電工電子技術邏輯門電路

關于電工電子技術邏輯門電路第12章

邏輯門電路1.數(shù)制、數(shù)制轉換、編碼。2.邏輯代數(shù)的運算法則、邏輯函數(shù)化簡。3.基本門電路。4.集成門電路。知識點：要求掌握：1.數(shù)制的概念及數(shù)制間轉換方法。2.邏輯代數(shù)運算法則和邏輯函數(shù)的化簡。3.基本門電路的邏輯功能和特性。了解：集成門電路邏輯功能和特性。第2頁,共38頁，2024年2月25日，星期天建立信息化社會，“數(shù)字”一詞越來越多的出現(xiàn)在人們的生活中，數(shù)字電表、數(shù)字電視、數(shù)字通信、數(shù)字控制……數(shù)字化已成為當今電子技術的發(fā)展潮流。數(shù)字電路是數(shù)字電子技術的核心，是計算機和數(shù)字通信的硬件基礎。本章首先介紹數(shù)字電路的一些基本概念及數(shù)字電路中常用的數(shù)制與碼制，介紹邏輯代數(shù)的運算法則和邏輯函數(shù)的化簡，然后介紹基本門電路和集成門電路的邏輯功能。第12章

邏輯門電路第3頁,共38頁，2024年2月25日，星期天12.1

數(shù)字信號與數(shù)字電路電子電路中所處理的電子信號可分為兩大類，一類為模擬信號；一類為數(shù)字信號。模擬電信號一般是指模擬物理量的信號形式，模擬信號在時間上和數(shù)值上都是連續(xù)的。處理這類信號時，考慮的是放大倍數(shù)、頻率特性、非線性失真等，著重分析波形的形狀、幅度和頻率如何變化。數(shù)字信號是指時間上和數(shù)值上都是離散的信號，信號表現(xiàn)的形式是一系列由高、低電平組成的脈沖波。對于數(shù)字信號，重要的是要能根據(jù)信號的高、低電平，正確反映電路的輸出/輸入之間關系，至于高、低電平值精確為多少則無關緊要。模擬信號和數(shù)字信號是性質不同的兩種信號，對于處理這兩種信號的電路，分析問題的側重點是不同的。12.1.1

模擬信號與數(shù)字信號第4頁,共38頁，2024年2月25日，星期天12.1

數(shù)字信號與數(shù)字電路在數(shù)字電路中，它的輸出/輸入電壓一般只有兩種取值狀態(tài)：高電平和低電平，這兩種狀態(tài)分別可以邏輯值1和邏輯值0表示。就信號的形狀來說，數(shù)字信號通常是以時間上或空間上這樣的0、1符號序列來表示的。數(shù)字電路輸入與輸出的0、1符號序列間的邏輯關系，就是數(shù)字電路的邏輯功能。因此，數(shù)字電路是實現(xiàn)各種邏輯關系的電路，數(shù)字電路可稱為邏輯電路。數(shù)字電路包括信號的傳送、控制、記憶、計數(shù)、產(chǎn)生、整形等內(nèi)容。數(shù)字電路在結構、分析方法、功能、特點等方面均不同于模擬電路。數(shù)字電路的基本單元是邏輯門電路，分析工具是邏輯代數(shù)，在功能上則著重強調(diào)電路輸入與輸出間的因果關系。數(shù)字電路比較簡單、抗干擾性強、精度高、便于集成，它已廣泛應用于數(shù)字通信、自動控制、數(shù)字測量儀表以及家用電器等各個技術領域。特別是在數(shù)字電路基礎上發(fā)展起來的電子計算機，已進入現(xiàn)代社會的各個領域，不僅在高科技研究領域，而且在生產(chǎn)、管理、教育及服務行業(yè)，甚至家庭中都得到了廣泛應用，它標志著電子技術的發(fā)展進入了一個新的階段。另外，數(shù)字式移動電話、數(shù)字式高清晰度電視以及數(shù)碼照相機等也都是數(shù)字電路發(fā)展的產(chǎn)物。12.1.2

數(shù)字電路的特點與應用第5頁,共38頁，2024年2月25日，星期天12.1

數(shù)字信號與數(shù)字電路數(shù)字信號通常用矩形脈沖波形來表示。理想的矩形脈沖波形如圖12.1所示。非理想的矩形脈沖波形是一種最常見的脈沖信號，如圖12.2所示。12.1.3

