個基本邏輯總結(jié)如下：1.與邏輯和與門只有當(dāng)所有的條件都滿足時事件才發(fā)生，而條件中只要有一個(或一個以上)不成立時事件就不發(fā)生的邏輯關(guān)系稱為與邏輯。對應(yīng)的與門邏輯運(yùn)算規(guī)則為：只有當(dāng)輸入變量全部為1時，輸出變量才為1；否則，只要輸入變量有一個為0，輸出變量就為0。與門電路的邏輯真值表、邏輯符號及表達(dá)式見表2-4。2.或邏輯和或門只要所有的條件中至少有一個滿足時事件就發(fā)生，只有在所有條件

8、都不滿足時事件才不會發(fā)生的邏輯關(guān)系稱為或邏輯。對應(yīng)的或邏輯運(yùn)算規(guī)則為：只要輸入變量中有一個為1，輸出變量就為1；否則，當(dāng)輸入變量全部為0時，輸出變量才為0?；蜷T電路的邏輯真值表、邏輯符號及表達(dá)式見表2-5。3.非邏輯和非門條件滿足時事件不發(fā)生、條件不滿足時事件發(fā)生的邏輯關(guān)系稱為非邏輯關(guān)系。非門邏輯的運(yùn)算規(guī)則為：輸入變量為1時，輸出變量為0；否則，輸入變量為0，輸出變量為1。非門電路的邏輯真值表、邏輯符號及表達(dá)式見表2-2.2復(fù)合邏輯運(yùn)算和復(fù)合邏輯門在實(shí)際生活中，很多邏輯關(guān)系并非單純的與、或、非這么簡單，而往往是由它們相互組合構(gòu)成的較為復(fù)雜的邏輯關(guān)系。例如，“這條船太小，你們?nèi)齻€人不要一起坐上去

9、”就是一個與非的邏輯關(guān)系，還有“這件事不是張三或李四做的”就是一個或非的邏輯關(guān)系。但復(fù)合的邏輯關(guān)系均是由與、或、非三種基本的邏輯關(guān)系組合而成。為了處理復(fù)合邏輯關(guān)系，人們研制了大量的復(fù)合邏輯門電路。根據(jù)復(fù)合邏輯門不同的組合方式，復(fù)合邏輯門主要包括與非門、或非門、異或門等。1.與非門與非門是在與門的基礎(chǔ)上結(jié)合非門而成，其運(yùn)算規(guī)則為：只有當(dāng)輸入變量全部為1時，輸出變量才為0；否則，只要輸入變量有一個為0，輸出變量就為1。與非門電路的邏輯真值表、邏輯符號及表達(dá)式見表2-7。2.或非門或非門是在或門的基礎(chǔ)上結(jié)合非門而構(gòu)成的，其運(yùn)算規(guī)則為：輸入中有1輸出為0；輸入全零，輸出為1?；蚍情T電路的邏輯關(guān)系真值表

10、、邏輯符號及表達(dá)式見表2-8。3.異或門異或邏輯的運(yùn)算規(guī)則為：兩個輸入變量A、B邏輯值相同時，輸出函數(shù)Y為0；二個輸入變量A、B邏輯值不同時，輸出函數(shù)Y為1。異或門電路的邏輯真值表、邏輯符號及表達(dá)式見表2-9。4.同或門同或邏輯的運(yùn)算規(guī)則為：兩個輸入變量A、B邏輯值不相同時，輸出變量Y為0；二個輸入變量A、B邏輯值相同時，輸出函數(shù)Y為1。正好和異或門相反，因此它的邏輯符號也是在異或門的邏輯符號上加上圓圈(表示非)組成。同或門電路的邏輯真值表、邏輯符號及表達(dá)式見表2-10。2.3TTL邏輯門電路的組成和工作原理分析雖然可由分立元件構(gòu)成邏輯門電路，但由于集成電路具有體積小、重量輕、功耗低、速度快、

