學(xué)習(xí)情景5.四人表決器的邏輯電路設(shè)計(jì)與制作

學(xué)習(xí)情景5

四人表決器的邏輯電路設(shè)計(jì)與制作學(xué)習(xí)情景5

四人表決器的邏輯電路設(shè)計(jì)與制作【學(xué)習(xí)目標(biāo)】【技能目標(biāo)】1.會(huì)對(duì)TTL間電路識(shí)別與測(cè)試

2.四人表決器的邏輯電路的設(shè)計(jì)與制作知識(shí)目標(biāo)

1.掌握羅輯門(mén)電路的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、分析方法

2.了解常用集成門(mén)電路的產(chǎn)品

3.掌握羅輯代數(shù)的基本知識(shí)

4.掌握羅輯代數(shù)的化簡(jiǎn)方法

5.組合羅輯電路的一般設(shè)計(jì)方法任務(wù)5.1邏輯門(mén)電路的基本知識(shí)

【任務(wù)描述】

邏輯門(mén)電路是數(shù)字電路的基本部件，集成門(mén)電路是數(shù)字集成電路的一部分，掌握集成門(mén)電路產(chǎn)品的識(shí)別與測(cè)試是電子工程技術(shù)人員的基本技能。

【任務(wù)分析】1.會(huì)TTL門(mén)電路的識(shí)別與測(cè)試

2.會(huì)CMOS門(mén)電路的識(shí)別與測(cè)試【知識(shí)準(zhǔn)備】1．基本門(mén)電路的知識(shí)

1．1或門(mén)電路在決定某件事的條件中，只要任一條件具備，事情就會(huì)發(fā)生，符合這一規(guī)律的邏輯關(guān)系，稱(chēng)為或邏輯關(guān)系。圖5-1-1（a）是實(shí)現(xiàn)或邏輯關(guān)系的開(kāi)關(guān)電路，在電路中只要開(kāi)關(guān)A或B有一個(gè)或一個(gè)以上閉合，燈F就會(huì)亮。這種開(kāi)關(guān)的閉合和燈亮之間的關(guān)系為或邏輯關(guān)系。實(shí)現(xiàn)或邏輯關(guān)系的或門(mén)電路簡(jiǎn)成或門(mén)?；蜷T(mén)的邏輯符號(hào)如圖5-1-1(b)。A、B是輸入端，輸入端的數(shù)量可以不止兩個(gè)，F(xiàn)是輸出端。研究邏輯關(guān)系所關(guān)心的是條件是否滿(mǎn)足及結(jié)果是否發(fā)生,而在門(mén)電路中則是輸入和輸出電平的高與低兩種狀態(tài)，所謂電平，就是表示兩個(gè)電位的高與低。為了便于邏輯分析和邏輯運(yùn)算，規(guī)定高電平為邏輯1，低電平為邏輯O，這種規(guī)定稱(chēng)為正邏輯，反之則稱(chēng)為負(fù)邏輯，本書(shū)一律采用正邏輯?；蜷T(mén)的邏輯功能是：只要輸入中有一個(gè)或一個(gè)以上為1輸出便為表1，表5-1-1是或門(mén)邏輯功能真值表?；蜻壿嫷倪\(yùn)算稱(chēng)為或運(yùn)算又稱(chēng)邏輯加，或門(mén)的邏輯表達(dá)式為F=A+B

根據(jù)上述邏輯關(guān)系可知邏輯加的運(yùn)算規(guī)律為A+O=AA+1=1A+A=A1.2與門(mén)電路當(dāng)決定某事件的全部條件同時(shí)具備時(shí)，事件才會(huì)發(fā)生，符合這一規(guī)律的邏輯關(guān)系，稱(chēng)為或邏輯關(guān)系。圖5-1-2(a)是實(shí)現(xiàn)與邏輯關(guān)系的開(kāi)關(guān)電路，在電路中，只有開(kāi)關(guān)A、B同時(shí)閉合，燈F才會(huì)亮。這里開(kāi)關(guān)的閉合和燈亮之間的關(guān)系稱(chēng)為與邏輯關(guān)系。實(shí)現(xiàn)與邏輯關(guān)系的電子電路，簡(jiǎn)稱(chēng)與門(mén)，與門(mén)的邏輯符號(hào)如圖5-1-2（b），輸入端可以不止兩個(gè)。與門(mén)邏輯功能是：輸入的為1時(shí)，輸出才為1，表5-1-2是與邏輯功能真值表與邏輯功能運(yùn)算，又稱(chēng)邏輯乘，與門(mén)的邏輯表達(dá)式為F=A·B

