數(shù)字電路基礎(chǔ)與實驗實訓第1章數(shù)字邏輯電路基礎(chǔ)知識技能目標（1）掌握邏輯函數(shù)的表示方法及相互轉(zhuǎn)換（2）掌握利用公式法和卡諾圖法對邏輯函數(shù)進行化簡知識目標（1）了解數(shù)制與編碼（2）掌握邏輯代數(shù)的基本定律和基本運算規(guī)律（3）掌握邏輯函數(shù)的各種表達方式第1章數(shù)字邏輯電路基礎(chǔ)知識1.1數(shù)制與編碼

1.2邏輯代數(shù)基礎(chǔ)1.3邏輯函數(shù)及其表示方法1.4邏輯函數(shù)的化簡法目錄第1章數(shù)字邏輯電路基礎(chǔ)知識課前導讀案例一：計算機中的數(shù)據(jù)可以分為數(shù)值型數(shù)據(jù)與非數(shù)值型數(shù)據(jù)。其中數(shù)值型數(shù)據(jù)就是常說的“數(shù)”（如整數(shù)、實數(shù)等），它們在計算機中是以二進制形式存放的。而非數(shù)值型數(shù)據(jù)與一般的“數(shù)”不同，通常不表示數(shù)值的大小，而只表示字符或圖形等信息，但這些信息在計算機中也是以二進制形式來表示的。老子說，道生一，一生二，二生三，三生萬物，萬物負陰而抱陽，沖氣以為和。這段話所指的，就是《易經(jīng)》利用陰陽創(chuàng)造萬物的基本思想與過程?，F(xiàn)代計算機所應(yīng)用的，正符合宇宙創(chuàng)造萬物的陰陽原理?！兑捉?jīng)》八卦的生成，恰恰表達了上述的二進制原理。大約在1672-1676年間，德國著名的數(shù)學家和哲學家萊布尼茲研究了二進制算術(shù)。之后，他接觸到了中國《易經(jīng)》中的六十四卦圖，認為二進制數(shù)與六十四卦圖的符號是有聯(lián)系的，1703年，萊布尼茲在法國《皇家科學院紀錄》上發(fā)表標題為《關(guān)于僅用0與1兩個記號的二進制算術(shù)的說明并附有其效用及關(guān)于據(jù)此解釋古代中國伏羲圖的探討》的論文。課前導讀案例一：計算機中的數(shù)據(jù)可以分為數(shù)值型數(shù)據(jù)與非數(shù)值型數(shù)據(jù)。其中數(shù)值型數(shù)據(jù)就是常說的“數(shù)”（如整數(shù)、實數(shù)等），它們在計算機中是以二進制形式存放的。而非數(shù)值型數(shù)據(jù)與一般的“數(shù)”不同，通常不表示數(shù)值的大小，而只表示字符或圖形等信息，但這些信息在計算機中也是以二進制形式來表示的。老子說，道生一，一生二，二生三，三生萬物，萬物負陰而抱陽，沖氣以為和。這段話所指的，就是《易經(jīng)》利用陰陽創(chuàng)造萬物的基本思想與過程。現(xiàn)代計算機所應(yīng)用的，正符合宇宙創(chuàng)造萬物的陰陽原理?！兑捉?jīng)》八卦的生成，恰恰表達了上述的二進制原理。大約在1672-1676年間，德國著名的數(shù)學家和哲學家萊布尼茲研究了二進制算術(shù)。之后，他接觸到了中國《易經(jīng)》中的六十四卦圖，認為二進制數(shù)與六十四卦圖的符號是有聯(lián)系的，1703年，萊布尼茲在法國《皇家科學院紀錄》上發(fā)表標題為《關(guān)于僅用0與1兩個記號的二進制算術(shù)的說明并附有其效用及關(guān)于據(jù)此解釋古代中國伏羲圖的探討》的論文。課前導讀案例二：在客觀世界中，事物的發(fā)展變化通常都是有一定因果關(guān)系的。例如，電燈的亮、滅決定于電源是否接通，如果接通了，電燈就會亮，否則就滅。電源接通于否是因，電燈亮不亮是果。這種因果關(guān)系，一般稱為邏輯關(guān)系，反映和處理這種關(guān)系的數(shù)學工具，就是邏輯代數(shù)。邏輯代數(shù)，是英國數(shù)學家GeorgeBoole在19世紀中葉創(chuàng)立的，所以也叫做布爾代數(shù)。20世紀30年代，美國人ClaudeE.Shannon在開關(guān)電路中找到了它的途徑，并且很快就成為分析和設(shè)計開關(guān)電路的重要數(shù)學工具。計算機是一種能夠自動完成運算的電子裝置。其所以能夠自動完成運算，是因為它能夠存儲程序和原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果并采用二進制計算出最終結(jié)果。電子線路按處理信號不同可分為模擬電子線路數(shù)字電子線路----處理連續(xù)變化的模擬信號----處理離散信號（脈沖信號）第1章數(shù)字邏輯電路基礎(chǔ)知識1.1數(shù)制與編碼1.1.1數(shù)制1.基本概念r為該進制數(shù)基數(shù)為該進制數(shù)中第i位上的數(shù)碼為其第i位的位權(quán)表示該位的位值

1.1.1數(shù)制(1)十進制數(shù)（Decimalnumber）用后綴D表示或無后綴。(2)二進制數(shù)（Binarynumber）用后綴B表示。(3)八進制數(shù)（Octalnumber）用后綴O表示。(4)十六進制數(shù)（Hexadecimalnumber）用后綴H表示。在計算機系統(tǒng)中，二進制主要用于機器內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理。八進制和十六進制主要用于書寫程序。十進制主要用于運算最終結(jié)果的輸出。2.計算機中常用數(shù)制的表示1.1.2數(shù)在計算機中的表示方法1.數(shù)的符號表示法用數(shù)碼“0”表示正數(shù)的符號“＋”；用數(shù)碼“1”來表示負數(shù)的符號“－”。這種連正負號也數(shù)字化的數(shù)，稱為機器數(shù)，是計算機所能識別的數(shù)；而把這個數(shù)本身，即用“＋”、“－”號表示的數(shù)稱為真值。1.1.2數(shù)在計算機中的表示方法2．數(shù)的原碼、反碼及補碼①原碼

原碼是一種簡單的機器數(shù)表示法。其符號位用數(shù)碼0表示正號，用數(shù)碼1表示負號，數(shù)值部分按二進制書寫。【例1】

寫出數(shù)X=+1010的原碼。解：

X原=00001010【例2】

寫出數(shù)X=-1010的原碼。解：

X原=100010102．數(shù)的原碼、反碼及補碼②補碼

正數(shù)的補碼就是它本身；負數(shù)的補碼是取真值的絕對值，再按二進制逐位求反，最后加1，就成了負數(shù)的補碼。

【例3】寫出數(shù)X=+1010的補碼。解：X補=00001010【例4】寫出數(shù)X=－1010的補碼。解：X補=111101101.1.2數(shù)在計算機中的表示方法1.1.2數(shù)在計算機中的表示方法2．數(shù)的原碼、反碼及補碼③反碼正數(shù)的反碼就是它本身，數(shù)按二進制書寫即是。負數(shù)的補碼是取真值的絕對值，再按二進制逐位求反即可。

