数字电路与逻辑设计(4月教案)

第一篇：数字电路与逻辑设计(4月教案)

中规模通用集成电路及其应用

教学内容：本节内容是针对上节组合逻辑电路分析的推广，主要介绍采用中、大规模集成电路组成数字系统的方法以及应用。包括使用最广泛的中规模组合逻辑集成电路有二进制并行加法器、译码器、编码器、多路选择器和多路分配器等。

教学重点：加法器和译码器的功能，设计应用的方法和技巧。教学难点：并行和串行集成电路的设计思想。

教学方法：课堂教学为主，辅以恰当的实验。紧密结合前面所学的基础内容，用丰富详尽的例题，让学生充分理解集成芯片设计方法，并通过课堂练习掌握学生学习情况。课后配套实验，让学生透彻理解课堂所学。

教学要求：了解集成电路的分类，重点掌握加法器和译码器的设计，以及其应用方法。

7.1常用中规模组合逻辑电路

教学内容：（1）熟悉常用中规模通用集成电路的逻辑符号、基本逻辑功能、外部特性和使用方法。（2）常用中规模通用集成电路作为基本部件，恰当地、灵活地、充分地利用它们完成各种逻辑电路的设计，有

效地实现各种逻辑功能。

教学重点：二进制并行加法器和译码器。

教学难点：二进制并行加法器和译码器功能、结构、外部特性及应用。

教学方法：课堂教学为主，通过提问和练习掌握中规模通用集成电路功能和应用。

采用中、大规模集成电路组成数字系统具有体积小、功耗低、可靠性高等优点，且易于设计、调试和维护。

使用最广泛的中规模组合逻辑集成电路有：

★ 二进制并行加法器

★ 译码器 ★ 编码器

★ 多路选择器 ★ 多路分配器等

7.1.1二进制并行加法器

一．定义

二进制并行加法器:是一种能并行产生两个二进制数算术和的组合逻辑部件.二．分类及典型产品 按其进位方式的不同，可分为串行进位二进制并行加法器和超前进位二进制并行加法器两种类型。

1.串行进位二进制并行加法器：由全加器级联构成，高位的进位依赖于低位的进位。典型芯片有四位二进制并行加法器T692。四位二进制并行加法器T692的结构框图如图7.1所示。

图7.1 T692的结构框图

串行进位二进制并行加法器的特点是：被加数和加数的各位能同时并行到达各位的输入端，而各位全加器的进位输入则是按照由低位向高位逐级串行传递的，各进位形成一个进位链。由于每一位相加的和都与本位进位输入有关，所以，最高位必须等到各低位全部相加完成并送来进位信号之后才能产生运算结果。显然，这种加法器运算速度较慢，而且位数越多，速度就越低。

为了提高加法器的运算速度，必须设法减小或去除由于进位信号逐级传送所花的时间，使各位的进位直接由加数和被加数来决定，而不需依赖低位进位。根据这一思想设计的加法器称为超前进位(又称先行进位)二进制并行加法器。

2．超前进位二进制并行加法器：由逻辑电路根据输入信号同时形成各位向高位的进位，又称为先行进位二进制并行加法器或者并行进位二进制并行加法器。典型芯片有四位二进制并行加法器74LS283。

四位二进制并行加法器74LS283构成思想如下：

第i位全加器的进位输出函数表达式为

Ci = AiBi+(Ai+Bi)Ci-1

令 Ai+Bi→Pi（进位传递函数）

AiBi→Gi（进位产生函数）

则有 Ci=PiCi-1+Gi 于是，当i=1、2、3、4时，可得到4位并行加法器各位的进位输出函数表达式为

C1=P1C0+G1

C2=P2C1+G2=P2P1C0+P2G1+GC3=P3C2+G3=P3P2P1C0+P3P2G1+P3G2+G3

C4=P4C3+G4=P4P3P2P1C0+P4P3P2G1+P4P3G2+P4G3+G4

由于C1～C4是Pi、Gi和C0的函数，而Pi、Gi又是 Ai、Bi的函数，所以，在输入Ai、Bi和C0之后，可以同时产生C1～C4。通常将根据Pi、Gi和C0形成C1～C4的逻辑电路称为先行进位发生器。采用先行进位发生器的并行加法器称为超前进位二进制并行加法器。

三．四位二进制并加法器的外部特性和逻辑符号 1.外部特性

74LS283、4008芯片的管脚排列图如图7.2(a)所示。图中，VCC B2 A2 S2 B3 A3 S3 C3 16 15 14 13 12 11 10 974LS283 1 2 3 4 5 6 7 8S1 B1 A1 S0 B0 A0 C0-1 GNDTTL加法器74LS283引脚图VDDB3C3 S3 S2 S1 S0 C0-1 16 15 14 13 12 11 10 94008 1 2 3 4 5 6 7 8A3 B2 A2 B1 A1 B0 A0 VSSCMOS加法器4008引脚图图7.2 74LS283，4008的管脚排列图和逻辑符号 A4、A3、A2、A1----------二进制被加数； B4、B3、B2、B1----------二进制加数； F4、F3、F2、F1----------相加产生的和数；

C0----来自低位的进位输入；FC4----向高位的进位输出。2．逻辑符号

四位二进制并行加法器逻辑符号如图7.2所示。

四．应用举例

二进制并行加法器除实现二进制加法运算外，还可实现代码转换、二进制减法运算、二进制乘法运算、十进制加法运算等功能。下面举例说明。

例1 用4位二进制并行加法器设计一个将8421码转换成余3码的代码转换电路。例2 用4位二进制并行加法器设计一个4位二进制并行加法/减法器。

例3 用一个4位二进制并行加法器和六个与门设计一个乘法器，实现A×B,其中A=a3a2a1,B= b2b1.例4 用4位二进制并行加法器设计一个用余3码表示的1位十进制数加法器。