根據(jù)上述邏輯關(guān)系，可知邏輯乘運(yùn)算規(guī)律為A·0=0A·1=AA·A=A1·3非門(mén)電路決定某事件的條件只有一個(gè)，當(dāng)條件出現(xiàn)時(shí)事件不發(fā)生，而條件不出現(xiàn)時(shí)事件發(fā)生，符合這一規(guī)律的邏輯關(guān)系稱(chēng)為非邏輯關(guān)系。圖5-1-3(a)是實(shí)現(xiàn)非邏輯關(guān)系的開(kāi)關(guān)電路，在電路中，只有在開(kāi)關(guān)A不閉合時(shí)，燈F才會(huì)亮。即結(jié)果的發(fā)生與條件處于相反的狀態(tài)，符合這一規(guī)律的邏輯關(guān)系稱(chēng)為非邏輯關(guān)系。實(shí)現(xiàn)非邏輯關(guān)系的電子電路稱(chēng)為非門(mén)電路，簡(jiǎn)稱(chēng)非門(mén)。非門(mén)的邏輯符號(hào)如圖5-1-3（b）,非門(mén)只有一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。

非門(mén)的邏輯功能是：輸入與輸出的電平相反。表5-1-3是非門(mén)邏輯功能直值表。非邏輯的運(yùn)算稱(chēng)為非運(yùn)算，又稱(chēng)邏輯非，非門(mén)的邏輯表達(dá)式為根據(jù)上述邏輯關(guān)系，可知是邏輯非的運(yùn)算規(guī)律為：2．常用集成門(mén)電路的產(chǎn)品簡(jiǎn)介數(shù)目集成電路按其內(nèi)部有源器件的不同可以分為兩大類(lèi)。一類(lèi)為雙晶型晶體管集成電路，它主要有晶件管一晶體管邏輯（TTL—Transistor—TransistorLogic）、射極耦合邏輯（ECL—Emictor

