第3章組合邏輯電路

第3章組合邏輯電路3.1“教、學(xué)、做”項(xiàng)目7：基于CC4028的“樓梯照明燈控制器”設(shè)計(jì)3.2組合邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)方法3.3

算術(shù)運(yùn)算電路3.4信號(hào)變換電路3.5

數(shù)值比較器※3.6

組合邏電路的競(jìng)爭(zhēng)與冒險(xiǎn)3.7

組合邏電路的設(shè)計(jì)※3.8“教、學(xué)、做”項(xiàng)目8：基于LM3914/5的蔬菜大棚“低成本溫度計(jì)”設(shè)計(jì)※3.9“教、學(xué)、做”項(xiàng)目9：基于CC4040的“霓虹燈控制器”設(shè)計(jì)※3.10“教、學(xué)、做”項(xiàng)目10：觸摸式“數(shù)字密碼鎖”的設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.

掌握CMOS組合邏輯電路的特點(diǎn)、基本的分析方法與設(shè)計(jì)方法2.

掌握半加器、全加器、常用算術(shù)/邏輯運(yùn)算單元等算術(shù)運(yùn)算集成電路的功能表、封裝圖及使用方法；3.

掌握典型的CMOS編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、數(shù)據(jù)分配器等信號(hào)變換集成電路的的功能表、封裝圖及使用方法；4.

了解數(shù)值比較器集成電路的功能表和擴(kuò)展方法；※3.1“教、學(xué)、做”項(xiàng)目7：基于CC4028的“樓梯照明燈控制器”設(shè)計(jì)BCD—七進(jìn)制譯碼器CC4028的真值表如表3.10所列。“樓梯照明燈控制器”如圖3.1所示。該電路用于樓梯照明燈的自動(dòng)控制，既能提供上、下樓道的照明，又避免了電能的浪費(fèi)。在圖3.1中，4線∕10線譯碼器CC4028、四2輸入或門(mén)CC4071、晶體管VT及繼電器KR等構(gòu)成樓梯照明燈控制器。