7.1.2译码器和编码器

译码器(Decoder)和编码器(Encoder)是数字系统中广泛使用的多输入多输出组合逻辑部件。

一.译码器

译码器的功能是对具有特定含义的输入代码进行“翻译”，将其转换成相应的输出信号。

译码器的种类很多，常见的有二进制译码器、二-十进制译码器和数字显示译码器。

1．二进制译码器

(1)定义

二进制译码器:能将n个输入变量变换成2个输出函数，且输出函数与输入变量构成的最小项具有对应关系

n的一种多输出组合逻辑电路。

(2)特点

● 二进制译码器一般具有n个输入端、2个输出端和一个(或多个)使能输入端。

● 在使能输入端为有效电平时，对应每一组输入代码，仅一个输出端为有效电平，其余输出端为无效电平(与有效电平相反)。

● 有效电平可以是高电平(称为高电平译码)，也可以是低电平(称为低电平译码)。

(3)典型芯片

常见的MSI二进制译码器有2-4线(2输入4输出)译码器、3-8线(3输入8输出)译码器和4-16线(4输入16输出)译码器等。书P231所示分别是74LS138型3-8线译码器的管脚排列图和逻辑符号。

n2.二-十进制译码器

二-十进制译码器的功能:将4位BCD码的10组代码翻译成10个十进制数字符号对应的输出信号。

例如，常用芯片T331是一个将8421码转换成十进制数字的译码器，其输入A3～A0为8421码，输出Y0～Y9分别代表十进制数字0～9。该译码器的输出为低电平有效。其次，对于8421码中不允许出现的6个非法码(1010～1111)，译码器输出端Y0～Y9均无低电平信号产生，即译码器对这6个非法码拒绝翻译。这种译码器的优点是当输入端出现非法码时，电路不会产生错误译码。（该译码器的逻辑电路图和真值表见教材中有关部分）

3.数字显示译码器

数字显示译码器是不同于上述译码器的另一种译码器。在数字系统中，通常需要将数字量直观地显示出来，一方面供人们直接读取处理结果，另一方面用以监视数字系统工作情况。因此，数字显示电路是许多数字设备不可缺少的部分。

数字显示译码器是驱动显示器件(如荧光数码管、液晶数码管等)的核心部件，它可以将输入代码转换成相应数字，并在数码管上显示出来。

常用的数码管由七段或八段构成字形，与其相对应的有七段数字显示译码器和八段数字显示译码器。例如，中规模集成电路74LS47，是一种常用的七段显示译码器，该电路的输出为低电平有效，即输出为0时，对应字段点亮；输出为1时对应字段熄灭。该译码器能够驱动七段显示器显示0～15共16个数字的字形。输入A3、A2、A1和A0接收4位二进制码，输出Qa、Qb、Qc、Qd、Qe、Qf和Qg分别驱动七段显示器的a、b、c、d、e、f和g段。（74LS47逻辑图和真值表可参见教材中有关部分。）

七段译码显示原理图如图7.8(a)所示，图7.8(b)给出了七段显示笔画与0～15共16个数字的对应关系。

图7.8 七段译码显示原理及笔画与数字关系

4．译码器应用举例

译码器在数字系统中的应用非常广泛，它的典型用途是实现存储器的地址译码、控制器中的指令译码、代码翻译、显示译码等。除此之外，还可用译码器实现各种组合逻辑功能。下面 举例说明在逻辑设计中的应用。 例1 用3-8线译码器T4138和适当的与非门实现全减器的功能。例2 用译码器和与非门实现逻辑函数  F(A,B,C,D)=∑m(2,4,6,8,10,12,14) 

二.编码器

编码器的功能恰好与译码器相反，它是对输入信号按一定规律进行编排，使每组输出代码具有其特定的含义。

编码器按照被编信号的不同特点和要求，有各种不同的类型，最常见的有二-十进制编码器(又称十进制-BCD码编码器)和优先编码器。

1.二-十进制编码器

(1)功能：将十进制数字0～9分别编码成4位BCD码。

(2)结构框图

这种编码器由10个输入端代表10个不同数字，4个输出端代表相应BCD代码。结构框图如图7.11所示。

图7.11 编码器结构框图

注意：二-十进制编码器的输入信号是互斥的，即任何时候只允许一个输入端为有效信号。

最常见的有8421码编码器，例如，按键式8421码编码器（详见教材中有关内容）。

2.优先编码器

(1)功能：识别输入信号的优先级别，选中优先级别最高的一个进行编码,实现优先权管理。

优先编码器是数字系统中实现优先权管理的一个重要逻辑部件。它与上述二-十进制编码器的最大区别是，优先编码器的各个输入不是互斥的，它允许多个输入端同时为有效信号。优先编码器的每个输入具有不同的优先级别，当多个输入信号有效时，它能识别输入信号的优先级别，并对其中优先级别最高的一个进行编码，产生相应的输出代码。

(2)典型芯片

书P238所示为常见MSI优先编码器74LS148的管脚排列图和逻辑符号。书P23874LS148

真值表。

3.应用举例

例 用优先编码器74LS148设计一个能裁决16级不同中断请求的中断优先编码器。

7.1.3多路选择器和多路分配器

多路选择器和多路分配器是数字系统中常用的中规模集成电路。其基本功能是完成对多路数据的选择与分配、在公共传输线上实现多路数据的分时传送。此外，还可完成数据的并-串转换、序列信号产生等多种逻辑功能以及实现各种逻辑函数功能。因而，属于通用中规模集成电路。

一.多路选择器

多路选择器(Multiplexer)又称数据选择器或多路开关，常用MUX表示。它是一种多路输入、单路输出的组合逻辑电路。

1.逻辑特性

(1)逻辑功能：从多路输入中选中某一路送至输出端，输出对输入的选择受选择控制量控制。通常，对于一个具有2路输入和一路输出的多路选择器有n个选择控制变量，控制变量的每种取值组合对应选中一路输入送至输出。