CouprldLogic）和集成注入邏輯（IntegratedInjectionLogic）等幾種類(lèi)型。別一類(lèi)為MOS（MetaLoxideseniconductor）集成電路，其有源器件采用金屬——氧化物——半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，它又可分為NMOS、PMOS和CMOS等幾種類(lèi)型。2．1TTL集成電路是雙極型中導(dǎo)體集成電路中的一種，這種電路具有生產(chǎn)較早，制造工藝成熟、產(chǎn)量大、品種全、價(jià)格低、速度快的特點(diǎn)，是中小規(guī)模集成電路的主流。2.1.1TTL集成電路產(chǎn)品簡(jiǎn)介按照國(guó)際通用標(biāo)劃分，依工作溫度不同，TTL集成電路分為T(mén)TL54系列（—55℃~125℃）和TTL74系列（—70~0℃）。每一系列按工作速度、功耗有的不同，又分為標(biāo)準(zhǔn)系列、H系列、S系列、LS系列和ALS系列等。國(guó)產(chǎn)TTL電路共有5個(gè)系列，其中，有4個(gè)系列是作為主要的產(chǎn)品系列，即T1000、T2000、T3000、T4000T系列。T1000系列相當(dāng)于國(guó)際SN54/74通用系列，（即標(biāo)準(zhǔn)系列）；T2000系列相當(dāng)于國(guó)際SN54H/74H高速系列；T3000系列相當(dāng)于國(guó)際SN54S/74S肖特基系列；T4000系列相當(dāng)于國(guó)際SN54LS/74LS低功耗肖特基系列。這4個(gè)主要系列的重要差別反映在平均傳輸延遲時(shí)間和平均功耗這兩個(gè)參數(shù)上。其他電參數(shù)和引線(xiàn)引腳基本彼此相容。（1）74系列（簡(jiǎn)稱(chēng)N-TTL）。這類(lèi)IC是以雙極型晶體管（即通常所說(shuō)的晶體管）為開(kāi)關(guān)元件。輸入級(jí)采用多發(fā)射極晶體管形式（各輸入端分別對(duì)應(yīng)一條發(fā)射極）。開(kāi)關(guān)放大電路電都TTL。在速度和功耗方面，都處于現(xiàn)在數(shù)字IC的中等程度，品種豐富、互換性強(qiáng)，一般均以“74”（民用）或“54”（軍用）為型號(hào)前綴，以“74”為頭的均與N—TTL即74系列對(duì)應(yīng)品種引腳相容。初始的N—TTL現(xiàn)仍有使用，但正在被淘汰。除FSC（仙童公司）的F-TTL外，其余系列產(chǎn)品都出自美國(guó)TL（德克薩斯儀器公司）。（2）74LS系列（簡(jiǎn)稱(chēng)LS、LS-TTL等）。這是TTL類(lèi)型中的主要應(yīng)用產(chǎn)品系列，也是邏輯IC的重點(diǎn)產(chǎn)品之一。品種和產(chǎn)生廠(chǎng)家都非常多，長(zhǎng)年大批量制造，價(jià)格很低。在功耗、價(jià)格方面優(yōu)勢(shì)明顯，但將逐步讓位于H-CMOS和ALS—TTL，僅是目前還在廣泛使用。（3）74S系列（簡(jiǎn)稱(chēng)S、S—TTL等）。這是TTL的高速型，與LS—TTL一起成為重點(diǎn)產(chǎn)品。品種比74LS系列少，功耗比LS—TTL的大得多，但速度較高。（4）74ALS系列（簡(jiǎn)稱(chēng)ALS、ALS—TTL等）。采用介質(zhì)隔離、離了注入等新技術(shù)，寄生電容小、高，速度得以提高。這是LS—TTL的后繼產(chǎn)品，速度（傳輸時(shí)間典型值為4ns）、功耗（電型值為1mW）等都有較大改進(jìn)，1983年TL公司已發(fā)表ALS和AS系列320種產(chǎn)品。特性近似LS系列，容易取代LS。（5）74系列（簡(jiǎn)稱(chēng)AS、AS-TTL等）。這是S—TTL的后繼產(chǎn)品，速度和功耗都比S-TTL有所改進(jìn)，典型值為傳輸時(shí)間1.5ns、功耗8mW，是ALS系列的兄弟高速型。將要與ALS—TTL系列合起來(lái)成為T(mén)TL類(lèi)型的新的主要標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。（6）74F系別（簡(jiǎn)稱(chēng)F、F-TTL或FAST等）。這是美國(guó)FSC采用介質(zhì)隔離、離子注入等新技術(shù)開(kāi)發(fā)的類(lèi)似于ALS、AS的高速版TTL產(chǎn)品，性能介于ALS和AS之間。品種較少，將來(lái)也可能成為T(mén)TL的主流產(chǎn)品之一。2.1.2與非門(mén)電路與非門(mén)是TTL集成電路的基礎(chǔ)，其他門(mén)電路與其大同小異。實(shí)現(xiàn)與非邏輯關(guān)系的電路稱(chēng)為與非門(mén)電路，簡(jiǎn)稱(chēng)與非門(mén)。與非邏輯關(guān)系就是先“與”后“非”，邏輯表達(dá)式為2.2CMOS電路