數(shù)字信號的波形圖12.1理想的矩形脈沖波形圖12.2非理想的矩形脈沖波形第6頁,共38頁，2024年2月25日，星期天12.1

數(shù)字信號與數(shù)字電路從圖12.2可看出，非理想的矩形脈沖波形的主要參數(shù)有以下幾種。1）脈沖幅度Um：脈沖電壓的最大變化幅度。

2）脈沖寬度tw：脈沖波形前后沿0.5Um處的時間間隔。

3）上升時間tr：脈沖前沿從0.1Um上升到0.9Um所需要的時間。

4）下降時間tf：脈沖后沿從0.9Um下降到0.1Um所需要的時間。

5）脈沖周期T：在周期性連續(xù)脈沖中，兩個相鄰脈沖間的時間間隔。頻率f=1/T則表示單位時間內(nèi)脈沖變化的次數(shù)。

6）占空比D：脈沖寬度tw與脈沖周期T之比值，即D=tw/T。當占空比D=0.5，矩形波為方波。第7頁,共38頁，2024年2月25日，星期天12.2數(shù)制與編碼數(shù)制是計數(shù)進位制的簡稱，常用的有十進制、二進制、八進制、十六進制等。12.2.1

數(shù)制在日常生活中，人們習慣采用十進制，但在數(shù)字系統(tǒng)中都采用二進制數(shù)。二進制數(shù)只有兩個符號0、1，具有兩個狀態(tài)的器件在工程上比較容易實現(xiàn)，例如，開關的通斷、半導體管的導通與截止、脈沖的有無都可表用0、1兩個符號表示。在數(shù)字系統(tǒng)中，需要將十進制數(shù)轉換成二進制數(shù)，以便機器能夠接受。當機器運算結束時，結果仍為二進制數(shù)，為便于閱讀，常將該二進制數(shù)再轉換成十進制數(shù)，這就需要采用各種數(shù)制間的轉換及不同的編碼方式，以便于實現(xiàn)信息的傳輸。1.十進制十進制數(shù)是最常用的計數(shù)體制，十進制數(shù)的特征如下所述。第8頁,共38頁，2024年2月25日，星期天12.2數(shù)制與編碼

1)基數(shù)是10。十進制數(shù)采用10個基本數(shù)碼：0，1，2，3，4，5，6，7，8，9。任何數(shù)值都可以用上述10個數(shù)碼按一定規(guī)律排列起來來表示。

2)計數(shù)規(guī)律是“逢十進一”，即9+1=10。0～9這10個數(shù)可以用一位基本數(shù)碼表示，10以上的數(shù)則要用兩位以上的數(shù)碼表示。例如，11這個數(shù)，右邊的“1”為個位數(shù)，左邊的“1”，為十位數(shù)，也就是11：1×101+1×100。2.二進制二進制的特征如下所述。

1）基數(shù)是2，用0，1這2個數(shù)碼表示。

2）計數(shù)規(guī)則為從低位向高位“逢二進一”。二進制的計數(shù)基數(shù)為2，各位數(shù)的權是2的冪。例如，101這個三位二進制數(shù)，可以用數(shù)學式表示為(101)2=1×22+0×21+1×20=4+0+1=5第9頁,共38頁，2024年2月25日，星期天12.2數(shù)制與編碼3.八進制和十六進制雖然二進制數(shù)運算規(guī)則簡單，便于電路實現(xiàn)，是數(shù)字系統(tǒng)中廣泛采用的一種數(shù)制。但用二進制表示一個數(shù)時，所用的位數(shù)比用十進制數(shù)表示的位數(shù)多，人們讀寫很不方便，容易出錯。因此，常采用八進制或十六進制。八進制數(shù)的基數(shù)是8，用0，1，2，3，4，5，6，7這8個數(shù)碼表示。計數(shù)規(guī)則是從低位向高位“逢八進一”，相鄰兩位高位的權值是低位權值的8倍。由于八進制的數(shù)碼和十進制前8個數(shù)碼相同，所以為了便于區(qū)分，通常在數(shù)字的右下角標注8或0。例如，數(shù)(307)8就表示一個二位八進制數(shù)?？梢杂脭?shù)學式表示：(307)8=3×82+0×81+7×80(307)8=3×64+0×8+7×1=192+0+7=(199)10

第10頁,共38頁，2024年2月25日，星期天12.2數(shù)制與編碼第11頁,共38頁，2024年2月25日，星期天12.2數(shù)制與編碼12.2.2

數(shù)制轉換1.二進制、八進制、十六進制數(shù)轉換為十進制數(shù)只需要將二進制、八進制、十六進制數(shù)按各位權展開，然后把各項數(shù)值按十進制相加，就得到對應的十進制數(shù)，如前面所述。2.十進制數(shù)轉換為二進制數(shù)方法2