(2)构成思想: 多路选择器的构成思想相当于一个单刀多掷开关，即 n

2.典型芯片

常见的MSI多路选择器有4路选择器、8路选择器和16路选择器。

(1)四路数据选择器74153的管脚排列图和逻辑符号

书P240(2)四路数据选择器74153的功能表

四路数据选择器的功能表书P240。

(3)四路数据选择器74153的输出函数表达式

由功能表可知,当A1A0=00时,W=D0；当A1A0 =01时,W=D1；当A1A0 =10时,W=D2；当A1A0 =11时,W=D3。即在A1A0的控制下,依次选中D0～D3端的信息送至输出端。其输出表达式为

式中，mi为选择变量A1、A0组成的最小项，Di为i端的输入数据，取值等于0或1。 类似地，可以写出2路选择器的输出表达式 n

式中，mi为选择控制变量An-1，An-2，…，A1，A0组成的最小项；Di为2n路输入中的第i路数据输入，取值0或1。

3．应用举例

多路选择器除完成对多路数据进行选择的基本功能外，在逻辑设计中主要用来实现各种逻辑函数功能。

(1)用具有n个选择控制变量的多路选择器实现n个变量函数

一般方法：将函数的n个变量依次连接到MUX的n个选择变量端，并将函数表示成最小项之和的形式。若函数表达式中包含最小项mi，则相应MUX的Di接1，否则Di接0。

例1 用多路选择器实现如下逻辑函数的功能  F(A,B,C)=∑m(2,3,5,6)

(2)用具有n个选择控制变量的多路选择器实现n+1个变量的函数

一般方法:从函数的n+1个变量中任n个作为MUX选择控制变量,并根据所选定的选择控制变量将函数变换成如下形式：

以确定各数据输入Di。假定剩余变量为X，则Di的取值只可能是0、1或X,X四者之一。例2 假定采用4路数据选择器实现逻辑函数

F(A,B,C)=∑m(2,3,5,6) 上述两种方法表明：用具有n个选择控制变量的MUX实现n个变量的函数或n+1个变量的函数时，不需要任何辅助电路，可由MUX直接实现。

(3)用具有n个选择控制变量的多路选择器实现n+1个以上变量的函数

当函数的变量数比MUX的选择控制变量数多两个以上时，一般需要加适当的逻辑门辅助实现。在确定各数据输入时，通常借助卡诺图。

例3 用4路选择器实现如下4变量逻辑函数的功能  F(A,B,C,D)=∑m(1,2,4,9, 10,11,12,14,15)

例4 用一片T580双4路选择器实现4变量多输出函数。函数表达式为

F1(A,B,C,D)=∑m(0,1,5,7,10,13,15)

F2(A,B,C,D)=∑m(8,10,12,13,15) 

二.多路分配器

多路分配器(Demultiplexer)又称数据分配器，常用DEMUX表示。多路分配器的结构与多路选择器正好相反，它是一种单输入、多输出组合逻辑部件，由选择控制变量决定输入从哪一路输出。书P245为4路分配器的逻辑符号和功能表。

多路分配器常与多路选择器联用，以实现多通道数据分时传送。通常在发送端由MUX将各路数据分时送上公共传输线(总线)，接收端再由DEMUX将公共线上的数据适时分配到相应的输出端。图7.21所示是利用一根数据传输线分时传送8路数据的示意图，在公共选择控制变量 ABC的控制下，实现Di-fi的传送(i=0～7)。

图7.21 8路数据传输示意图

以上对几种最常用的MSI组合逻辑电路进行了介绍，在逻辑设计时可以灵活使用这些电路实现各种逻辑功能。

例5 用8路选择器和3-8线译码器构造一个3位二进制数等值比较器。

解 设比较的两个3位二进制数分别为ABC和XYZ，将译码器和多路选择器按图 7.22所示进行连接，即可实现ABC和XYZ的等值比较。

图7.22 比较器逻辑电路图

从图7.22可知，若ABC=XYZ，则多路选择器的输出F=0，否则F=1。例如，当ABC=010时，译码器输出Y2=0，其余均为1。若多路选择器选择控制变量XYZ=ABC=010，则选通D2送至输出端F，由于D2=Y2=0,故F=0；若XYZ≠010，则多路选择器会选择D2之外的其他数据输入送至输出端F，由于与其余数据输入端相连的译码器输出均为1，故F为1。

用类似方法，采用合适的译码器和多路选择器可构成多位二进制数比较器。

3触发器

教学内容：本章开始进入时序电路分析设计，对于时序电路最基本元器件触发器要掌握常用的RS触发器、JK触发器、D触发器、以及钟控和边沿RS触发器、JK触发器、D触发器的功能、触发方式、外部工作特性。

教学重点：各种触发器的触发方式和功能。教学难点：触发器构成方式。

教学方法：课堂教学为主，辅以恰当的实验。紧密结合前面所学的基础内容，用丰富详尽的例题，让学生充分理解集成芯片设计方法，并通过课堂练习掌握学生学习情况。课后配套实验，让学生透彻理解课堂所学。

教学要求：重点掌握触发器的工作原理，掌握各种触发器的触发方式和功能以及应用场合的不同，了解触发器的外部工作特性。

3.4触

发

器

触发器是一种具有记忆功能的电子器件。它具有如下特点：

 ☆ 有两个互补的输出端Q和Q；

☆ 有两个稳定状态。通常将Q=1和Q=0称为“1”状态，而把Q=0和Q=1称为“0” 状态。当输入信号不发生变化时，触发器状态稳定不变；

☆ 在一定输入信号作用下，触发器可以从一个稳定状态转移到另一个稳定状态。通常把输入信号作用之前的状态称为现态,记作Qn 和Qn，而把输入信号作用后的状态称为触发器的次态,记作Q(n+1)和Q(n+1)。