【例5】

寫出數(shù)X=+0011的反碼。解：X反=00000011【例6】

寫出數(shù)X=－0011的反碼。解：X反=111111001.1.2數(shù)在計算機中的表示方法3.定點數(shù)、浮點數(shù)表示法在計算機中根據(jù)數(shù)據(jù)中小數(shù)點的位置是固定不變的，還是浮動變化的，分有定點數(shù)和浮點數(shù)。定點數(shù)表示的都為純整數(shù)或都為純小數(shù)。浮點數(shù)表示的為任何數(shù).浮點數(shù)表示法m為浮點數(shù)的尾數(shù)，r為浮點數(shù)的基數(shù)，e為浮點數(shù)的階1.1.3計算機中的編碼用按一定規(guī)律排列的多位二進制數(shù)碼表示某種信息，稱為編碼。形成代碼的規(guī)律法則，稱為碼制。1.BCD碼（二到十進制編碼）2.字符編碼3.ASCⅡ碼4.漢字編碼1.2邏輯代數(shù)基礎(chǔ)1.2.1邏輯變量

邏輯是指事物的因果關(guān)系，或者說條件和結(jié)果的關(guān)系，這些因果關(guān)系可以用邏輯運算來表示，也就是用邏輯代數(shù)來描述。邏輯代數(shù)是按一定的邏輯關(guān)系進行運算的代數(shù)，是分析和設(shè)計數(shù)字電路的數(shù)學工具。事物往往存在兩種對立的狀態(tài)，在邏輯代數(shù)中可以抽象地表示為0和1，稱為邏輯0狀態(tài)和邏輯1狀態(tài)。邏輯代數(shù)中的變量稱為邏輯變量，用大寫字母表示。邏輯變量的取值只有兩種，即邏輯0和邏輯1，0和1稱為邏輯常量，并不表示數(shù)量的大小，而是表示兩種對立的邏輯狀態(tài)。1.2邏輯代數(shù)基礎(chǔ)1.2.1邏輯變量

邏輯是指事物的因果關(guān)系，或者說條件和結(jié)果的關(guān)系，這些因果關(guān)系可以用邏輯運算來表示，也就是用邏輯代數(shù)來描述。邏輯代數(shù)是按一定的邏輯關(guān)系進行運算的代數(shù)，是分析和設(shè)計數(shù)字電路的數(shù)學工具。事物往往存在兩種對立的狀態(tài)，在邏輯代數(shù)中可以抽象地表示為0和1，稱為邏輯0狀態(tài)和邏輯1狀態(tài)。邏輯代數(shù)中的變量稱為邏輯變量，用大寫字母表示。邏輯變量的取值只有兩種，即邏輯0和邏輯1，0和1稱為邏輯常量，并不表示數(shù)量的大小，而是表示兩種對立的邏輯狀態(tài)。1.2.2邏輯代數(shù)中的三種基本運算F＝A·B1.與輸入輸出ABF000010100111真值表與邏輯符號1.2.2邏輯代數(shù)中的三種基本運算F＝A+B2.或真值表或邏輯符號輸入輸出ABF0000111011111.2.2邏輯代數(shù)中的三種基本運算2.非真值表非邏輯符號輸入輸出AF01101.2.3復合邏輯運算1.與非運算真值表與非邏輯符號ABF0010111011101.2.3復合邏輯運算2.或非運算真值表或非邏輯符號ABF0010101001101.2.3復合邏輯運算3.異或運算真值表異或邏輯符號ABF0010101001111.2.3復合邏輯運算4.同或運算真值表異或邏輯符號ABF0000111011101.2.4基本公式和定律1.常量之間的關(guān)系與運算或運算非運算0·0＝00·1＝01·0＝01·1＝10＋0＝00＋1＝11＋0＝11＋1＝11.2.4基本公式和定律2．基本公式0-1律互補律等冪律雙重否定律交換律結(jié)合律分配律反演律（摩根定律）1.2.4基本公式和定律用窮舉法證明公式【例7】

證明：證：對A、B兩個邏輯變量，其所有可能的取值為00、01、10、11四種。

AB結(jié)論0001111010110110010111110000由此可知：用上述方法同樣可以證明：

成立。1.2.5若干常用公式1.2.5若干常用公式1．

證明：左邊＝＝右邊證明：左邊＝＝右邊2．

1.2.6邏輯代數(shù)的三個規(guī)則

1.代入規(guī)則在任何一個邏輯等式中，如將等式兩邊所有出現(xiàn)某一變量的地方都用同一函數(shù)式替代，則等式仍然成立。例如：已知如用來代替等式中的Ｂ，則等式仍成立。1.2.6邏輯代數(shù)的三個規(guī)則

2.對偶規(guī)則

將某一邏輯表達式Y(jié)中的“·”換成“+”、“+”換成“·”；“0”換成“1”，“1”換成“0”，就得到一個新的表達式。這個新的表達式就是原表達式Y(jié)的對偶式。如果兩個邏輯式相等，則它們的對偶式也相等。這就是對偶規(guī)則。例如，已知則

1.2.6邏輯代數(shù)的三個規(guī)則

3.反演規(guī)則如將某一邏輯式Y(jié)中的“·”換成“+”、“+”換成“·”；“0”換成“1”，“1”換成“0”；原變量換成反變量，反變量換成原變量，則所得到的邏輯表達式稱為原式的反演式。這種變換方法稱為反演規(guī)則。利用反演規(guī)則可以比較容易地求出一個函數(shù)的反函數(shù)。