11、可靠性高、便于數(shù)字電路的模塊化設(shè)計等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)字電路中應(yīng)用越來越廣泛。應(yīng)用數(shù)字集成電路的重點(diǎn)是掌握輸入和輸出引腳的邏輯關(guān)系和引腳的外部特性，但對初學(xué)者而言，了解門電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)將有助于理解門電路的邏輯關(guān)系和外部特性。下面以TTL與非門為例說明門電路的一般結(jié)構(gòu)。1.組成圖2-5所示為二輸入與非門的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它由輸入級、中間級和輸出級組成。其中輸入級由多發(fā)射極晶體管構(gòu)成，其等效電路如圖2-6所示。多發(fā)射極晶體管可等效為三個二極管，其中VD1和VD2實(shí)現(xiàn)了與邏輯的功能。中間級VT2進(jìn)行電壓放大，分別從其集電極和發(fā)射極輸出兩路相位相反的驅(qū)動信號；VT3和VT4組成NPN復(fù)合管，而VT4和VT5構(gòu)成推挽

12、輸出級(即一個導(dǎo)通時另一個截止)。2.工作原理分析(1)輸入端A、B全為高電平3.6V當(dāng)輸入端A、B全為高電平時，二極管VD1和VD2截止，VD3導(dǎo)通，C點(diǎn)輸出高電平，從而使D點(diǎn)為低電平，VT3、VT4截止，E點(diǎn)為高電平，VT5導(dǎo)通，從而使輸出Y為低電平0.3V，如圖2-7a所示。圖2-7輸出級等效電路圖(2)輸入端A、B有一個為低電平0.3V時當(dāng)輸入端A、B有一個為低電平時，二極管VD1和VD2有一個導(dǎo)通，VD3截止，C點(diǎn)輸出低電平，從而使D點(diǎn)為高電平，VT3、VT4導(dǎo)通，E點(diǎn)為低電平，VT5截止，從而使輸出Y為高電平3.6V，如圖2-7b所示。根據(jù)以上分析，可知輸入端A、B和輸出端Y之間正

13、好符合與非邏輯關(guān)系以上是一個與非門電路的結(jié)構(gòu)圖。實(shí)際的與非門集成塊(如四路二輸入與非門74LS00)由于集成度較高往往包含幾個完全相同的單元電路。它們彼此獨(dú)立，輸入和輸出端分別占用不同引腳，各單元可以分別使用，只是共用相同的電源引腳VCC和地GND。2.4特殊邏輯門電路2.4.1集電極開路(OC)門電路1.普通門電路的缺陷當(dāng)需要多個門電路對同一個負(fù)載(如發(fā)光二極管、繼電器等)進(jìn)行控制時，是否可以將普通的門電路直接并聯(lián)在一起使用呢？圖2-8普通門電路并聯(lián)造成短路如圖2-8所示，如果直接將普通邏輯門電路并聯(lián)，當(dāng)其中一個門電路輸出為高電平而另一個輸出正好為低電平時，將造成輸出級嚴(yán)重短路，不但滿足不了

14、共同控制同一負(fù)載的要求，還會燒毀集成電路。2.OC門電路的結(jié)構(gòu)為了實(shí)現(xiàn)對同一個負(fù)載的共同控制，人們對普通門電路進(jìn)行了改進(jìn)，將圖2-5所示電路的輸出級中VT3和VT4取消，用一個外接電阻R和負(fù)載串聯(lián)后接電源，如圖2-9所示。這樣就可以實(shí)現(xiàn)多個門電路共同控制同一負(fù)載。由于這種門電路的輸出級內(nèi)部晶體管集電極是開路的，因此稱其為集電極開路門電路，簡稱OC門電路。OC門電路的邏輯符號是在普通邏輯門電路符號的基礎(chǔ)上加一個“”表示，圖2-10所示為二輸入集電極開路與非門電路的邏輯符號。3.OC門電路的主要作用(1)線與幾個OC門電路并聯(lián)時(可共用外部電阻)，如圖2-11所示，只有當(dāng)并聯(lián)的所有OC門電路都輸出

15、高電平，輸出Y才為高電平；只要有一個OC門電路輸出低電平，則輸出就為低電平，正好實(shí)現(xiàn)了邏輯與的功能。這樣通過輸出線并聯(lián)實(shí)現(xiàn)的邏輯與，稱為“線與”。(2)電平轉(zhuǎn)移OC門電路外接負(fù)載接不同的電源時，可實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)移的功能，一般用作接口電路來驅(qū)動不同類型的負(fù)載。如圖2-1所示，OC門電路采用+5V電源供電，而繼電器K1的線圈采用12V電源供電。如果采用普通TTL門電路，由于其輸出高電平只有3.6V，是無法直接驅(qū)動繼電器的。因此，只要OC門集電極負(fù)載接不同的電源，便可實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，該特性使OC門在電平轉(zhuǎn)換接口電路中應(yīng)用較廣泛。2.4.2三態(tài)門1.三態(tài)門的邏輯符號和等效電路一般門電路輸出只有兩種狀態(tài)，即高