为了简单起见，现态一般省略的上标n，就用Q 和Q 表示。显然，次态是现态和输入的函数。

触发器是存储一位二进制信息的理想器件。集成触发器的种类很多，分类方法也各不相同，但其结构都是由逻辑门加上适当的反馈线耦合而成。

下面从实际应用出发，介绍几种最常用的集成触发器，重点掌握它们的外部工作特性。

3.4.1基本R-S触发器

基本R-S触发器是直接复位置位触发器的简称，由于它是构成各种功能触发器的基本部件，故称为基本R-S触发器。

一.用与非门构成的基本R-S触发器

1.组成

由两个与非门交叉耦合构成，其逻辑图和逻辑符号分别见书P95。

图中，Q和Q为触发器的两个互补输出端；R和S为触发器的两个输入端，R称为置0端或者复位端，S称为置1端或置位端；

在逻辑符号输入端加的小圆圈表示低电平或负脉冲有效，即仅当低电平或负脉冲作用于输入端时，触发器状态才能发生变化(常称为翻转)，有时称这种情况为低电平或负脉冲触发。

2． 工作原理

（1）若R=1,S=1，则触发器保持原来状态不变。

（2）若R=1,S=0,则触发器置为1状态。

（3）若R=0,S=1,则触发器置为0状态。（4）不允许出现R=0,S=0。

3．逻辑功能及其描述

由与非门构成的R-S触发器的逻辑功能如表3.5所示。表中“d”表示触发器次态不确定。

表3.5 基本R-S触发器功能表

R S 0 0 0 1 1 0 1 1

Q(n+1)d 0 1 Q

功能说明 不定 置0 置1 不变 触发器的次态方程： Q(n+1)= S + R·Q 因为R、S不允许同时为0，所以输入必须满足约束条件： R+S=1(约束方程)

3.4.2几种常用的时钟控制触发器

实际应用中，往往要求触发器按一定的时间节拍动作，即让触发器状态的变化由时钟脉冲和输入信号共同决定。因此，在触发器的输入端增加了时钟控制信号，这类触发器由时钟脉冲确定状态转换的时刻(何时转换)，由输入信号确定触发器状态转换的方向(如何转换)。这种具有时钟脉冲控制的触发器称为“时钟控制触发器”或者“定时触发器”。

下面介绍四种最常用的时钟控制触发器。

一.时钟控制R-S触发器

时钟控制R-S触发器的逻辑图如图P100所示。

1．组成

它由四个与非门构成。其中，与非门G1、G2构成基本R-S触发器；与非门G3、G4组成控制电路，通常称为控制门。

2．工作原理

（1）无时钟脉冲作用（即时钟控制端C为0）时：控制门G3、G4被封锁。此时，不管R、S端的输入为何值，两个控制门的输出均为1，触发器状态保持不变。

（2）有时钟脉冲作用（即时钟控制端C为1）时: 控制门G3、G4被打开，这时输入端R、S的值可以通过控制门作用于上面的基本R-S触发器。具体如下：

    当R=0,S=0时，控制门G3、G4的输出均为1，触发器状态保持不变；

当R=0,S=1时，控制门G3、G4的输出分别为1和0，触发器状态置成1状态；

当R=1,S=0时，控制门G3、G4的输出分别为0和1，触发器状态置成0状态；

当R=1，S=1时，控制门G3、G4的输出均为0，触发器状态不确定（不允许）。

由此可见，这种触发器的工作过程是由时钟信号C和输入信号R、S共同作用的；时钟C控制转换时间，输入R和S确定转换后的状态。因此，它被称作时钟控制R-S触发器，其逻辑符号如图3.32(b)所示。

时钟控制R-S触发器的功能表、次态方程和约束条件与由或非门构成的R-S触发器相同。

在时钟控制触发器中，时钟信号C是一种固定的时间基准，通常不作为输入信号列入表中。对触发器功能进行描述时，均只考虑时钟作用(C=1)时的情况。

注意！时钟控制R-S触发器虽然解决了对触发器工作进行定时控制的问题，而且具有结构简单等优点，但依然存在如下两点不足：

  输入信号不能同时为1，即R、S不能同时为1；

可能出现“空翻”现象。

所谓“空翻”是指在同一个时钟脉冲作用期间触发器状态发生两次或两次以上变化的现象。引起空翻的原因是在时钟脉冲作用期间，输入信号依然直接控制着触发器状态的变化。具体说，当时钟C为1时，如果输入信号R、S发生变化，则触发器状态会跟着变化，从而使得一个时钟脉冲作用期间引起多次翻转。“空翻”将造成状态的不确定和系统工作的混乱，这是不允许的。因此，时钟控制R-S触发器要求在时钟脉冲作用期间输入信号保持不变。

由于时钟控制R-S触发器的上述缺点，使它的应用受到很大限制。一般只用它作为数码寄存器而不宜用来构成具有移位和计数功能的逻辑部件。

二.D

为了解决时钟控制R-S触发器在输入端R、S同时为1时状态不确定的问题，通常对时钟控制R-S触发器的触发器

控制电路稍加修改，使之变成如图3.33(a)所示的形式，这样便形成了只有一个输入端的D触发器。其逻辑符号如图P102所示。

修改后的控制电路除了实现对触发器工作的定时控制外，另外一个作用是在时钟脉冲作用期间(C=1时)，将输入信号D转换成一对互补信号送至基本R-S触发器的两个输入端，使基本R-S触发器的两个输入信号只可能是01或者10两种组合，从而消除了状态不确定现象，解决了对输入的约束问题。