【例8】

求函數(shù)的反函數(shù)?！纠?】

己知函數(shù)求反函數(shù)。

解：運用反演規(guī)則，可直接求出：解：利用反演規(guī)則可得：1.3邏輯函數(shù)及其表示方法

1.3.1邏輯函數(shù)Y=F（A，B，C，…）1.3邏輯函數(shù)及其表示方法

1.3.2邏輯函數(shù)的表示方法2.邏輯函數(shù)式

把輸出與輸入之間的邏輯函數(shù)關(guān)系寫成與、或、非等運算的組合式，就得到了所需的邏輯函數(shù)式。

如Y=A（B+C）1.3邏輯函數(shù)及其表示方法

3.邏輯圖將邏輯函數(shù)中個變量之間的與、或、非等邏輯關(guān)系用圖形符號表示出來，就可以畫出表示函數(shù)關(guān)系的邏輯圖。【例10】

畫出邏輯函數(shù)的邏輯圖。解：

B和C之間是或運算關(guān)系，可用或運算符號表示；A和(B+C)之間是與運算關(guān)系，可用與運算符號表示。A、B、C是輸入變量，Y是輸出函數(shù)。畫出的邏輯圖如圖1-8所示。圖1-8【例1.3.2】邏輯圖1.3.3邏輯函數(shù)表示方法的相互轉(zhuǎn)換1.從真值表到邏輯函數(shù)式（1）找出真值表中使邏輯函數(shù)Y=1的那些輸入變量取值的組合。（2）每組輸入變量取值的組合對應(yīng)一個邏輯乘積項，其中取值為1的寫入原變量，取值為0的寫入反變量。（3）將這些邏輯乘積項相加，即得Y的邏輯表達式。1.3.3邏輯函數(shù)表示方法的相互轉(zhuǎn)換1.從真值表到邏輯函數(shù)式【例11】已知一個奇偶判別函數(shù)的真值表如表1-12所示，試寫出它的邏輯函數(shù)。解：（1）由真值表可見，只有當A、B、C三個輸入變量中兩個同時為1時，Y才為1。因此，在輸入變量取值為A=0、B=1、C=1；A=1、B=0、C=1；A=1、B=1、C=0三種情況時，Y等于1。（2）而當A=0、B=1、C=1時，必然使乘積；當A=1、B=0、C=1時，必然使乘積項；當A=1、B=1、C=0時，必然使。（3）Y的邏輯函數(shù)應(yīng)當?shù)扔谶@三個乘積項之和，即ABCY000000100100011110001011110111101.3.3邏輯函數(shù)表示方法的相互轉(zhuǎn)換

2.從邏輯式列出從真值表【例12】

已知邏輯函數(shù)，求它對應(yīng)的真值表。解：將A、B、C的各種取值逐一代入Y式中計算，將計算結(jié)果列表，即得真值表。ABCY0000000011010100110110001000011011011100011110011.3.3邏輯函數(shù)表示方法的相互轉(zhuǎn)換

3.從邏輯式畫出邏輯圖

用圖形符號代替邏輯式中的運算符號，并依據(jù)運算優(yōu)先順序把這些圖形符號連接起來，就可以畫出邏輯圖?！纠?3】

已知函數(shù)，畫出對應(yīng)的邏輯圖。解：變量A、B為輸入變量，變量L為輸出變量，可用兩個非門、兩個與門和一個或門組成。邏輯圖如圖1-10所示。圖1-10【例1.3.5】邏輯圖1.3.3邏輯函數(shù)表示方法的相互轉(zhuǎn)換

4.從邏輯圖寫出邏輯式從輸入端到輸出端逐級寫出每個圖形符號對應(yīng)的邏輯式可以得到對應(yīng)的邏輯函數(shù)式。【例14】

寫出如圖1-11所示邏輯圖的函數(shù)表達式。

1.4邏輯函數(shù)的化簡法1.4.1最小項在n變量邏輯函數(shù)中，若m為包含n個變量因子的邏輯乘積項，而且n個變量均以原變量或反變量的形式在m中出現(xiàn)一次，則稱m為該組變量的最小項。

最小項具有以下性質(zhì)：（1）在輸入變量的任何一取值下必有一個最小項，而且僅有一個最小項的值為1。（2）任意兩個最小項的乘積為0。（3）全體最小項之和為1。（4）具有相鄰性的兩個最小項之和可以合并為一項并消去一個因子。（5）n個變量的最小項數(shù)目為。

最小項使最小項為1的變量取值對應(yīng)十進制數(shù)編號ABC00000011010201131004101511061117三變量邏輯函數(shù)有8個最小項1.4邏輯函數(shù)的化簡法1.4.2邏輯函數(shù)的公式化簡法【例15】

利用公式將下列函數(shù)化為最簡與或表達式。

1.4邏輯函數(shù)的化簡法1.4.2邏輯函數(shù)的公式化簡法【例16】

利用公式將下列函數(shù)化為最簡與或表達式。

1.4邏輯函數(shù)的化簡法1.4.2邏輯函數(shù)的公式化簡法1.并項法：運用公式

【例17】

試用并項法化簡下列邏輯函數(shù)。1.4邏輯函數(shù)的化簡法1.4.2邏輯函數(shù)的公式化簡法2.吸收法：運用公式

【例18】

試用吸收法化簡下列邏輯函數(shù)。1.4邏輯函數(shù)的化簡法1.4.2邏輯函數(shù)的公式化簡法2.吸收法：運用公式

【例19】

試用吸收法化簡下列邏輯函數(shù)。1.4邏輯函數(shù)的化簡法1.4.2邏輯函數(shù)的公式化簡法3.消項法：運用公式

【例20】

試用消項法化簡下列邏輯函數(shù)。1.4邏輯函數(shù)的化簡法1.4.2邏輯函數(shù)的公式化簡法4.消因子法：運用公式

【例21】

試用消項法化簡下列邏輯函數(shù)。1.4邏輯函數(shù)的化簡法1.4.2邏輯函數(shù)的公式化簡法5.配項法：運用公式

【例22】

試用消項法化簡下列邏輯函數(shù)。在化簡復雜的邏輯函數(shù)時，往往需要靈活、交替地綜合運用上述方法。【例1.4.7】

1.4邏輯函數(shù)的化簡法1.4.3邏輯函數(shù)的卡諾圖化簡法(1)二變量卡諾圖(2)三變量卡諾圖(3)四變量卡諾圖1.4邏輯函數(shù)的化簡法1.4.3邏輯函數(shù)的卡諾圖化簡法2.用卡諾圖表示邏輯函數(shù)

（1）卡諾圖中，每一小方格代表了一個最小項，變量取值為1的代表原變量，為0的代表反變量。（2）對任何一個最小項邏輯函數(shù)表達式，可將其所具有的最小項在卡諾圖中相應(yīng)的方格中填1。（3）一般與或表達式可直接填寫在卡諾圖中?！纠?3】

將邏輯函數(shù)式用卡諾圖表示。1.4邏輯函數(shù)的化簡法1.4.3邏輯函數(shù)的卡諾圖化簡法2.用卡諾圖表示邏輯函數(shù)

【例24】

將邏輯函數(shù)式用卡諾圖表示。解：如表達式不是最小項表達式，但是“與—或表達式”，可將其先化成最小項表達式，再填入卡諾圖。;1.4.3邏輯函數(shù)的卡諾圖化簡法3.利用卡諾圖化簡邏輯函數(shù)（1）合并最小項的規(guī)則在卡諾圖中，凡緊鄰的小方格或與軸線對稱的小方格都叫做邏輯相鄰，它們之間只有一個變量不同，可圈在一起，利用公式：①