圖3.1樓梯照明燈控制器Q2電路工作時(shí)，行人按一下裝在一樓的按鈕開(kāi)關(guān)SB1(可延時(shí)Δt斷開(kāi))時(shí)，CC4071的門(mén)Ⅰ的輸入端⑵腳由原來(lái)的低電平“0”變?yōu)楦唠娖健?”，從而使得CC4028的輸入端A變?yōu)楦唠娖健?”，于是輸出端⒁腳Q1端變?yōu)楦唠娖健?”。Q1端的高電平“1”一方面使晶體管VT1飽和導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)繼電器KR1吸合，通過(guò)觸點(diǎn)接通一樓的照明燈，另一方面回送到CC4071門(mén)Ⅰ的輸入端①腳，使得CC4028的輸出端Q1自鎖在高電平“1”狀態(tài)上，SB1雖然此時(shí)斷開(kāi)，但由于“自鎖”電路維持一樓的電燈仍然點(diǎn)亮，直到行人上二樓，再按一下裝在二樓的按鈕開(kāi)關(guān)SB2時(shí)為止。當(dāng)行人在二樓按下按鈕開(kāi)關(guān)SB2的瞬間，CC4028的輸入端A和B均為高電平“1”，即輸入信號(hào)為0011，相應(yīng)的輸出端Q3為高電平“1”，包括Q1在內(nèi)的其他輸出端均為低電平“0”。此時(shí)VT1管截止，繼電器KR1釋放，一樓電燈熄滅。此時(shí)，只有輸入端B仍為高電平“1”，于是Q2輸出高電平“1”，它一方面使繼電器KR2吸合，接通二樓的照明燈，另一方面又實(shí)現(xiàn)了Q2端“自鎖”在高電平“1”狀態(tài)。同理，SB3和SB4的相繼按下，也將以同樣的過(guò)程來(lái)點(diǎn)亮本層樓的照明燈。按鈕SB1′～SB4′分別裝在各層樓的關(guān)燈按鈕(可延時(shí)斷開(kāi))，在不按動(dòng)它們時(shí)，由于隔離二極管VD1～VD4的作用，D、C、B、A的高電平或低電平狀態(tài)均不受其影響。3.2組合邏輯電路的分析方法與設(shè)計(jì)方法若電路任何時(shí)刻的輸出狀態(tài)，僅取決于該時(shí)刻的輸入信號(hào)，而與輸入信號(hào)作用前電路所處的狀態(tài)無(wú)關(guān)，則稱其為“組合邏輯電路”。其電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：電路僅僅由門(mén)電路組成，電路中無(wú)記憶元件，輸出端與輸入端之間無(wú)反饋?？驁D如圖3.2所示。3.2.1組合邏輯電路的分析1、由給定的組合邏輯電路寫(xiě)出輸出邏輯函數(shù)表達(dá)式。一般從輸入端開(kāi)始，逐級(jí)寫(xiě)出各個(gè)門(mén)的輸出邏輯函數(shù)表達(dá)式，從而寫(xiě)出整個(gè)電路的輸出邏輯函數(shù)表達(dá)式。2、利用卡諾圖或邏輯公式對(duì)表達(dá)式進(jìn)行化簡(jiǎn)和變換，求出最簡(jiǎn)輸出邏輯函數(shù)表達(dá)式。3、由輸出邏輯函數(shù)表達(dá)式列出真值表。4、分析真值表的特點(diǎn)，說(shuō)明電路的邏輯功能。例3.1組合電路如圖3.3所示，分析該電路的邏輯功能。例3.2組合電路如圖3.4所示，分析該電路的邏輯功能。2、不必化簡(jiǎn)，可以直接由輸出邏輯函數(shù)表達(dá)式得到如表3.2所列真值表。3、分析真值表的特點(diǎn)，說(shuō)明電路的邏輯功能。從表3.2知，DCBA為8421BCD代碼，Y3Y2Y1Y0為循環(huán)碼，所以，圖3.3是一個(gè)將8421BCD代碼轉(zhuǎn)換為循環(huán)碼的電路。3.2.2組合邏輯電路的設(shè)計(jì)方法1、根據(jù)設(shè)計(jì)要求列出真值表。首先確定輸入變量和輸出函數(shù)，然后進(jìn)行狀態(tài)賦值，寫(xiě)出所有輸入變量取值組合對(duì)應(yīng)的輸出函數(shù)值，列出真值表。2、由真值表寫(xiě)出輸出邏輯函數(shù)表達(dá)式。3、進(jìn)行化簡(jiǎn)，求出邏輯函數(shù)表達(dá)式的最簡(jiǎn)與或表達(dá)式。3、根據(jù)提供器件等條件變換輸出函數(shù)表達(dá)式。4、根據(jù)輸出函數(shù)表達(dá)式畫(huà)出邏輯圖。例3.4

設(shè)計(jì)一個(gè)用來(lái)判別一位十進(jìn)制數(shù)的8421BCD碼是否大于5的電路。如果輸入值大于或等于5時(shí)，電路輸出1；當(dāng)輸入小于5時(shí)，電路輸出為0。注意：一位十進(jìn)制數(shù)在數(shù)字電路中用四位二進(jìn)制數(shù)表示。十進(jìn)制數(shù)X與四位二進(jìn)制數(shù)ABCD的關(guān)系是X=8A+4B+2C+D。解：第一步：根據(jù)題意列出真值表，如表3.4所列。由于8421BCD碼每一位數(shù)是由四位二進(jìn)制數(shù)組成，且其有效編碼為0000～1001，而1010～1111是不可能出現(xiàn)的，故在真值表中當(dāng)作任意項(xiàng)d來(lái)處理。3.2.3、組合邏輯電路設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題1.輸入端的限制問(wèn)題（扇入問(wèn)題）。