工作原理如下：

  当无时钟脉冲作用时，即C=0时，控制电路被封锁，无论输入D为何值，与非门G3、G4输出均为1，触发器状态保持不变。

当时钟脉冲作用时，即使C=1时，若D=0，则门G4输出为1，门G3输出为0，触发器状态被置0；若D=1，则门G4输出为0，门G3输出为1，触发器状态被置1。

由此可见，在时钟作用时，D触发器状态的变化仅取决于输入信号D，而与现态无关。其次态方程为

Q(n+1)= D

D触发器的逻辑功能可用表3.7所示的功能表描述。

表3.7 D触发器功能表

D 0 1

Q(n+1)0 1

上述D触发器在时钟作用期间要求输入信号D不能发生变化，即依然存在“空翻”现象。工作波形如下：

为了进一步解决“空翻”问题，实际中广泛使用的集成D触发器通常采用维持阻塞结构，称为维持阻塞D触发器。典型维持阻塞D触发器的逻辑图和逻辑符号分别如图3.34(a)和(b)所示。图中的D输入端称为数据输入端；RD和SD分别称为直接置“0”端和直接置“1” 端。它们均为低电平有效，即在不作直接置“0”和置“1”操作时，保持为高电平。

图3.34 维持阻塞D触发器

该触发器在时钟脉冲没有到来(C=0)时，无论D端状态怎样变化，都保持原有状态不变；当时钟脉冲到来(C=1)时，触发器在时钟脉冲的上升边沿将D输入端的数据可靠地置入；在上升沿过后的时钟脉冲期间，D的值可以随意改变，触发器的状态始终以时钟脉冲上升沿时所采样的值为准。由于利用了脉冲的边沿作用和维持阻塞作用，从而有效地防止了“空翻”现象。

工作波形如下：

例如，若输入D=1，在时钟脉冲的上升沿，把“1”送入触发器，使Q=1,Q=0。在触发器进入“1”状态后，由于置1维持线和置0阻塞线的低电平0的作用，即使输入端D由1变为0，触发器的“1”状态也不会改变；同理，若D=0，时钟脉冲的上升沿将使触发器的状态变为Q=0,Q=1。由于置0维持线和置1阻塞线为低电平0，所以，即使输入端D由0变为1，触发器的状态也维持0态不变。可见，该电路保证了触发器的状态在时钟脉冲作用期间只变化一次。

维持阻塞D触发器的逻辑功能与前述D触发器的逻辑功能完全相同。实际中使用的维持阻塞D触发器有时具有几个D输入端，此时，各输入之间是相“与”的关系。例如，当有三个输入端D1、D2和D3时，其次态方程是 : Q(n+1)= D1·D2·D3

由于维持阻塞D触发器的不存在对输入的约束问题，克服了空翻现象，抗干扰能力强。因此可用来实现寄存、计数、移位等功能。其主要缺点是逻辑功能比较简单。

三.J-K

为了既解决时钟控制R-S触发器对输入信号的约束问题，又能使触发器保持有两个输入端的作用，可将时钟触发器

控制R-S触发器改进成如图3.35(a)所示的形式。即增加两条反馈线，将触发器的输出Q和Q 交叉反馈到两个控制门的输入端，利用触发器两个输出端信号始终互补的特点，有效地解决了在时钟脉冲作用期间两个输入同时为1将导致触发器状态不确定的问题。修改后，把原来的输入端S改成J，R改成K，称为J-K触发器。其逻辑符号P103所示。

工作原理如下：

（1）在时钟脉冲未到来(C=0)时，无论输入端J和K怎样变化，控制门G3、G4的输出均为1.触发器保持原来状态不变。

（2）在时钟脉冲作用(C=1)时，可分为4种情况。

归纳起来，J-K触发器的功能表如表3.8所示。

表3.8 J-K触发器功能表

J K 0 0 0 1 1 0 1 1

其次态方程为 ： Q

上述J-K触发器结构简单，且具有较强的逻辑功能，但依然存在“空翻”现象。为了进一步解决“空翻”(n+1)

Q(n+1)Q 0 1 Q

功能说明 不变 置0 置1 翻转

= J·Q + K·Q

问题，实际中广泛采用主从J-K触发器。主从J-K触发器的逻辑电路图及逻辑符号如图3.36（a）、（b）所示。

图3.36 主从J-K触发器

主从J-K触发器由上、下两个时钟控制R-S触发器组成，分别称为从触发器和主触发器。主触发器的输出是从触发器的输入，而从触发器的输出又反馈到主触发器的输入。主、从两个触发器的时钟脉冲是反相的。图中的RD和SD分别为直接置0端和直接置1端。逻辑符号中时钟端的小圆圈表示触发器状态的改变是在时钟脉冲的后沿(下降沿)产生的。

工作原理如下：

● 当时钟脉冲未到来时，主触发器被封锁，从触发器状态由主触发器状态决定，两者状态相同；

● 当时钟脉冲到来时，在时钟脉冲的前沿(上升沿)接收输入信号并暂存到主触发器中，此时从触发器被封锁，保持原状态不变。在时钟脉冲的后沿(下降沿)，主触发器状态传送到从触发器，使从触发器输出(即整个触发器输出)变到新的状态，而此时主触发器本身被封锁，不受输入信号变化的影响。即该触发器是“前沿采样，后沿定局”。由于整个触发器的状态更新是在时钟脉冲的后沿发生的，因此解决了“空翻”的问题。

与前面所述J-K触发器相比，主从J-K触发器仅进行了性能上的改进，而逻辑功能完全相同。由于该触发器具有输入信号J和K无约束、无空翻、功能较全等优点，因此，使用方便，应用广泛。

四.T触发器

T触发器又称为计数触发器。如果把J-K触发器的两个输入端J和K连接起来，并把连接在一起的输入端用符号T表示，就构成了T触发器。相应的逻辑图和逻辑符号分别如图3.37(a)和(b)所示。

