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组合逻辑电路的分析方法和设计方法

工程师
2021-02-24 17:13:52    评分

在这一期我们主要介绍组合逻辑电路的特点、组合逻辑电路的分析方法和设计方法、若干常用组合逻辑电路的原理和使用方法、组合逻辑电路中的竞争-冒险现象,并介绍了可编程逻辑器件和硬件描述语言的基本概念。


因为针对每一种逻辑功能都可以设计出一个相应的逻辑电路,所以逻辑电路的种类已难于胜数。为便于掌握这些电路的共同特点和内在联系,按逻辑功能的不同特点把它们分成了组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。
组合逻辑电路在逻辑功能上的特点是任意时刻的输出仅仅取决于该时刻的输入,而与电路过去的状态无关。它在电路结构上的特点是只包含门电路,而没有存储(记忆)单元。显然,符合上述特点的组合逻辑电路仍然是非常多的,不可能逐一列举。
考虑到有些种类的组合逻辑电路使用得特别频繁,为便于使用,把它们制成了标准化的中规模集成器件,供用户直接选用。这些器件包括编码器、译码器,数据选择器,加法器,数值比较器、奇偶校验/发生器、BCD与二进制代码转换器等。为了增加使用的灵活性,也为了便于功能扩展,在多数中规模集成的组合逻辑电路上都设置了附加的控制端(或称为使能端、选通输入端、片选端,禁止端等)。这些控制端既可用于控制电路的状态(工作或禁止) ,又可作为输出信号的选通输入端,还能用作输入信号的一个输入端以扩展电路功能。合理地运用这些控制端能最大限度地发挥电路的潜力。灵活地运用这些器件还可以设计出任何其他逻辑功能的组合逻辑电路。此外,在使用大规模集成的可编程逻辑器件设计组合逻辑电路以及设计大规模集成电路芯片的过程中,也经常把这些常用组合逻辑电路作为典型的模块电路,用来构建所需要的逻辑电路。有关可编程逻辑器件的详细内容我们将在本书的附录中做具体介绍。
尽管各种组合逻辑电路在功能上千差万别,但是它们的分析方法和设计方法都是共同的。掌握了分析的一般方法,就可以识别任何一个给定电路的逻辑功能;掌握了设计的一般方法,就可以根据给定的设计要求设计出相应的逻辑电路。因此,学习本章内容时应将重点放在分析方法和设计方法上,而不必去记忆各种具体的逻辑电路。
在使用中规模集成电路设计组合逻辑电路时,总的步骤和使用小规模集成电路时是一样的,但在有些步骤的做法上不完全相同。
第一步进行逻辑抽象、第二步写出逻辑函数式,和使用小规模集成电路时没有区别。
第三步,将逻辑函数变换为适当的形式,而不是要求化为最简形式。因为每一种中规模集成的组合逻辑电路都有确定的逻辑功能,并可以写咸逻辑函数式的形式,所以为了使用这些器件构成所需的逻辑电路,必须把要产生的逻辑函数变换成与所用器件的逻辑函数式类似的形式。
将变换后的逻辑函数式与选用器件的函数式对照比较,有以下4种可能的情况:
1.两者形式完全相同,使用这种中规模集成器件效果最为理想。
2.两者形式类同,所选器件的逻辑函数式包含更多的输入变量和乘积项。这时只需对多余的变量输入端和乘积项做适当处理,也能很方便地得到所要的逻辑电路。
3.所选用的中规模集成器件的逻辑函数式是要求产生的逻辑函数的一部分,这时可以通过扩展的方法(将几片联用或附加少量其他器件)组成要求的逻辑电路。
4.如果可用的中规模集成电路品种有限,而这些器件的逻辑函数或又与要求产生的逻辑函数在形式上相差甚远,就不宜采用这些器件来设计所需的逻辑电路了。
根据逻辑函数式对照比较的结果,即可确定所用的器件各输入端应当接入的变量或常量(1或0),以及各片之间的连接方式。
第四步,按照上面对照比较的结果,画出设计的逻辑电路图。
我们将上述使用中规模集咸器件设计组合逻辑电路的方法称为逻辑函数式对照法。
在使用可编程逻辑器件PLD进行设计时,总的步骤和使用中小规模集成电路时不完全相同。
第一步进行逻辑抽象,和使用中小规模集成电路时没有区别,明确输入/出变量,确定逻辑关系。
第二步,选定PLD的类型和型号。
第三步,选定开发系统。选用的开发系统必须能支持选定器件的开发工作。
第四步,以开发系统软件能接受的逻辑功能描述方式(例如逻辑图、硬件描述语言,波形图等)编写计算机输入文件。
第五步,上机运行。将源程序输入计算机,运行相应的编译程序或汇编程序,产生下载文件和其他程序说明文件。进行仿真分析,检查设计结果是否符合要求,并做必要的修改。
第六步,下载。所谓下载,就是由编程器将编程数据写入PLD中。
第七步,测试。将写好数据的PLD从编程器上取下,用实验方法测试它的逻辑功能,检查它是否达到了设计要求。
竞争-冒险是组合逻辑电路工作状态转换过程中经常会出现的一种现象。如果负载是一些对尖峰脉冲敏感的电路,则必须采取措施防止由于竞争而产生的尖峰脉冲。如果负载电路对尖峰脉冲不敏感(例如负载为光电显示器件) ,就不必考虑这个问题了。


试分析图中电路的逻辑功能,写出输出的逻辑函数式,列出真值表,说明电路逻辑功能的特点。





关键词: 组合     逻辑     电路     分析     方法     设计     方法    

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