CMOS電路由PMOS管和NMOS管組成的一種互補(bǔ)型MOS集成電路，簡(jiǎn)稱(chēng)CMOS電路，這種電路制造方便，功耗小，帶負(fù)載和抗干擾能力強(qiáng)，工作速度接近TTL電路，在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中多數(shù)采用這種電路。2.2.1CMOS集成電路主要系列簡(jiǎn)介（1）4000B系列。4000B系列是CMOS的國(guó)際上流行的通用標(biāo)準(zhǔn)系列，與LS—TTL系列并列為20世紀(jì)80年代數(shù)字IC系列產(chǎn)品的代表。原先的4000B（美RCA）和4500B（美MOTA）已作為一個(gè)系列，國(guó)標(biāo)稱(chēng)為CC4000B系列。一般來(lái)說(shuō)其速度最低，功耗最小，并且價(jià)格低，品種多。（2）40H系列。40H系列是日本東芝公司初創(chuàng)的較高速鋁柵CMOS，以后夏普公司生產(chǎn)的，分別用TC40H、LR40H為型號(hào)。我國(guó)生產(chǎn)的定為CC40H系列，速度與N—TTL相當(dāng)，不及LS——TTL。因不久后出現(xiàn)了更高速版硅柵H—CMOS（74HC系列），隨之被取代，但在要求速度不太高的應(yīng)用中，從功耗、價(jià)格上來(lái)說(shuō)仍有一定使用價(jià)值。（3）74HC系列（簡(jiǎn)稱(chēng)為HS或H—CMOS等）。74HC系列是具有CMOS低功耗性和LS—TTL高速性的產(chǎn)品。其初產(chǎn)于NSC（美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)休公司）、MOTA（摩托羅拉）兩公司，爾后許多廠(chǎng)家也相繼開(kāi)發(fā)成為第二產(chǎn)源，貨源豐富，不僅速度大大提高，還避免了CMOSR4000B系列等存在易阻塞（可控硅效應(yīng)易觸發(fā)）性等缺點(diǎn)。其性能均得到很大改進(jìn)，品種豐富，有200種以上，引腳與TTL類(lèi)相容，有少數(shù)屬4000B系列中的高速版品種與相應(yīng)4000B品種的引腳相容2.2.2或非門(mén)電路下面介紹GMOS或非門(mén)的工作原理實(shí)現(xiàn)或非邏輯關(guān)系的電路稱(chēng)為或非門(mén)電路，簡(jiǎn)稱(chēng)或非門(mén)?；蚍沁壿嬯P(guān)系就是先“或”后“非”。邏輯表達(dá)式為【任務(wù)實(shí)施】1.實(shí)施地點(diǎn)：電子技術(shù)實(shí)訓(xùn)室2.實(shí)訓(xùn)所需器材：（1）+5V直流穩(wěn)壓電源1臺(tái)（2）萬(wàn)用表1塊（3）函數(shù)發(fā)生器1臺(tái)（4）雙蹤示波器1臺(tái)（5）CT74LS201片（6）電位器1只3.實(shí)施內(nèi)容與步驟（1）學(xué)生分組：4人左右一組，指定組長(zhǎng)。工作始終各組人員盡量固定。（2）教師布置工作任務(wù)。學(xué)生了解工作內(nèi)容，明確工作目標(biāo)，制作實(shí)施方案。（3）教師通過(guò)圖片，實(shí)物或多媒體分析演示、讓學(xué)生了解TTL的功能和特性。（4）實(shí)際進(jìn)行TTL的識(shí)別與測(cè)試發(fā)給學(xué)生幾片不同TTL集成塊要求學(xué)生從外形、型號(hào)及簡(jiǎn)單的方法進(jìn)行識(shí)別測(cè)試，分析各種TTL與非門(mén)的參數(shù)特性

①驗(yàn)證TTL集成與非門(mén)74LS20

按圖5-1-6連接實(shí)驗(yàn)電路，用邏輯開(kāi)關(guān)改變輸入端A、B、C、D邏輯電平。門(mén)的輸入端接由LED發(fā)光二極管組成邏輯電平顯示器（又稱(chēng)0-1指示器）的顯示插口，LED亮為邏輯“1”不亮為邏輯“0”。按表5-1-6，逐個(gè)測(cè)試集成塊中兩個(gè)與非門(mén)的邏輯功能，實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，只要對(duì)輸入1111，0111，1011，1101，1110等5項(xiàng)進(jìn)行檢測(cè)就可以判斷其邏輯功能是否正常。表5-1-6

②74LS20主要參數(shù)的測(cè)試

a、按圖5-1-7導(dǎo)通電源電流Iccl，Iccl指所有輸入端懸空，輸出端空載時(shí)，電源提供器件的電源，測(cè)試結(jié)果的記入表5-1-7b、截止電源電流按圖5-1-7（b）接線(xiàn)，是指輸出端空載，每個(gè)門(mén)各有一個(gè)以上的輸入端接地，其余輸入端懸空，電源提供給器件的電流。測(cè)試結(jié)果計(jì)入表5-1-7中，通常〉，它們的大小標(biāo)志器件的靜態(tài)功耗的大小。C、低電平輸入電源按圖5-1-7（b）接線(xiàn)，是指被測(cè)輸入端接地，其余輸入端懸空，輸出端空載時(shí)，由被測(cè)輸入端流出的電流值，測(cè)試結(jié)果注入表5-1-7中。D、電壓傳輸特性按圖5-1-8接線(xiàn)，調(diào)節(jié)電位器RP使從零向高電平變化，逐點(diǎn)測(cè)試和的對(duì)應(yīng)值。【學(xué)習(xí)小結(jié)】1.門(mén)電路是利用半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)特性構(gòu)成的，是數(shù)字電路中最基本的邏輯單元。與門(mén)、或門(mén)和非門(mén)是三種基本邏輯門(mén)，能實(shí)現(xiàn)與、或、非三種基本邏輯關(guān)系。2.TTL、ECL以及，都屬于雙極型數(shù)字集成電路，因?yàn)檫@些電路所用的三極管都是雙極型的。TTL電器表現(xiàn)出的非邏輯功能，應(yīng)掌握熟悉其參數(shù)在外部表現(xiàn)出的電壓傳輸特性。3.在MOS數(shù)字集成電路中，CMOS電路是重點(diǎn)，由于采用了N溝道管的P溝道管互補(bǔ)式電路，所以功耗小，而且現(xiàn)在生產(chǎn)的高速CMOS路，其工作速度可與TTL電路媲美，在整個(gè)數(shù)字集成的電路中，CMOS電路占據(jù)主導(dǎo)地位的趨勢(shì)日益明顯。【自我評(píng)估】（1）輸入波形如圖所5-1-9所示,試畫(huà)出下列輸出波形（2）不同系列的TTL門(mén)電路，在其開(kāi)關(guān)特性和功耗方面有哪些主要差別？【任務(wù)描述】