图3.37 T触发器

T触发器的逻辑功能可直接由J-K触发器的次态方程导出。J-K触发器的次态方程为

Q(n+1)= J·Q + K·Q

将该方程中的J和K均用T代替后，即可得到T触发器的次态方程：

Q(n+1)= T·Q + T·Q

根据次态方程，可列出T触发器的功能表如表3.9所示。

表3.9 T触发器功能表

T 0 1

Q(n+1)Q Q

功能说明 不变 翻转 由功能表可知，当T=1时，只要有时钟脉冲到来，触发器状态就翻转，或由1变为0或由0变为1，相当于一位二进制计数器；当T=0时，即使有时钟脉冲作用，触发器状态也保持不变。

图3.37所示的T触发器也存在“空翻”现象，实际数字电路中使用的集成T触发器通常采用主从式结构，或者增加维持阻塞功能。集成T触发器的逻辑符号分别如图3.38(a)、(b)所示，它们除了在性能方面的改进外，逻辑功能与上述T触发器完全相同。

第二篇：数字电路与逻辑设计实验报告

实验 报告书

课程名称

数字电路与逻辑设计

专

业

计算机科学与技术

班

级

姓

名

刘

腾

飞

学

号

09030234

指导教师

王

丹

志

成绩

2010年 年 11月 月 10 日

实验题目：

译码器、数据选择器及其应用

一、实验目的 1、掌握中规模集成译码器与数据选择器的逻辑功能与使用方法

2、熟悉数码管的使用 3、学习用数据选择器构成组合逻辑电路的方法 二、实验原理 1 1、中规模集成译码器 74 LS 138

74LS138是集成3线－8线译码器，在数字系统中应用比较广泛。图-1是其引脚排列。其中 A2、A1、A0为地址输入端，0Y～ 7Y为译码输出端，S1、2S、3S为使能端。

图-1 74LS138真值表图-2如下：

图-2 74HC138工作原理为：当S1=1，S— 2+S — 3=0时，器件使能，电路完成译码功能，输出低电平有效。当S=0，S— 2+S — 3=X时，或S1=1, S— 2+S — 3=1,译码器被禁止，所有输出同时为1 2 2、双4 4 选1 1 数据选择器

74LS153 ?

所谓双4选1数据选择器就是在一块集成芯片上有两个4选1数据选择器。引脚排列如图-3所示，功能表如图-4所示。

图-3

输入 输出 S—

A1 A0 Q 1 0 0 0 0 X 0 0 1 1 X 0 1 0 1 0 D0 D1 D2 D3 图-4

1S—、2S — 为两个独立的使能端；A1、A0为两个公用的地址输入端；1D0~1D3和2D0~2D3分别为两个4选1数据选择器的数据输入端；Q1、Q2为两个输出端。

当使能端1S—（2S —）=1时，多路开关被禁止，无输出，Q=0。

当使能端1S—（2S —）=0时，多路开关正常工作，根据地址码A1、A0的状态，将相应的数据D0~D3送到输出端Q。3、8 8 选1 1 数据选择器 74LS151

74LS151为互补输出的8选1数据选择器，引脚排列如图-5所示，功能表如图-6所示。

图-5

图-6 选择控制端（地址端）为A2~A0，按二进制译码，从8个输入数据D0~D7中，选择一个需要的数据送到输出端Q，S— 为使能端，低电平有效。

使能端S— =1时，不论A2~A0状态如何，均无输出，多路开关被禁止。

使能端S— =0时，多路开关正常工作，根据地址码A2、A1、A0的状态选择D0~D7中某一个通道的数据输送到输出端Q。

三、实验设备及器件 ●

硬件：PC机一台 ●

软件：QuartusⅡ5.0集成开发环境 四、实验内容 1.使用74LS138实现逻辑函数 F=A’B’C’+AB’C’+ABC 2.使用74LS151实现逻辑函数 F=AB’+A’B+AB 3.使用74LS153实现逻辑函数 F=A’BC+AB’C+ABC’+ABC

五、实 验过程 1、使用74LS138实现逻辑函数 F=A’B’C’+AB’C’+ABC ① 由74LS138功能表（图-1）可知电路图连接如图-7所示

图-7 ② 经编译检查无错（图-8）

图-8

③ 对其进行仿真，设置好一定仿真时间区域与输入波形后启动仿真器得仿真结果如图-9

图-9 2、使用74LS151实现逻辑函数F=AB’+A’B+AB

①将输入变量C、B、A作为8选1数据选择器的地址码A2、A1、A0。使8选1数据选择器的各个数据输入D0~D7分别与函数F的输出值一一对应，即A2A1A0=CBA、D0=D2=D3=0、D0=D4=D5=D6=D7=1则输出Q便实现了函数AB’+A’B+AB接线图如图-10

图-10 ②经编译检查无错（图-11）

图-11 ③对其进行仿真，设置好一定仿真时间区域与输入波形后启动仿真器得仿真结果如图-12

图-12 3、使用74LS153实现逻辑函数 F=A’BC+AB’C+ABC’+ABC

①函数F有3个输入变量A、B、C，而数据选择器有2个地址端A1、A0少于数据函数输入变量个数，在设计时可任选A接A1，B接A0。接线如图-13

图-13

②经编译检查无错如图-14

图-14 ③对其进行仿真，设置好一定仿真时间区域与输入波形后启动仿真器得仿真结果如图-15

图-15 六、实验心得 通过这次试验，我熟练掌握了74LS138译码器、74LS151和74LS153数据选择器的使用特点和方法。加强了对这些知识的了解，熟练掌握了QuartusⅡ5.0集成开发环境的使用。