兩個相鄰的小方格可以合并成一個乘積項，消去一個變量。②四個相鄰的小方格可合并為一個乘積項，消去二個變量。③八個相鄰小方格可合并為一個乘積項，消去三個變量。圖1-19八個最小項合并

進行合并。1.4.3邏輯函數(shù)的卡諾圖化簡法3.利用卡諾圖化簡邏輯函數(shù)（2）卡諾圖化簡法的最簡步驟圖1-19八個最小項合并

①將邏輯表達式轉(zhuǎn)換成最小項表達式，填寫對應(yīng)小方格。②將相鄰的③所畫圈必須包含一個新的最小項，否則得到的是多余項。④根據(jù)所畫的圈寫出對應(yīng)乘積項，再將其邏輯相加，得到最簡表達式。

個為1的小方格圈在一起，應(yīng)盡可能圈進多的小方格。【例25】

用卡諾圖化簡法將下式化簡為最簡與或函數(shù)式?！纠?6】用卡諾圖化簡法將下式化簡為最簡與或函數(shù)式。解：

解：1.4.4具有無關(guān)項的邏輯函數(shù)化簡3.利用卡諾圖化簡邏輯函數(shù)由于邏輯變量的取值受到限制（約束），使得某些最小項（及其和）永遠等于0，那些恒等于0的最小項就是無關(guān)項。圖1-19八個最小項合并

在卡諾圖中無關(guān)項用x表示。如對化簡邏輯函數(shù)有用，對組成更大的相鄰矩形組有用，可將他們吸收進去反之棄之?！纠?7】

將下列函數(shù)化為最簡與或函數(shù)式。約束條件AB+CD=0【例28】

將下列函數(shù)化為最簡與或函數(shù)式。約束條件解：解：數(shù)字電路基礎(chǔ)與實驗實訓第2章邏輯門電路

技能目標（1）了解二極管和三極管的作用（2）了解基本邏輯門電路的構(gòu)成（3）掌握半導體二極管和三極管的開關(guān)作用知識目標（1）熟悉半導體的基本知識（2）了解二極管和三極管的特性第2章邏輯門電路

2.1晶體二極管 2.2晶體三極管2.3場效應(yīng)管目錄第2章邏輯門電路

2.4半導體二極管和三極管的開關(guān)特性2.5邏輯門電路課前導讀

2007年12月《計算機世界》報刊提到，現(xiàn)代發(fā)明不要光想著是空調(diào)、電視、計算機或因特網(wǎng)，一些研究和分析人員認為，20世紀最重大的發(fā)明是晶體管。圖2-1北京通信博物館展覽的電子管電臺案例一：在20世紀30年代，從事電話業(yè)務(wù)的企業(yè)就希望能有一種電子器件，它具有電子管的電信號放大功能但卻沒有電子管的燈絲，因為加熱燈絲不僅消耗能量而且加熱需要時間，這就延長了工作時的啟動過程；再加上燈絲有一定的壽命，連續(xù)使用一年半載就要更換；此外，燈絲發(fā)出的熱量有時還需要排除。這些缺點給電子管設(shè)備的設(shè)計者、使用者、維修者帶來很多不便。對此，軍事部門需要解決的迫切性更為強烈。課前導讀案例二：

20世紀30年代，美國貝爾實驗室主任Kelly根據(jù)半導體在光照下能產(chǎn)生電流，以及它和金屬接觸能起到整流和檢波的作用的現(xiàn)象，認為半導體有希望取代電子管。1947年，貝爾實驗室的肖克利（WilliamShockely）、巴?。↗ohnBardeen）和布拉頓(WalterBrattain)組成的研究小組，研制出一種點接觸型的鍺晶體管，如圖2-2所示。1956年，肖克利、巴丁、布拉頓三人，因發(fā)明晶體管同時榮獲諾貝爾物理學獎。圖2-2世界上第一個晶體管課前導讀案例二：

晶體管的問世，是20世紀的一項重大發(fā)明，是微電子革命的先聲。晶體管出現(xiàn)后，人們就能用一個小巧的、消耗功率低的電子器件，來代替體積大、功率消耗大的電子管了。晶體管的發(fā)明又為后來集成電路的降生吹響了號角。由圖2-3的電子管、晶體管與集成電路芯片比較看出晶體管的體積比電子管的體積大大的減小了。圖2-2世界上第一個晶體管晶體管的低成本、靈活性和可靠性使得其成為非機械任務(wù)的通用器件，例如數(shù)字計算。在控制電器和機械方面，晶體管電路也正在取代電機設(shè)備，因為它通常是更便宜、更有效的。2.1晶體二極管2.1.1半導體基本知識1.半導體材料半導體是指導電能力介于導體和絕緣體之間的一種物質(zhì)?，F(xiàn)代電子器件多數(shù)是由半導體材料制成的。常用半導體材料有元素半導體，如硅（Si）、鍺（Ge）等；化合物半導體，如砷化鎵（GaAs）；摻雜材料，如硼（B）、磷（P）、銦（In）、銻（Sb）等。半導體除了在導電能力上不同于導體和絕緣體外，它最主要的特性是當半導體受到外界光和熱的刺激以及在純凈半導體中加入微量雜質(zhì)時，其導電能力會發(fā)生顯著的變化。2.1.1半導體基本知識簡化原子模型

半導體的共價鍵結(jié)構(gòu)2.半導體的共價鍵結(jié)構(gòu)2.1.2半導體的導電作用

1.本征半導體完全不含雜質(zhì)且無晶格缺陷的純凈半導體稱為本征半導體。實際半導體不可能絕對地純凈，本征半導體一般是指導電主要由材料的本征激發(fā)決定的純凈半導體。如：硅和鍺本征半導體相鄰原子間存在穩(wěn)固的共價鍵，導電能力并不強。在本征半導體中摻入微量雜質(zhì)后，其導電能力就可增加幾十萬乃至幾百萬倍。半導體結(jié)構(gòu)中，價電子不像在絕緣體中那樣被束縛得很緊，在獲得一定能量后，即可擺脫原子核的束縛，成為自由電子。當電子掙脫共價鍵的束縛成為自由電子后，就同時在原來的共價鍵的相應(yīng)位置留下一個空位，這個空位稱為空穴?？昭ǖ某霈F(xiàn)是半導體區(qū)別于導體的一個重要特點。顯然自由電子和空穴是成對出現(xiàn)的，所以又稱電子空穴對。在外電場的作用下，半導體中將出現(xiàn)兩部分電流：一是自由電子做定向運動形成的電子電流，一是仍被原子核束縛的價電子（不是自由電子）遞補空穴形成的空穴電流。溫度對半導體器件性能的影響很大。2.1.2半導體的導電作用