一般采用除二取余法。方法是將十進制正整數(shù)逐次用2去除，并依次記下余數(shù)，一直除到商為0為止，然后將全部余數(shù)從后向前排列，即為轉換后的二進制數(shù)。第12頁,共38頁，2024年2月25日，星期天12.2數(shù)制與編碼3.二進制數(shù)與八進制、十六進制數(shù)間的轉換因為8和16都是2的整次冪，所以二進制正整數(shù)與八進制和十六進制正整數(shù)間的相互轉換比較容易，而且有規(guī)律可循。

(1)二進制數(shù)與八進制數(shù)之間相互轉換因為3位二進制數(shù)正好表示0～7這8個數(shù)字，所以一個二進制正整數(shù)要轉換成八進制數(shù)時，可以從最低位開始，每3位分成一組，一組一組地轉換成對應的八進制數(shù)字。若最后不足3位時，應在前面加0，補足3位再轉換。例如，二進制數(shù)10110100011，轉換為八進制數(shù)時(10110100011)2=(010，110，100，011)2=(2643)8

相反，如果由八進制正整數(shù)轉換成二進制數(shù)時，只要將每位八進制數(shù)字寫成對應的3位二進制數(shù)即可。例如，八進制數(shù)(365)8轉換為二進制數(shù)。(563)8=(101,110,011)2=(101110011)2第13頁,共38頁，2024年2月25日，星期天12.2數(shù)制與編碼

(2)二進制數(shù)與十六進制數(shù)之間的相互轉換因為四位二進制數(shù)正好可以表示0～F這16個數(shù)字，所以轉換時可以從最低位開始，每4位二進制數(shù)字分為一組，對應進行轉換即可。例如，二進制數(shù)11110100101轉換成十六進制數(shù)。(11110100101)2=(0111，1010，0101)2=(7A5)16

反之，十六進制數(shù)6ED轉換成二進制數(shù)時，只要把每位十六進制數(shù)字寫成對應的4位二進制數(shù)即可。(6ED)16=(0110，1110，1101)2=(11011101101)212.2.3

編碼數(shù)字系統(tǒng)中的信息可以分為兩類，一類是數(shù)值信息；另一類示是文字符號信息。數(shù)值的已如前述。為了表示文字符號信息，往往也采用一定位數(shù)的二進制數(shù)碼來表示，這個特定的二進制碼稱為代碼。建立這種代碼與文字符號或特定對象之間的一一對應的關系稱為編碼。這就像運動會上給所有運動員編上不同的號碼一樣。用4位二進制數(shù)來分別表示十進制數(shù)中的0～9這10個數(shù)碼，此方法稱稱二-十進制代碼，或BCD碼(binarycodeddecimal)。第14頁,共38頁，2024年2月25日，星期天12.3邏輯代數(shù)邏輯代數(shù)是分析和設計數(shù)學邏輯電路的數(shù)學工具?？捎?和0分別表示事情的是和非、有和無或者電平的高和低，電燈的亮和暗等。這種僅有兩種對立邏輯狀態(tài)的邏輯關系稱為二值邏輯。這里的1和0沒有任何數(shù)量概念，僅為被定義的兩種不同的邏輯狀態(tài)，與數(shù)制中的二進制數(shù)的0和1是不同的，應區(qū)分開來。12.3.1

邏輯代數(shù)的運算

邏輯代數(shù)中用字母A，B，C，D，…，來表示變量，這種變量稱邏輯變量。在二值邏輯中，每個邏輯變量的取值只有0和1兩種可能。它們可以按照某種指定的邏輯關系(因果關系)進行所謂的邏輯運算。1.基本邏輯運算

（1）邏輯與圖12.3所示為3種指示燈的控制電路，可用來作為說明與、或、非定義的電路?？梢园验_關閉合作為條件(導致事物結果的原因)，把燈亮作為結果。第15頁,共38頁，2024年2月25日，星期天12.3邏輯代數(shù)

（2）邏輯或圖12.3(b)所示電路代表的因果關系為：在決定事物結果的條件中，只要有任何一個滿足，結果就會發(fā)生。這種因果關系叫做邏輯或，也叫做邏輯相加。

（3）邏輯非圖12.3(c)所示電路表明：開關A打開，燈Y亮；開關A閉合，燈Y滅，與正常開燈、關燈的控制相反。這種因果關系叫做邏輯非。圖12.3說明與、或、非定義的電路第16頁,共38頁，2024年2月25日，星期天12.3邏輯代數(shù)2.幾種常用的復合邏輯運算