16、電平和低電平，但當(dāng)幾個門電路分時段共用某個控制設(shè)備或傳輸線時，在某一時刻我們只希望得到允許的門電路占用該設(shè)備或傳輸線，而其他門電路處于斷開懸空狀態(tài)。三態(tài)門(簡稱TSL)正是可以滿足此要求的特殊門電路，它在普通門電路的基礎(chǔ)上，增加了一個控制端E，其邏輯符號如圖2-13所示。當(dāng)控制端E有效時，門電路正常工作；而當(dāng)E無效時，三態(tài)門輸出端斷開，相當(dāng)于在普通門電路的輸出端加了一個受E控制的電子開關(guān)，其等效電路如圖2-13c所示。因此，三態(tài)門有高電平、低電平、高阻(又稱禁止?fàn)顟B(tài))三種狀態(tài)。2.三態(tài)門的應(yīng)用圖2-14三態(tài)門的應(yīng)用利用三態(tài)門可以實(shí)現(xiàn)對總線(一組用于傳輸數(shù)據(jù)和控制信號的導(dǎo)線)的分時復(fù)用，如圖2-

17、14所示。當(dāng)E=1時，E1=1，第一個三態(tài)門工作，而E20，第二個三態(tài)門處于高阻狀態(tài)，相當(dāng)于斷開，因此Y=A1，相當(dāng)于總線Y被A1占用；當(dāng)E=0時，E1=0，第一個三態(tài)門不工作，處于高阻態(tài)，相當(dāng)于斷開，而E21，第二個三態(tài)門處于工作狀態(tài)，因此Y=A2，相當(dāng)于總線Y被A2占用。2.5TTL門電路的電壓傳輸特性曲線和主2.5.1電壓傳輸特性曲線為了更好地比較、判別、選擇、使用數(shù)字集成門電路，有必要學(xué)習(xí)集成門電路的電壓傳輸特性和主要性能參數(shù)。集成門電路的電壓傳輸特性就是指門電路輸入電壓和輸出電壓之間的對應(yīng)關(guān)系。測量時通常是使輸入電壓從零逐步增加到電源電壓，同時測量輸出電壓相應(yīng)的變化情況，通常用電壓傳

18、輸特性曲線來表示。本節(jié)將以TTL與非門為例進(jìn)行講解，其他類型門電路的電壓傳輸特性曲線和主要參數(shù)與其基本相同。圖2-15所示為TTL與非門電壓傳輸特性的測試電路以及電壓傳輸特性曲線。圖2-15測試TTL與非門電壓傳輸特性曲線由圖2-15b可知，TTL門電路的電壓傳輸特性曲線通過B、D兩點(diǎn)分為四大段：1)AB段(高電平區(qū))：當(dāng)輸入電壓Ui1.5V時，輸出電壓Uo基本保持低電平0.3V不變。從以上分析可知，門電路大部分時間應(yīng)工作于穩(wěn)定的AB段或DE段，只有在輸入電平改變引起輸出高低電平切換時才經(jīng)過BC段和CD段，并完成過渡轉(zhuǎn)換，這為檢測門電路的工作狀態(tài)提供了理論依據(jù)。2.5.2主要參數(shù)在得到門電路的電壓傳輸特性曲線后，就可以以此為依據(jù)定義門電路的主要參數(shù)。門電路的主要參數(shù)為我們測量、判定門電路的工作狀態(tài)以及選用和評判門電路提供了有力的依據(jù)。我們可以通過查閱數(shù)字集成電路手冊得到各門電路的主要參數(shù)。(1)輸出高電平VOHTTL門電路輸出高電平VOH典型值為3.6V，一般認(rèn)為高于3V即可，甚至有的手冊規(guī)定VOH2.4V就算合格。而對于CMOS數(shù)字集成電路，其典型值VOHVDD。(2)輸出低電平VOLTTL門電路