2.雜質(zhì)半導體在本征半導體中摻入微量雜質(zhì)，電阻率就大大降低。這是因為加進雜質(zhì)后，空穴和電子的數(shù)目會大大增加。就會使半導體的導電能力發(fā)生顯著改變。根據(jù)摻入的雜質(zhì)的化合價不同，雜質(zhì)半導體分為N型和P型兩大類。（1）N型半導體鍺晶體中摻入少量的砷雜質(zhì)就會產(chǎn)生大量的剩余電子，所以稱這種半導體為電子型半導體或N型半導體。在這種半導體中電子是多數(shù)載流子，而空穴是少數(shù)載流子。（2）P型半導體在鍺晶體中摻入少量的雜質(zhì)銦，就會出現(xiàn)很多空穴；雜質(zhì)半導體中空穴和電子數(shù)目不相等，在電場作用下，空穴導電是主要的，所以叫空穴型半導體或者說是P型半導體。P型或空穴型半導體內(nèi)空穴是多數(shù)，所以稱空穴為多數(shù)載流子；電子數(shù)目少，就叫少數(shù)裁流子。2.1.3PN結(jié)和二極管(1)載流子的濃度差產(chǎn)生的多子的擴散運動(2)電子和空穴的復合形成了空間電荷區(qū)(3)空間電荷區(qū)產(chǎn)生的內(nèi)電場E又阻止多子的擴散運動1.PN結(jié)的形成2.1.3PN結(jié)和二極管2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

(1)外加正向電壓：當正向電壓大于死區(qū)電壓以后，PN結(jié)內(nèi)電場被克服，二極管導通。(2)外加反向電壓：反向電流很小，二極管處于截止狀態(tài)。2.1.3PN結(jié)和二極管3.PN結(jié)的反向擊穿當PN結(jié)所加反向電壓大到一定數(shù)值時，PN結(jié)電阻會突然變得很小，反向電流會驟然增大，而且是無限地增大。這種現(xiàn)象叫PN結(jié)的反向擊穿。開始擊穿時的電壓數(shù)值叫反向擊穿電壓。它直接限制了PN結(jié)用做整流和檢波時的工作電壓。2.1.3PN結(jié)和二極管4.二極管的結(jié)構(gòu)半導體二極管按其結(jié)構(gòu)的不同可分為點接觸型和面接觸型兩類。2.1.3PN結(jié)和二極管5.二極管的V-I特性(1)正向特性①段。當正向電壓較小時，正向電流幾乎為零，此工作區(qū)域稱為死區(qū)。Vth稱為門坎電壓或死區(qū)電壓（該電壓硅管約為0.5V，鍺管為0.2V）。當正向電壓大于Vth時，內(nèi)電場削弱，電流因而迅速增長，呈現(xiàn)很小的正向電阻。(2)反向特性②段。由于是少數(shù)載流子形成反向飽和電流，所以其數(shù)值很小，當溫度升高時，反向電流將隨之急劇增加。(3)反向擊穿特性③段，當反向電壓增加到一定大小時，反向電流劇增，二極管反向擊穿。其原因和PN結(jié)擊穿相同。2.1.4穩(wěn)壓二極管2.1.4穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管(又叫齊納二極管)，是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導體器件。在這臨界擊穿點上，反向電阻降低到一個很小的數(shù)值，在這個低阻區(qū)中電流增加而電壓則保持恒定。穩(wěn)壓二極管是根據(jù)擊穿電壓來分檔的，因為這種特性，穩(wěn)壓管主要被作為穩(wěn)壓器或電壓基準元件使用。1.穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓Vz2.穩(wěn)定電流IZ、最小穩(wěn)定電流IZmin、最大穩(wěn)定電流IZmax2.1.5發(fā)光二極管（LED）在某些半導體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管（light-emittingdiode），簡稱LED。發(fā)光二極管在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。發(fā)光二極管通常由鎵（Ga）與砷（AS）、磷（P）的化合物制成的，當它處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），半導體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關(guān)。磷砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光。2.2晶體三極管2.2.1三極管的結(jié)構(gòu)與符號2.2晶體三極管2.2.1三極管的結(jié)構(gòu)與符號根據(jù)三極管工作頻率的不同，還可將三極管分為低頻管和高頻管；根據(jù)三極管消耗功率的不同，可將三極管分為小功率管、中功率管和大功率管等。2.2.2三極管的放大作用以共射接法的三極管放大電路為例。由于發(fā)射結(jié)電壓增加了ui（由uBE變成uBE+ui）引起基極電流增加了ΔiB，集電極電流隨之增加了ΔiC，ΔiC=βΔiB，它在RC形成輸出電壓uo=ΔiCRC=βΔiBRC。只要RC取值較大，便有uo>>ui，實現(xiàn)放大。2.2.3三極管的特性曲線1.輸入特性曲線2.輸出特性曲線2.3場效應(yīng)管2.3.1N溝道增強型MOS管2.3場效應(yīng)管2.3.2N溝道耗盡型MOS管2.4半導體二極管和三極管的開關(guān)特性

2.4.1二極管開關(guān)特性在數(shù)字電路中，利用二極管單向?qū)щ娦?，實現(xiàn)一個受外加電壓極性控制的開關(guān)，從而獲得高、低電平。二極管D的正向電阻為0，反向電阻為∞，為便于分析，二極管的導通電壓（硅管0.7V，鍺管0.3V）忽略不計。則當時，D截止，時，D導通2.4.2雙極性三極管開關(guān)特性晶體三極管工作于截止區(qū)時，內(nèi)阻很大，相當于開關(guān)斷開狀態(tài)。工作于飽和區(qū)時，內(nèi)阻很低，相當于開關(guān)接通狀態(tài)。2.4.3MOS管的開關(guān)特性2.5邏輯門電路