①.多余輸入端的處理(如圖2.42，圖2.43所示的處理方法)。

②.電路提供的輸入端少于實(shí)際需要的輸入端。當(dāng)集成電路的輸入端少于實(shí)際電路需要的輸入端數(shù)時(shí)，比輸入有多余端的處理措施復(fù)雜得多，通常采用分組的方法進(jìn)行解決。2.扇出問(wèn)題。

在我們?cè)O(shè)計(jì)電路時(shí)，最終的電路可能存在一個(gè)門(mén)電路的輸出帶的負(fù)載非常多，可能超過(guò)器件的帶負(fù)載能力，由于負(fù)載一般為同系列的門(mén)電路，故這問(wèn)題通常叫做扇出問(wèn)題。解決這種問(wèn)題通過(guò)可通過(guò)兩種方法來(lái)解決：一種是采用扇出系數(shù)大的邏輯“門(mén)”作為輸出（通過(guò)器件手冊(cè)中稱為帶緩沖的門(mén)），這種門(mén)的扇出可達(dá)20個(gè)，是可以滿足要求的。另一種方法可采用分組的方法增加驅(qū)動(dòng)能力。3.3算術(shù)運(yùn)算電路半加器是只考慮兩個(gè)加數(shù)本身相加，而不考慮來(lái)自相鄰低位的進(jìn)位Ci-1的邏輯電路。設(shè)計(jì)一位二進(jìn)制半加器，輸入變量有兩個(gè)，分別為加數(shù)A和被加數(shù)B；輸出也有兩個(gè)，分別為和數(shù)S和進(jìn)位C，真值表如表3.5所列。3.3.2全加器電路全加器是完成兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)Ai和Bi及相鄰低位的進(jìn)位Ci-1相加的邏輯電路。設(shè)計(jì)一個(gè)全加器，其中，Ai和Bi分別是被加數(shù)和加數(shù)，Ci-1為相鄰低位的進(jìn)位，Si為本位的和，Ci為本位的進(jìn)位。全加器的真值表如表3.6所列。3.4信號(hào)變換電路表3.8

10進(jìn)制轉(zhuǎn)換為BCD編碼器真值表

圖3.11

10進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成8421BCD編碼器。

10進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成8421BCD編碼的邏輯電路圖如圖3.11所示

2．優(yōu)先編碼器。表3.9CC40147的真值表3.4.2譯碼器表3.10

4線-10線CC4028/74HC154的真值表（a）邏輯電路圖（b）引腳圖圖3.13

8421BCD碼－十進(jìn)制碼譯碼器CC402840284線－10線譯碼器2.集成4線―10線譯碼器（a）引腳圖（b）邏輯功能示意圖圖3.14集成4線―10線譯碼器74HC42的引腳圖

CC74HC42CC74HC423.8421BCD碼轉(zhuǎn)換成10進(jìn)制數(shù)的譯碼/鎖存/驅(qū)動(dòng)器在各種數(shù)字設(shè)備中，經(jīng)常需要將數(shù)字、文字和符號(hào)直觀地顯示出來(lái)，供人們直接讀取結(jié)果，或用以監(jiān)視數(shù)字系統(tǒng)的工作情況。因此，顯示電路是許多數(shù)字設(shè)備中必不可少的部分。8421BCD碼轉(zhuǎn)換成七段10進(jìn)制數(shù)碼顯示的譯碼器用來(lái)驅(qū)動(dòng)各種顯示器件，從而將二進(jìn)制代碼表示的數(shù)字、文字、符號(hào)翻譯成人們習(xí)慣的形式直觀地顯示出來(lái)的電路，稱為顯示譯碼器。②8421BCD碼轉(zhuǎn)換七段10進(jìn)制顯示的譯碼器圖3.157段LED顯示器的引腳圖及其不同連接方式表3.11