第三篇：数字电路与逻辑设计教学大纲

《数字电路与逻辑设计》教学大纲

适用专业：通信工程、信息工程、自动化、测控技术与仪器、电气工程及其自动化 课程类别：专业基础课 先修课程：电路原理 总 学 时：66 学

分：3 考核方式：考试

一、课程的性质与任务

本课程是信息工程、通信工程、自动化、测控技术与仪器和电气工程及其自动化专业学生必修的技术基础课程，是一门实践性很强的课程。通过本课程的学习，使学生掌握数字逻辑和数字系统的基础知识、基本分析方法和设计方法，培养使用标准逻辑器件的能力，初步了解可编程器件的知识，为深入学习后续课程和从事数字技术实际工作打下良好基础。

二、课程内容、基本要求与学时分配

1、绪论（2学时）

了解数字信号与模拟信号的定义与区别； 掌握各种数制间的转换； 了解常用的各种码制； 了解数字电路的分类；

2、逻辑函数及其化简（6学时）掌握布尔代数的运算规则；

掌握逻辑变量与逻辑函数的表示方法； 掌握逻辑函数的公式法化简法；

掌握卡诺图的绘制方法和用图解法化简逻辑函数；

3、集成逻辑门（6学时）

了解晶体管的开关特性；

了解TTL集成逻辑门的外部特性； 了解CMOS集成逻辑门的外部特性；

4、组合逻辑电路（8学时）掌握组合逻辑电路的分析方法；

掌握用逻辑门电路设计组合逻辑电路的方法； 掌握用中规模集成电路设计组合逻辑电路的方法； 了解组合逻辑电路的冒险现象；

5、触发器（8学时）

掌握各类触发器的特征方程和功能描述方法； 掌握基本触发器和钟控触发器的工作原理； 了解主从触发器和边沿触发器的工作原理；

6、时序逻辑电路（8学时）

掌握同步、异步时序逻辑电路的分析方法； 了解常用集成时序逻辑器件的使用方法；

掌握用小规模IC器件和中规模IC器件设计同步时序逻辑电路的方法； 了解异步时序逻辑电路的设计方法。

7、半导体存储器（2学时）

了解随机存取存储器和只读存储器的工作原理； 掌握随机存储器的扩展方法；

了解用只读存储器设计组合逻辑函数的方法；

8、可编程逻辑器件及其应用（2学时）

初步了解可编程逻辑阵列、通用阵列逻辑（GAL）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）、现场可编程门阵列（FPGA）的结构特点和工作原理

9、脉冲单元电路（2学时）了解自激多谐振荡器的工作原理； 了解单稳触发器的功能；

了解555时基电路的结构特点和应用；

10、模数转换器和数模转换器（4学时）了解数模转换器和模数转换器的基本原理； 了解常用数模转换器和模数转换器的特性

本课程的理论教学时数为48学时，2.5学分。

三、课程的其他教学环节

本课程安排有实验教学环节18学时，0.5学分。

四、参考教材

1、《数字电子技术》庞学民主编 清华大学出版社 2005年

2、《数字电路逻辑设计》王毓银主编 高等教育出版社 1999年

3、《电子技术基础》数字部分（第四版）康华光主编 高等教育出版社 2000年

4、《数字逻辑与数字系统》白中英、岳怡、郑岩编著 科学出版社 1998年

五、说明

本课程在教学方法上采用讲授理论与实验动手相结合的形式进行，以便学生更好的理解所学的理论知识。在理论教学过程中，要注重方法的讲解，以提高学生分析问题、解决问题的能力。

大纲执笔人：刘炜

大纲审定人：张广忠 2006年3月31日

第四篇：《数字电路与逻辑设计》考试大纲

《数字电路与逻辑设计》考试大纲

（一）基本要求

1.掌握二进制、八进制、十进制、十六进制及其转换方法，掌握常用编码及其表示十进制数的方法，掌握逻辑代数的逻辑运算、公式和规则，掌握逻辑函数及其表示方法，掌握逻辑函数的化简方法；

2.掌握TTL、CMOS逻辑门的逻辑功能、电气特性、应用和使用注意事项；

3.掌握组合逻辑电路的特点，掌握用传统方法分析和设计组合逻辑电路，重点掌握常见中规模组合逻辑器件（MSI）（译码器、数据选择器、运算电路）的逻辑功能和应用，了解组合逻辑电路中的冒险现象；

4.掌握触发器的分类和逻辑功能，重点掌握主从型、边沿型触发器的特点和应用；

5.掌握时序逻辑电路的特点，掌握时序逻辑电路的分析方法和设计方法，重点掌握常见中规模时序逻辑器件（MSI）（CT74160、CT74161、CT74163、CT7490、CT74194）的逻辑功能和用SSI、MSI器件构成任意模值计数分频器的方法；

6.熟悉半导体存储器（SAM、ROM、RAM）的结构特点、工作原理和扩展方法，掌握ROM、PROM阵列在组合逻辑设计中的应用；了解可编程逻辑阵列（PLA）实现组合和时序逻辑的方法；

7.掌握脉冲信号和脉冲电路的特点，掌握施密特触发器，单稳态触发器和多谐振荡器等脉冲电路的应用，掌握用555定时器构成的施密特触发器，单稳态触发器和多谐振荡器等脉冲电路的工作原理、波形分析及主要参数的估算。

（二）指定参考书：

《数字电路与逻辑设计》 邹虹主编 人民邮电出版社 2008

第五篇：《数字电路与逻辑设计》(网络)教学大纲

《脉冲与数字电路》教学大纲（计算机类）

一、课程性质、地位和作用

《脉冲与数字电路》是通信专业、电子工程专业的一门重要专业技术基础课，属核心必修课。本课程理论严谨、实践性和应用性强。其任务在于研究数字逻辑电路和脉冲电路的基本概念、基本理论和电路的分析与设计方法，为后续课程提供必要的理论基础，并为学生毕业后从事日新月异发展的数字电子科学技术提供一定的适应能力与基础。