電路通常只有兩種移態(tài)：導通與阻塞、飽和與截止、高電位與低電位等。具有兩種移態(tài)的電路稱為二值電路。用二值電路來計數(shù)時，只能代表兩個數(shù)碼：0和1，如以1代表高電位，則0代表低電位。邏輯門電路是數(shù)字電路中最基本的邏輯元件。所謂門就是一種開關(guān)，它能按照一定的條件去控制信號的通過或不通過，邏輯門電路的輸入和輸出之間存在一定的邏輯關(guān)系(因果關(guān)系)。這種實現(xiàn)基本和常用邏輯運算的電子電路，稱為邏輯門電路，簡稱為門電路。2.5.1基本邏輯門電路1．二極管與門電路設(shè)A、B輸入端的高、低電平分別為ViH=3V，ViL=0V，二極管的正向?qū)▔航礦F=0.7V,由圖可知，A、B中只要有一個是低電平0V，則必有一個二極管導通，使F為0.7V。只有A、B中全是高電平3V，F(xiàn)才為3.7V。規(guī)定3V以上為高電平，用邏輯1表示；0.7V以下為低電平，用邏輯0表示，則將表2-1轉(zhuǎn)換為表2-2的真值表。F和A、B是邏輯與關(guān)系：F=A·B。2.5.1基本邏輯門電路2．二極管或門電路設(shè)A、B輸入端的高、低電平分別為ViH=5V，ViL=0V，二極管的正向?qū)▔航礦F=0.7V,由圖可知，A、B中只要有一個是高電平5V，則必有一個二極管導通，使F為4.3V。只有A、B中全是低電平0V，F(xiàn)才為0V。規(guī)定2.3V以上為高電平，用邏輯1表示；0.7V以下為低電平，用邏輯0表示，則將表2-3轉(zhuǎn)換為表2-4。F和A、B是邏輯或關(guān)系：F=A+B。2.5.1基本邏輯門電路3．三極管非門電路輸出與輸入的電平之間是反相關(guān)系。將輸入與輸出的邏輯電平關(guān)系列表，如表2-5示。高低電平是一個電壓范圍而不是一個值，如果規(guī)定2.3V以上為高電平，用邏輯1表示；0.7V以下為低電平，用邏輯0表示，則可以將表2-5轉(zhuǎn)換為表2-6。F和A是邏輯非關(guān)系：。2.5.2常用的邏輯電平常用的電平標準有TTL、CMOS、LVTTL、ECL、PECL、GTL；RS232、RS422、LVDS等。其中TTL和CMOS的邏輯電平按典型電壓可分為四類：5V系列、3.3V系列，2.5V系列和1.8V系列。5VTTL和5VCMOS邏輯電平是通用的邏輯電平。（1）5VCMOS、HC、AHC、AC中，VOH≥4.45V；VOL≤0.5V；VIH≥3.5V；VIL≤1.5V。（2）5VTTL、ABT、AHCT、HCT、ACT中，VOH≥2.4V；VOL≤0.5V；VIH≥2V；VIL≤0.8V。（3）3.3VLVTTL、LVT、LVC、ALVC、LV、ALVT中，VOH≥2.4V；VOL≤0.4V；VIH≥2V；VIL≤0.8V。（4）2.5VCMOS、ALVC、LV、ALVT中，VOH≥2.0V；VOL≤0.2V；VIH≥1.7V；VIL≤0.7V。其它電平標準在使用時可查看芯片手冊。2.5.3TTL門電路TTL門電路是一種單片集成電路，由于這種集成電路的輸入端和輸出端電路結(jié)構(gòu)形式都采用了晶體三極管，所以一般稱為晶體管－晶體管邏輯電路（Transistor-TransistorLogic），簡稱TTL電路。1．TTL反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理TTL非門輸入端輸入低電平，輸出即為高電平；輸入端輸入高電平，輸出為低電平，實現(xiàn)了非邏輯功能，。

2.5.3TTL門電路2．電壓傳輸特性

（1）TTL反相器的電壓傳輸特性VO=f（VI）（2）關(guān)門電壓VOFF（3）開門電壓VON2.5.3TTL門電路3.輸入端噪聲容限TTL門電路的輸出高低電平不是一個值，而是一個范圍。同樣，它的輸入高低電平也有一個范圍，即它的輸入信號允許一定的容差，稱為噪聲容限。低電平噪聲容限VNL是指在保證輸出高電平的前提下，允許疊加在關(guān)門電平VOFF上的最大正向干擾電壓。高電平噪聲容限VNH是指在保證輸出低電平的前提下，允許疊加在開門電平上的最大負向干擾電壓。2.5.3TTL門電路4.TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性（1）輸入特性輸入特性分為輸入電壓－電流特性和輸入負載特性。2.5.3TTL門電路4.TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性（2）輸出特性①低電平輸出特性(灌電流)TTL門電路輸出為低電平時，負載電流灌入TTL門電路輸出端，稱為灌電流。允許帶相同負載最大個數(shù)（（為所帶負載門輸入電流）

2.5.3TTL門電路4.TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性（2）輸出特性②高電平輸出特性（拉電流）TTL門電路輸出為高電平時，負載電流流出TTL門電路輸出端，稱為拉電流。允許帶相同負載最大個數(shù)（為所帶負載門電流)。2.5.3TTL門電路4.TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性因為

，所以在計算門電路帶負載能力時按最差情況考慮，即一個門能驅(qū)動同類型門的個數(shù)，NO稱為門電路的扇出系數(shù)。【例1】如圖2-34電路，已知門電路GP參數(shù)為：IOH/IOS=1.0mA/-20mA，IiH/IiL=50μA/-1.43mA，試求門GP的扇出系數(shù)N是多少？解：對門GP輸出的高、低電平情況分別進行討論:門GP輸出為低電平時，設(shè)可帶門數(shù)為NL：門P輸出的高電平時，設(shè)可帶門數(shù)為NH：一般取NOH和NOL的最小值作為扇出系數(shù)，門GP的扇出系數(shù)N=14

2.5.3TTL門電路5.TTL反相器的動態(tài)特性在TTL門電路中，由于晶體管的開關(guān)特性和晶體管的結(jié)電容和輸入、輸出端的寄生電容使輸出波形發(fā)生了畸變和延遲。傳輸時間的計算一般是由輸入波形上升沿的50%幅值處到輸出波形下降沿50%幅值處所需要的時間，稱為導通延遲時間tPHL；從輸入波形下降沿50%幅值處到輸出波形上升沿50%幅值處所需要的時間，稱為截止延遲時間tPLH。通常tPLH＞tPHL，兩者的平均值稱為平均傳輸延遲時間tpd，即

tpd越小，電路的開關(guān)速度越高。一般TTL與非門的tpd=10ns～40ns。數(shù)字電路基礎(chǔ)與實驗實訓第3章組合邏輯電路

技能目標（1）掌握組合邏輯電路的分析方法。（2）掌握組合邏輯電路的設(shè)計方法。（3）掌握常見組合邏輯器件的功能分析方法。知識目標了解常用的組合邏輯部件的工作原理和電路結(jié)構(gòu)。第3章組合邏輯電路3.1組合邏輯電路的分析與設(shè)計3.2常見組合邏輯電路目錄第3章組合邏輯電路課前導讀