在數(shù)字電路中，常直接使用一些含兩種以上的復合邏輯運算。能實現(xiàn)復合邏輯運算的邏輯函數(shù)稱為復合邏輯函數(shù)。（1）與非邏輯

（2）或非邏輯（3）異或邏輯

（4）異或非邏輯表12.5

與非邏輯真值表

ABY001011101110

表12.6

或非邏輯真值表

ABY001010100110表12.7

異或邏輯真值表

ABY000011101110

表12.8

異或非邏輯真值表

ABY001010100111第17頁,共38頁，2024年2月25日，星期天12.3邏輯代數(shù)3.邏輯代數(shù)的基本定律

邏輯代數(shù)可以進行運算，邏輯代數(shù)也可以運用基本定律來運算。表12.9列出了邏輯代數(shù)基本定律。第18頁,共38頁，2024年2月25日，星期天12.3邏輯代數(shù)4.常用公式

利用邏輯代數(shù)基本定律和3個規(guī)則基本，可以得到更多的公式，下面介紹一些常用公式。第19頁,共38頁，2024年2月25日，星期天12.3邏輯代數(shù)12.3.2

邏輯函數(shù)的表示方法1.邏輯函數(shù)

對于邏輯表達式如：F=AB+AC，A、B、C為輸入變量，F(xiàn)為輸出變量。那么，F(xiàn)是邏輯變量A、B、C的邏輯函數(shù)，有F=f(A,B,C)2.邏輯函數(shù)的表示方法任意一個邏輯函數(shù)，都可用邏輯表達式、真值表、邏輯圖、波形圖等方法進行描述。

(1)邏輯表達式

(2)邏輯真值表(3)邏輯圖第20頁,共38頁，2024年2月25日，星期天12.3邏輯代數(shù)12.3.3

邏輯函數(shù)的化簡1.最簡的概念化簡邏輯函數(shù)的意義：邏輯函數(shù)表達式越簡單，所對應的邏輯圖和實際電路就越簡單，就更加經(jīng)濟、可靠。（1）最簡的與或表達式最簡的與或表達式表現(xiàn)為：表達式中的與項最少，而且每個與項中的變量數(shù)最少。（2）最簡的或與表達式最簡的或與表達式表現(xiàn)為：表達式中的或項最少，而且每個或項中的變量數(shù)最少。2.邏輯函數(shù)表達式的化簡（1）并項法（2）吸收法（3）消去因子法（4）消項法第21頁,共38頁，2024年2月25日，星期天12.4基本邏輯門電路12.4.1

二極管門電路1.二極管與門電路在集成技術迅速發(fā)展和廣泛運用的今天，不管功能多么強、結構多么復雜的集成門電路，都是以分立元器件為基礎，經(jīng)過改造演變過來的，了解分立元器件門電路的工作原理，有助于學習和掌握集成門電路。分立元器件門電路包括二極管門電路和晶體管電路兩類。二極管與門電路如圖12.6(a)所示。由圖可知，在輸入A，B中只要有一個（或一個以上）為低電平，則與輸入端相連的二極管必然因獲得正偏電壓而導通，使輸出F為低電平。只有所有輸入（A，B，…）同時為高電平，輸出F才是高電平?？梢?，輸入對輸出呈現(xiàn)與的邏輯關系，即F=A·B，其邏輯符號如圖12.6(b)所示。圖12.6二極管與門電路第22頁,共38頁，2024年2月25日，星期天12.4基本邏輯門電路2.二極管或門電路二極管或門電路如圖12.7(a)所示，只要輸入A，B中有一個為高電平，相應的二極管就會導通，輸出F就是高電平；只有輸入A，B同時為低電平，F(xiàn)才是低電平。顯然F和A，B間呈現(xiàn)或邏輯關系，邏輯式為F=A+B。圖形符號如圖12.7(b)所示。圖12.7二極管或門電路第23頁,共38頁，2024年2月25日，星期天12.4基本邏輯門電路12.4.2

晶體管門電路1.晶體管非門電路對如圖12.8(a)所示的晶體管開關電路分析可知，當輸入為高電平時，輸出為低電平時；當輸入為低電平時，輸出為高電平，所以輸出與輸入之間呈現(xiàn)非邏輯關系，是一個非門，也稱為反相器。在實際電路中，只要電阻R1、R2和負電源電壓VSS參數(shù)配合適當，則當輸入為低電平信號時，晶體管將可靠截止，使輸出為高電平。邏輯表達式為F=A，實現(xiàn)非運算。非門的邏輯符號如圖12.8(b)所示。圖12.8晶體管非門電路第24頁,共38頁，2024年2月25日，星期天12.4基本邏輯門電路2.與非門電路將二極管與門和反相器連接起來，就可以構成如圖12.9(a)所示的與非門。從前面對與門和非門的分析，不難得出。其邏輯式為F=AB，邏輯符號如圖12.9(b)所示。圖12.9與非門電路第25頁,共38頁，2024年2月25日，星期天12.4基本邏輯門電路3.或非門電路將二極管或門和反相器連接起來，就構成了如圖12.10(a)所示的或非門。其邏輯式為F=A+B，邏輯符號如圖12.10(b)所示。圖12.10或非門電路第26頁,共38頁，2024年2月25日，星期天12.5集成門電路