7段顯示譯碼器CC4511的真值表（a）邏輯電路圖（b）引腳圖圖3.178421BCD碼7段顯示譯碼器CC4511

鎖存/7段譯碼/驅(qū)動(dòng)器3.4.3數(shù)據(jù)選擇器數(shù)據(jù)選擇器按要求從多路輸入信號(hào)中選擇一路信號(hào)輸出，根據(jù)輸入端的個(gè)數(shù)可分為四選一(如CC4539)，八選一(如CC74HC151)等。其功能相當(dāng)于如圖3.18所示的單刀多擲開(kāi)關(guān)，“多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)”因此而得名。雙四選一選擇器CC4539的邏輯圖和符號(hào)圖分別如圖3.19(a)、(b)所示。其中，A1、A0為控制數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳送的地址輸入信號(hào)，D0~D3供電路選擇的并行輸入信號(hào)，為選通端或使能端，低電平有效。當(dāng)＝1時(shí)，選擇器不工作，禁止數(shù)據(jù)輸入。，選擇器正常工作允許數(shù)據(jù)選通。（a)邏輯圖(b)符號(hào)圖

圖3.19雙四選一數(shù)據(jù)選擇器CC4539

(a)符號(hào)圖（b）引腳圖圖3.2074HC151數(shù)據(jù)選擇器74HC15174HC15174HC1513.數(shù)據(jù)選擇器的擴(kuò)展例3.5

兩片CC74HC151擴(kuò)展成一片十六選一的數(shù)據(jù)選擇器。解：十六選一的數(shù)據(jù)選擇器的地址輸入端有四位，最高位A3的輸入可以由兩片八選一數(shù)據(jù)選擇器的使能端接非門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)，低三位地址輸入端由兩片74HC151的地址輸入端并連而成，連接圖如圖3.21所示。當(dāng)使能端E＝A3＝0時(shí)，由表3.9知，74HC151的低位片工作，根據(jù)地址控制信號(hào)A3A2A1A0選擇數(shù)據(jù)D0~D7輸出；只有當(dāng)E＝A3＝1時(shí)，高位片工作，選擇D8~D15進(jìn)行輸出。圖3.21由兩片CC74HC151構(gòu)成的十六選一的數(shù)據(jù)選擇器表3.13

CC74HC151的功能表4.數(shù)據(jù)選擇器的應(yīng)用例3.6

試用八選一數(shù)據(jù)選擇器CC74HC151產(chǎn)生邏輯函數(shù)若將式中A2、A1、A0用A、B、C來(lái)代替，且取D0＝D1＝D3＝D6＝1，D2＝D4＝D5＝D7＝0，則可得到實(shí)現(xiàn)該指定邏輯函數(shù)的邏輯圖，如圖3.22所示。圖3.22例3.6的邏輯圖；圖3.23例3.7的邏輯圖

例3.7

用數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn)三變量多數(shù)表決器。3.4.4數(shù)據(jù)分配器如圖3.24所示，數(shù)據(jù)分配器為1路對(duì)多對(duì)模擬開(kāi)關(guān)，是數(shù)據(jù)選擇器的逆過(guò)程，為一路輸入變?yōu)槎嗦份敵龅碾娐?。根?jù)輸出端的個(gè)數(shù)不同，數(shù)據(jù)分配器可分為1路對(duì)4路模擬開(kāi)關(guān)，1路對(duì)8路模擬開(kāi)關(guān)等不同類型。

圖3.24數(shù)據(jù)分配器表3.14

1對(duì)8路模擬開(kāi)關(guān)CC4051的功能表圖3.25CC74HC4352的引腳圖圖3.26CC4051的引腳圖3.5數(shù)值比較器數(shù)值比較器就是判斷兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)A、B誰(shuí)大誰(shuí)小的邏輯電路。比較結(jié)果有A＞B、A＜B、A＝B三種情況。1位數(shù)值比較器是多位數(shù)比較器的基礎(chǔ)。兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行比較，輸入信號(hào)是兩個(gè)要進(jìn)行比較的1位二進(jìn)制數(shù)，用A、B表示。輸出是比較的結(jié)果，有3種情況：A＞B、A＜B、A＝B，則分別用L1、L2、L3表示。設(shè)A＞B時(shí)L1＝1；A＜B時(shí)L2＝1；A＝B時(shí)L3＝1。

圖3.271位數(shù)值比較器的邏輯圖2.數(shù)值比較器的擴(kuò)展圖3.29

數(shù)值比較器的位數(shù)擴(kuò)展3.7組合邏輯電路的設(shè)計(jì)例3.11.