1947年12月16日，晶體管在貝爾實驗室誕生，此后引發(fā)了一系列的變革與發(fā)展，改變了人們聽音樂，做工作，付賬單，自我充電（educatethemselves），購物等等各種生活方式。運行于筆記本電腦，桌面電腦，服務(wù)器里的芯片使個人電腦和互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為了一種潮流；裝在起搏器中的晶體管可以維持心臟病人的心跳；汽車，移動電話甚至更小的設(shè)備中有集成芯片在運行，可植入的追蹤系統(tǒng)設(shè)備（LoJack-likedevices）可以找到走失的寵物。課前導讀第一塊晶體管的誕生使人類步入了飛速發(fā)展的電子時代，那個時代的工程師們因為晶體管發(fā)明而備受鼓舞，開始嘗試設(shè)計高速計算機，但是問題還沒有完全解決。由晶體管組裝的電子設(shè)備還是太笨重了，工程師們設(shè)計的電路需要幾英里長的線路還有上百萬個的焊點組成，建造它的難度可想而知。針對這一情況，美國德州儀器公司的杰克·基爾比(JackKilb)提出了一個大膽的設(shè)想：“能不能將電阻、電容、晶體管等電子元器件都安置在一個半導體單片上？”這樣整個電路的體積將會大大縮小。圖3-1世界上第一塊集成電路1958年9月12日，基爾比研制出世界上第一塊集成電路，成功地實現(xiàn)了把電子器件集成在一塊半導體材料上的構(gòu)想。集成電路取代了晶體管，為開發(fā)電子產(chǎn)品的各種功能鋪平了道路，并且大幅度降低了成本，使微處理器的出現(xiàn)成為了可能，2000年基爾比因為發(fā)明集成電路而獲得諾貝爾物理學獎。課前導讀案例二：

在20世紀50年代，在基爾比研制出第一塊可使用的集成電路后，諾伊斯提出了一種“半導體設(shè)備與鉛結(jié)構(gòu)”模型。1960年，仙童公司制造出第一塊可以實際使用的單片集成電路。諾伊斯的方案最終成為集成電路大規(guī)模生產(chǎn)中的實用技術(shù)?；鶢柋群椭Z伊斯都被授予“美國國家科學獎?wù)隆薄Ｋ麄儽还J為集成電路共同發(fā)明者。圖3-2半導體設(shè)備與鉛結(jié)構(gòu)模型課前導讀案例二：

1959年7月，諾伊斯研究出一種二氧化硅的擴散技術(shù)和PN結(jié)的隔離技術(shù)，并創(chuàng)造性地在氧化膜上制作出鋁條連線，使元件和導線合成一體，從而為半導體集成電路的平面制作工藝、為工業(yè)大批量生產(chǎn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。與基爾比在鍺晶片上研制集成電路不同，諾伊斯把眼光直接盯住硅－地球上含量最豐富之一的元素，商業(yè)化價值更大，成本更低。自此大量的半導體器件被制造并商用，風險投資開始出現(xiàn)，半導體初創(chuàng)公司涌現(xiàn)，更多功能更強、結(jié)構(gòu)更復雜的集成電路被發(fā)明，半導體產(chǎn)業(yè)由“發(fā)明時代”進入了“商用時代”。由集成電路制成的電子儀器從此大行其道，到二十世紀60年代末期，接近九成的電子儀器是以集成電路制成。時至今日，每一枚計算機芯片中都含有過百萬顆晶體管。第3章組合邏輯電路數(shù)字電路根據(jù)邏輯功能的不同特點，可分為組合邏輯電路和時序邏輯電路兩大類。組合邏輯電路的特點是：任一時刻的輸出狀態(tài)只取決于該時刻輸入信號的狀態(tài)，而與電路原來的狀態(tài)無關(guān)。組合邏輯電路是多輸入、多輸出電路。3.1組合邏輯電路的分析與設(shè)計第3章組合邏輯電路3.1.1組合邏輯電路的分析3.1組合邏輯電路的分析與設(shè)計組合邏輯電路的分析步驟：（1）由給定的邏輯圖得出邏輯函數(shù)表達式，并化簡。（2）工具最簡邏輯表達式列出真值表。（3）根據(jù)真值表分析電路的邏輯功能。第3章組合邏輯電路3.1.1組合邏輯電路的分析3.1組合邏輯電路的分析與設(shè)計【例1】分析如圖3-5所示電路的邏輯功能。解：（1）由邏輯圖逐級寫出輸出函數(shù)的邏輯表達式。（2）由邏輯表達式列出真值表ABF000011101110（3）分析邏輯功能。當A、B二個變量不一致時，輸出為“1”，所以這個電路為“異或”邏輯電路，可用來判斷兩信號是否一致。第3章組合邏輯電路3.1.1組合邏輯電路的分析3.1組合邏輯電路的分析與設(shè)計【例2】分析如圖3-6所示電路的邏輯功能。解：（1）由邏輯圖逐級寫出輸出函數(shù)的邏輯表達式。（2）由邏輯表達式列出真值表（3）分析邏輯功能。當A、B、C三個變量一致時，輸出為“1”，所以這個電路稱為“判一致電路”。ABCF000100100100011010001010110011113.1組合邏輯電路的分析與設(shè)計3.1.2組合邏輯電路的設(shè)計（1）進行邏輯抽象。根據(jù)邏輯功能要求，確定邏輯變量，并對變量賦值。（2）根據(jù)輸入輸出要求列出真值表。（3）根據(jù)真值表寫出邏輯函數(shù)表達式，進行化簡或變換。為獲得最簡單的設(shè)計結(jié)果，最好將函數(shù)表達式化成最簡形式（即函數(shù)式中相加的乘積項最少，而且每個乘積項中的因子也最少），或根據(jù)設(shè)計要求變換成適當形式的表達式。（4）根據(jù)化簡或變換后的邏輯函數(shù)表達式，畫出邏輯電路圖。3.1組合邏輯電路的分析與設(shè)計3.1.2組合邏輯電路的設(shè)計【例3】一個火災報警系統(tǒng)，設(shè)有煙感、溫感和紫外光感三種類型的火災探測器。為了防止誤報警，只有當其中有兩種或兩種以上類型的探測器發(fā)出火災檢測信號時，報警系統(tǒng)產(chǎn)生報警控制信號。設(shè)計一個產(chǎn)生報警控制信號的電路。解：（1）邏輯抽象設(shè)輸入輸出變量并邏輯賦值輸入變量：煙感探測器A、溫感探測器B、紫外線光感探測器C；