TTL(transistortransistorlogic，晶體管-晶體管-邏輯,)集成門電路和CMOS，即N溝道MOS與P溝道MOS構成互補（complementary)集成門電路是雙極型和單極型集成門電路的代表。12.5.1

TTL集成門電路1.TTL集成電路主要系列簡介

按照國際通用標準劃分，依工作溫度不同，TTL集成電路分為TTL54、系列(-55～125℃)和TTL74系列(-70～0℃)。每一系列按工作速度、功耗的不同，又分為標準系列、H系列、S系列、LS系列和ALS等系列。國產(chǎn)TTL電路共有5個系列，其中，有4個系列是作為主要的產(chǎn)品系列，即T1000、T2000、T3000、T4000系列。T1000系列相當于國際SN54／74通用系列(即標準系列)；T2000系列相當于國際SN54H／74H高速系列；T3000系列相當于國際SN54S／74S肖特基系列；T4000系列相當于國際SN54LS／74LS低功耗肖特基系列。這4個主要系列的重要差別反映在平均傳輸延遲時間和平均功耗這兩個參數(shù)上，其他電參數(shù)和引線管腳基本相同。第27頁,共38頁，2024年2月25日，星期天12.5集成門電路

（1）74-系列（簡稱N-TTL）

（2）74LS-系列(簡稱LS，LS-TTL等)

（3）74S-系列(簡稱S，S-TTL等)（4）74ALS-系列(簡稱ALS，ALS-TTL等)

（5）74AS-系列(簡稱AS，AS-TTL等)

（6）74F-系別(簡稱F，F(xiàn)-TTL或FAST等)2.TTL與非門

在TTL集成電路中，與非門是個基礎，其他門電路與其大同小異。雖然其他集成門電路的種類很多，但都是由與非門稍加改動得到的，或者由與非門的若干部分組合面成，而有的就是與非門的一部分。因此，下面重點介紹與非門。（1）TTL與非門以74LS00（7400）為例，74LS00的引線管腳與邏輯符號如圖12.11所示。第28頁,共38頁，2024年2月25日，星期天12.5集成門電路圖12.1174LS00與非門第29頁,共38頁，2024年2月25日，星期天12.5集成門電路

（2）TTL與非門的電壓傳輸特性門電路的基本特性是輸入-輸出特性，用電壓傳輸特性來表示。圖12.12為TTL與非門（和非門）的電壓傳輸特性曲線圖。圖12.12TTL與非門的電壓傳輸特性曲線第30頁,共38頁，2024年2月25日，星期天12.5集成門電路

（3）輸出延遲由于電荷積累以及分布電容的存在，與非門在信號傳輸過程中，會產(chǎn)生一定的時間延遲，如圖12.13所示。圖12.13延遲時間第31頁,共38頁，2024年2月25日，星期天12.5集成門電路3.其他功能的TTL門電路

常用其他功能的門電路主要有：非門（反相器）、與門、或非門、或門、異或門、同或門、與或非門。與或門的邏輯符號如圖12.14所示。圖12.14與或非門第32頁,共38頁，2024年2月25日，星期天12.5集成門電路12.5.2

CMOS集成門電路1.CMOS集成電路主要系列簡介

（1）4000B系列

（2）40H-系列

（3）74HC-系列(簡稱為HS或H-CMOS等)2.CMOS門電路的電壓傳輸特性（1）CMOS非門的工作原理簡介

CMOS器件是由NMOS和PMOS構成互補型電路，以CMOS非門（反相器）為例進行介紹。CMOS非門的工作原理如圖12.16所示。圖12.16CMOS非門的工作原理第33頁,共38頁，2024年2月25日，星期天12.5集成門電路（2）74HC-系列CMOS非門的輸入/輸出特性以74HC-系列CMOS非門為例，輸入/輸出特性如圖12.17所示。從圖12.17輸入/輸出特性分析，可見過渡非常窄小，特性接近理想開關。應當注意，與TTL門電路不同，閾值電壓UTC（UTH）隨電源UDD變化,UTC