試用8選1芯片CC74HC151在走廊3處不同位置上的開(kāi)關(guān)控制同一盞燈的邏輯電路，要求改變?nèi)魏我粋€(gè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)都能改變燈的原有狀態(tài)，既方便通行照明，又節(jié)約電能。解：(1)設(shè)3個(gè)輸入邏輯變量C、B和A代表安裝在走廊3處不同位置上的3個(gè)開(kāi)關(guān)，邏輯輸出L代表燈的狀態(tài)，L=1表示燈亮。圖3.34

應(yīng)用1的邏輯電路圖3.8“教、學(xué)、做”項(xiàng)目8：基于LM3914/5的蔬菜大棚“低成本溫度計(jì)”設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)要求1、光柱顯示大棚內(nèi)實(shí)測(cè)溫度，測(cè)量溫度范圍0o～35℃，分辨10級(jí)信號(hào)顯示。2、設(shè)定超35℃紅燈報(bào)警，低于0℃綠燈報(bào)警。設(shè)定溫度報(bào)警和超低溫報(bào)警伴隨聲音報(bào)警。3、檢測(cè)準(zhǔn)確度優(yōu)于5%。4、成本低于20元。1、設(shè)計(jì)電路框圖

圖3.36

蔬菜大棚低成本溫度計(jì)原理框圖圖3.37

蔬菜大棚低成本溫度計(jì)電路原理圖3、溫度/電壓轉(zhuǎn)換電路4、小信號(hào)放大電路圖3.37中的A1(LM358)，其中一半A1-1為電壓跟隨器，用于阻抗變換；另一半A1-2為反相比例放大器，其AV=―11.0℃時(shí)調(diào)整其輸出電壓為21.5V，在50℃時(shí)其輸出電壓為4.97V，在測(cè)量時(shí)使用同一直流電壓20V。5、條形圖驅(qū)動(dòng)器LM3914/3915及其分段比較原理從圖3.38知，在LM3914/5內(nèi)部用10個(gè)1KΩ的電阻將對(duì)應(yīng)于0℃～50℃時(shí)A1-2的輸出電壓2145～4972mV平均分為10等分，分別接電壓比較器的同相輸入端與第⑤腳輸入的溫度檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行比較，可以得到11種結(jié)果。小于或等于2145mV(對(duì)應(yīng)于0℃)、(2145+283)mV。10個(gè)LED指示燈D1～D10依次為D1不亮、D2亮、D3亮，形成光柱。為了更醒目起見(jiàn)，低于15℃的D3～D1用綠燈顯示。高于35℃的D10～D8用紅燈顯示。35℃～15℃溫度段的D7～D4用黃燈顯示。6、上、下限溫度超限報(bào)警設(shè)置用雙列金手指JP1、JP2接在LM3714/5的輸出端Q1～Q10。假如上限溫度設(shè)定為45℃，則Q9端輸出的低電平經(jīng)過(guò)JP2、R9(10KΩ)送到U2(或非門(mén)CC4001)的第①腳，電阻R10接在U2的第②、③腳之間，形成負(fù)反饋，門(mén)U2-1等效為反相器。U2的第②腳電壓約等于UCC/2，位于線性放大的工作點(diǎn)，②腳電平的微小變化經(jīng)過(guò)U2-1、U2-2的兩級(jí)放大，經(jīng)過(guò)電容C2的正反饋到②腳，則引起自激振蕩。振蕩頻率f由R10、C2的值決定。第④腳的電平時(shí)高、時(shí)低控制門(mén)U2-3、U2-4的振蕩，于是產(chǎn)生斷續(xù)的“嘀—嘀”聲。壓電陶瓷喇叭Y1便發(fā)出報(bào)警聲。這時(shí)三極管VT1管的基極電位因Q2端低電平偏置VT1管截止，不影響Q9回路的狀態(tài)。當(dāng)大棚內(nèi)溫度低于5℃時(shí)，只有Q1端輸出低電平D燈亮，Q2～Q10輸出高電平，D2～D10燈都不亮。Q2端輸出的高電平通過(guò)JP1、R7、R8使VT1管基極為高電平，VT1管導(dǎo)通，VT1管的C極輸出低電平，U2的第腳為低電平產(chǎn)生報(bào)警聲振蕩。而在5℃～40℃范圍內(nèi)，VT1管的基極電位因Q2端、JP1低電平而截止。Q9端、JP2高電平，送到U2-1的第①腳高電平→③腳低電平→⑤、⑥腳低電平→④腳低電平→⑿腳低電平→⑾高電平→⑽腳低電平。所以U2所有的腳位都處于固定的電平，不能形成振蕩，Y1不報(bào)警。JP1、JP2與Q1～Q10中的觸點(diǎn)連接，可根據(jù)設(shè)定的上、下限來(lái)設(shè)置，非常方便。