二、课程教学对象、目的和要求

计算机类专业课程教学目的及要求：

（一）从内容上，应使学生牢固掌握各种进制数的相互转换；数字系统中常用的编码；逻辑代数的基本公式、定理及运算规则；逻辑函数的公式法和卡诺图法化简；中小规模组合逻辑电路、时序逻辑电路的分析与设计方法。了解常用集成逻辑器件、可编程逻辑器件、存储器及模数与数模转换器的功能及其应用等内容。

（二）从能力方面，应使学生在学习本课程理论知识的同时，重视和加强实践训练，注重应用能力的培养，使理论和实践紧密结合，在实践训练中逐步学会分析、查寻和排除故障的方法，培养正确选用集成器件进行逻辑设计和解决实际问题的能力。

（三）从教学方法上，着重基本概念的解释，引导学生正确应用所学知识，分析和解决实际问题。

三、相关课程及关系

本课程的先修课程包括“电路分析基础”、“电子线路”等，本课程的学习应在学生掌握一定电子电路知识的基础上进行。与此同时，本课程为后续的“单片机”、“EDA”、“微机接口技术”、“数字信号处理”等课程打下了必要的理论基础。

四、课程内容及学时分配（*表示不作主要要求）

总学时：56学时

（一）数制与编码：3学时

1、数的各种进制及相互转换

2、数子系统中的常用编码

—1—

3、二进制数的负数表示法（原码、反码、补码）

要求学生掌握：不同数制间的相互转换、常用编码及二进制数的负数表示法。

（二）逻辑代数基础：10学时

1、逻辑代数的基本公式和运算规则

2、逻辑函数及其表示方法

3、逻辑函数的公式化简法

4、逻辑函数的卡洛图化简法

要求学生理解：最小项和相邻项的意义；最大项与最小项关系及性质；任意项、约束项、无关项的概念。掌握：逻辑代数中的基本逻辑运算、基本定律、基本公式和用卡诺图。重点掌握：逻辑函数的公式法和卡洛图法化简。

（三）集成逻辑门：4学时

1、基本逻辑门电路

2、TTL集成逻辑门

3、*CMOS集成逻辑门

4、*TTL电路与CMOS电路的接口

要求学生了解：二极管、三极管的开关特性及分立元件门电路；各类集成逻辑门电路使用中应注意的问题。掌握：TTL集成逻辑门的逻辑功能、外特性及相关参数；CMOS集成门逻辑门的逻辑功能及特点。

（四）组合逻辑电路：10学时

1、组合逻辑电路分析（SSI、MSI）

2、组合逻辑电路设计（SSI、MSI）

3、常用集成组合逻辑器件

4、*组合电路的竞争冒险

要求学生了解：组合逻辑电路的竞争冒险产生的原因和消除的方法；掌握：组合逻辑电路分析（SSI、MSI）；常用集成组合逻辑器件的功能、应用及函数表达式；SSI设计组合逻辑电路的方法（输入端只允许有原变量，器件数最少（补充））。重点掌握：MSI设计组合逻辑电路的方法（比较法、扩展法、降维图法（补充））。

（五）集成触发器：：8学时

1、基本触发器（同步R-S、D、J-K、T、T）

—2—

2、主从触发器（R-S、J-K）

3、边沿触发器（R-S、D；J-K；传输门构成的边沿触发器）

4、不同类型触发器的相互转换

要求学生深刻理解：同步触发器的空翻现象；同步清零与异步清零；主从JK触发器的一次翻转现象；不同类型触发器的工作原理及各自的特点。牢固掌握：同步、主从、边沿触发器的逻辑功能、特性表、特性方程、状态图及时序波形的画法。

（六）时序逻辑电路：12学时

1、时序逻辑电路概述

2、时序逻辑电路分析（同步、异步）

3、同步时序逻辑电路设计

4、*异步时序逻辑电路设计

5、*序列信号发生器

要求学生深刻理解：数码寄存器、移位寄存器、加法计数器、减法计数器、移存型计数器的定义及工作原理。牢固掌握：同步、异步时序电路的特点、功能描述和分析方法；同步时序电路的设计，中规模集成器件实现任意模值计数（分频）器）。

（七）数模和模数转换器：4学时

1、D/A转换器

2、A/D转换器

要求学生了解：D/A、A／D转换器的电路结构、工作原理及性能指标。

（八）半导体存储器：4学时

1、顺序存取存贮器（SAM）

2、随机存取存储器（RAM）

3、只读存储器（ROM）

要求学生了解：各类存储器的电路结构和工作原理；用ROM 实现组合逻辑函数的方法。掌握：存储器容量的字扩展和位扩展方法。

（九）可编程逻辑器件：2学时

1、可编程逻辑器件（PAL）

2、通用阵列逻辑(GAL)

3、*现场可编程门阵列（FPGA）

—3—

4、*在系统可编程逻辑器件（ISP-PLD）

要求学生了解：可编程逻辑器件的基本结构和工作原理。

五、实践教学环节

《脉冲与数字电路》单独开设实验课，本大纲仅适用于理论课程。

六、作业（习题）要求

要求每章节结束后布置相应的作业，作业量以中等程度学生在二小时左右完成为宜。

七、考核

本科课程采用闭卷考试，内容包括教学大纲所列全部内容，以大纲所列重点为主。

八、教材与主要参考书

（一）推荐使用教材： 杨志忠主编

《数字电子技术基础》

高等教育出版社

（二）主要参考书目： 阎石主编

《数字电子技术基础》

高等教育出版社

王毓银编

《数字电路逻辑设计》

高等教育出版社 刘宝琴编

《数字电路与系统》

清华大学出版社

—4—