將門(mén)電路按照一定的規(guī)律連接起來(lái)，可以組成只有各種邏輯功能的邏輯電路。而邏輯代數(shù)是分析和設(shè)計(jì)邏輯電路的數(shù)學(xué)工具，因此掌握邏輯代數(shù)是電子工程技術(shù)人員的基本技能?！救蝿?wù)分析】1.掌握邏輯代數(shù)的基本知識(shí)

2.掌握邏輯代數(shù)的代簡(jiǎn)方法

3.組合邏輯電路的一般設(shè)計(jì)方法任務(wù)5.2四人表決器的設(shè)計(jì)與制作【知識(shí)準(zhǔn)備】1.邏輯代數(shù)的公式和定理;

1.1基本運(yùn)算1.2基本定律2.邏輯代數(shù)的化簡(jiǎn)直接根據(jù)邏輯要求而歸納出來(lái)的邏輯表達(dá)式及其對(duì)應(yīng)的邏輯電路，往往不是最簡(jiǎn)單的形式，這就需要對(duì)邏輯表達(dá)式進(jìn)行化簡(jiǎn)。邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)有公式法和卡諾圖法，公式化簡(jiǎn)法就是運(yùn)用邏輯代數(shù)的基本公式和定理來(lái)化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)的一種方法。3.組合邏輯電路的一般設(shè)計(jì)方法3.1組合邏輯電路設(shè)計(jì)的目的設(shè)計(jì)組合電路的目的是根據(jù)功能要求設(shè)計(jì)最佳電路。即根據(jù)給出的實(shí)際問(wèn)題，求出能夠?qū)崿F(xiàn)這一邏輯要求的最簡(jiǎn)的邏輯電路，這就是組合邏輯電路的設(shè)計(jì)，它是分析的逆過(guò)程。3.2設(shè)計(jì)組合邏輯電路的步驟

1）分析設(shè)計(jì)要求。根據(jù)題意，確定輸入、輸出個(gè)數(shù)及它們的相互關(guān)系，并對(duì)它們進(jìn)行邏輯賦值（即確定0和1代表的含義）。

2）根據(jù)功能要求列出真值表。

3）根據(jù)真值表進(jìn)行化簡(jiǎn)，得到最簡(jiǎn)邏輯表達(dá)式。

4）根據(jù)最簡(jiǎn)表達(dá)式畫(huà)邏輯圖。例5-5

設(shè)計(jì)一個(gè)表決電路，有A、B、C三人進(jìn)行表決，當(dāng)有兩人或兩人以上同意時(shí)決議才算通過(guò)，但同意的人中必須有A在內(nèi)。解：（1）確定輸入、輸出變量；設(shè)輸入變量A、B、C分別代表三個(gè)人，1表示同意，0表示不同意；輸出變量Y表示決議是否通過(guò)，1表示通過(guò)，0表示沒(méi)有通過(guò)。（2）根據(jù)題目要求列真值表，如表5-2-1所示。（3）由真值表寫(xiě)出邏輯函數(shù)表達(dá)式并化簡(jiǎn)得（4）畫(huà)出邏輯圖：邏輯電路圖如圖5-1a所示。若要求用與非門(mén)實(shí)現(xiàn)，則需要將化簡(jiǎn)后的與或表達(dá)式轉(zhuǎn)換為與非形式，即畫(huà)出的邏輯電路圖如圖5-1b所示?！救蝿?wù)實(shí)施】實(shí)施地點(diǎn)：電子技術(shù)實(shí)訓(xùn)室實(shí)訓(xùn)所需器材（1）CT74LS175一片3.實(shí)施內(nèi)容與步驟（1）學(xué)生分組：4人左右一組，指定組長(zhǎng)。工作始終各組人員盡量固定。（2）教師布置工作任務(wù)，學(xué)生了解工作內(nèi)容，明確工作目標(biāo)，制定實(shí)施方案。（3）教師通過(guò)圖片，實(shí)物或多媒體分析演示讓學(xué)生了解四人表決器的邏輯電器設(shè)