圖3.38LM3914/3915的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖※3.9“教、學(xué)、做”項(xiàng)目9：基于CC4040的“霓虹燈控制器”設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)要求1、控制器能使8路彩燈的流向可以變化，可以正向流水，也可以逆向流水。霓虹燈流動(dòng)的方向可以手控也可以自動(dòng)控制，自動(dòng)控制的往返變換時(shí)間為5秒。2、霓虹燈的流速可以根據(jù)需求設(shè)置。3、霓虹燈可以間歇流動(dòng)，10秒鐘間歇1次，間歇時(shí)間為1秒。二、設(shè)計(jì)電路框圖和參考原理電路圖圖3.39

霓虹燈控制器原理框圖555定時(shí)電路組成一個(gè)多諧振蕩器，發(fā)出連續(xù)脈沖，作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖源。通過(guò)分頻器改變時(shí)鐘的頻率，從而改變霓虹燈的流速；采用加/減計(jì)數(shù)器則可以改變霓虹燈的流向。計(jì)數(shù)器的輸出接譯碼器以實(shí)現(xiàn)流水的效果。

圖3.40

霓虹燈控制器原理電路圖3、脈沖產(chǎn)生電路。流向和間歇控制電路的控制信號(hào)周期應(yīng)該大于多諧振蕩器的基礎(chǔ)時(shí)鐘周期CP?？梢酝ㄟ^(guò)分頻電路得到所需要的控制信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)人眼能分辨的燈光流水效果，必須使時(shí)鐘脈沖的周期大于人眼的視覺(jué)停留時(shí)間，即T≥40ms。4、地址掃描電路U2。它是由12位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器/分頻器CD4040B構(gòu)成。其第⑾腳CLR為清零端，高電平有效，當(dāng)CLR=1時(shí)，Q1～Q12的輸出均為0；當(dāng)CLR=1時(shí)，CD4040開(kāi)始計(jì)數(shù)。第⑽腳接受U1(555)第③腳送來(lái)的時(shí)鐘脈沖。5、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路U3。它是由存儲(chǔ)容量為4KB的8位二進(jìn)制存儲(chǔ)器EPROM2732構(gòu)成。地址掃描電路的輸出端Q1～Q12分別接U3的地址線A0～A11。隨著掃描過(guò)程的進(jìn)行，從U3(EPROM2732)的數(shù)據(jù)線D0～D7上輸出預(yù)先存放在各存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)。若EPROM存儲(chǔ)器中存放的是如表3.19所示的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)刂窉呙璧?000、0000、0001時(shí)，則D0～D7輸出的是存儲(chǔ)單元001H內(nèi)存放的數(shù)據(jù)02H，如表3