輸出變量：火災報警控制信號Y；

邏輯賦值：用1表示肯定，用0表示否定。（2）根據(jù)題意列出邏輯狀態(tài)真值表ABCY000000100100011110001011110111113.1組合邏輯電路的分析與設(shè)計3.1.2組合邏輯電路的設(shè)計【例3】一個火災報警系統(tǒng)，設(shè)有煙感、溫感和紫外光感三種類型的火災探測器。為了防止誤報警，只有當其中有兩種或兩種以上類型的探測器發(fā)出火災檢測信號時，報警系統(tǒng)產(chǎn)生報警控制信號。設(shè)計一個產(chǎn)生報警控制信號的電路。解：（3）根據(jù)真值表寫出邏輯函數(shù)表達式（4）根據(jù)邏輯函數(shù)表達式，畫出邏輯電路圖。用卡諾圖化簡3.1組合邏輯電路的分析與設(shè)計3.1.2組合邏輯電路的設(shè)計【例4】用與非門設(shè)計一個舉重裁判表決電路。設(shè)舉重比賽有三個裁判，一個主裁判和二個副裁判。杠鈴是否舉起由每一個裁判按一下自己面前的按鈕來確定。只有當兩個或兩個以上裁判判明成功，并且其中有一個為主裁判時，表明成功的燈才亮。解：（1）邏輯抽象設(shè)輸入輸出變量并邏輯賦值輸入變量：A為主裁判、B、C為副裁判；輸出變量：表明成功與否的燈為Y。邏輯賦值：用1表示成功，用0表示不成功。（2）根據(jù)題意列出邏輯狀態(tài)真值表ABCY000000100100011010001011110111113.1組合邏輯電路的分析與設(shè)計3.1.2組合邏輯電路的設(shè)計【例4】用與非門設(shè)計一個舉重裁判表決電路。設(shè)舉重比賽有三個裁判，一個主裁判和二個副裁判。杠鈴是否舉起由每一個裁判按一下自己面前的按鈕來確定。只有當兩個或兩個以上裁判判明成功，并且其中有一個為主裁判時，表明成功的燈才亮。解：（3）根據(jù)真值表寫出邏輯函數(shù)表達式（4）根據(jù)邏輯函數(shù)表達式，畫出邏輯電路圖。用卡諾圖化簡變換為用“與非門”表示：3.2常見組合邏輯電路3.2.1編碼器在數(shù)字設(shè)備中，數(shù)據(jù)和信息是用0和1組成的二進制代碼來表示的，將若干個“0”和“1”按一定的規(guī)律編排在一起，編成不同的代碼，并且賦予每個代碼以固定的含義，這就叫編碼。n位二進制代碼有2n種狀態(tài)，可以表示2n個不同的對象。例如，可用3位二進制數(shù)組成的編碼表示十進制數(shù)的0～7。完成編碼工作的數(shù)字電路稱為編碼器。目前經(jīng)常使用的編碼器有普通編碼器和優(yōu)先編碼器兩類。在普通編碼器中，任何時刻只允許輸入一個編碼信號，否則輸出將發(fā)生混亂。1.普通編碼器3.2常見組合邏輯電路3.2.1編碼器電路是實現(xiàn)由3位二進制代碼對8個輸入信號進行編碼的編碼器，常稱為8線-3線編碼器，其中～為8個輸入端，且低電平有效，Y2～Y0為3個代碼輸出端。1.普通編碼器采用組合邏輯電路分析的方法對圖3-12進行邏輯分析，可列出各輸出邏輯函數(shù)式。3.2常見組合邏輯電路3.2.1編碼器輸出與輸入對應(yīng)關(guān)系的真值表如表3-5所示。表中邏輯“0”為有效電平，邏輯“1”為無效電平。例如，當I7為有效輸入“0”，而其他輸入均為無效輸入“1”時，則所得輸出編碼為Y2Y1Y0＝000（實際為7的反碼）。1.普通編碼器I0的編碼是隱含著的，當I0~I7均為1時，電路的輸出就是I0的編碼。由輸出函數(shù)式可知，當任何一個輸入端接低電平時，三個輸出端便會有一組對應(yīng)的代碼輸出。3.2常見組合邏輯電路3.2.1編碼器2.優(yōu)先編碼器優(yōu)先編碼器允許多個信息同時輸入，但只對其中優(yōu)先級別最高的信號進行編碼，編碼具有惟一性。優(yōu)先級別是由編碼器設(shè)計者事先規(guī)定好的。3.2常見組合邏輯電路3.2.1編碼器2.優(yōu)先編碼器采用組合邏輯電路分析的方法對圖3-13進行邏輯分析，可列出各輸出邏輯函數(shù)式。3.2常見組合邏輯電路3.2.1編碼器2.優(yōu)先編碼器3.2常見組合邏輯電路3.2.2譯碼器1.二進制譯碼器譯碼器的邏輯功能是將輸入的一組二進制代碼“翻譯”成一個特定的輸出信號。譯碼是編碼的逆過程。常用的譯碼器有二進制譯碼器、二—十進制譯碼器和顯示譯碼器三類。二進制譯碼器的輸入為一組二進制代碼，若有n個輸入變量，則有

個不同的組合狀態(tài)，就有

個輸出端供其使用。對應(yīng)每一組輸入代碼，輸出端只有一個為有效電平，其余均為無效電平，即每一個輸出所代表的函數(shù)對應(yīng)于n個輸入變量的最小項。二進制譯碼器實現(xiàn)的是“多對一”譯碼。3.2常見組合邏輯電路3.2.2譯碼器1.二進制譯碼器用TTL與非門組成的3線-8線譯碼器中規(guī)模集成電路74LS138，它有3個輸入端，8個輸出端。3.2常見組合邏輯電路3.2.2譯碼器1.二進制譯碼器3.2常見組合邏輯電路3.2.2譯碼器2．二—十進制譯碼器二—十進制譯碼器（又稱BCD碼譯碼器）的邏輯功能是將輸入的4位二進制碼翻譯成對應(yīng)的1位十進制數(shù)。常用的二－十進制譯碼器74LS42為8421BCD碼譯碼器。3.2常見組合邏輯電路3.2.2譯碼器3．顯示譯碼器在數(shù)字測量儀表和各種數(shù)字系統(tǒng)中，通常需要將數(shù)字量直觀地顯示出來，一方面供人們直接讀取測量和運算結(jié)果，另一方面用以監(jiān)視數(shù)字系統(tǒng)工作情況。數(shù)字顯示電路通常由譯碼器、驅(qū)動器和顯示器等部分組成。3.2常見組合邏輯電路3.2.2譯碼器3．顯示譯碼器（1）七段數(shù)字顯示器七段式數(shù)字顯示器是目前使用最廣泛的一種數(shù)碼顯示器。這種數(shù)碼顯示器由分布在同一平面的七段可發(fā)光的線段組成，可用來顯示數(shù)字、文字或符號。圖3-17表示七段數(shù)字顯示器利用a～g不同的發(fā)光段組合，可顯示0～15等數(shù)字。在實際應(yīng)用中，10～15并不采用，而是用兩位數(shù)字顯示器進行顯示。3.2常見組合邏輯電路3.2.2譯碼器3．顯示譯碼器（1）七段數(shù)字顯示器最常用的七段數(shù)字顯示器有半導體顯示器和液晶顯示器兩種。圖3-18為半導體顯示器。根據(jù)發(fā)光二極管的連接形式不同，分為共陰極顯示器和共陽極顯示器。共陰極顯示器將七個發(fā)光二極管的陰極聯(lián)在一起，作為公共端。在電路中，將公共端接于低電平，當某段二極管的陽極為高電平時，相應(yīng)段發(fā)光。共陽極顯示器的控制方式與共陰極顯示器正好相反。3.2常見組合邏輯電路3.2.2譯碼器3．顯示譯碼器（2）七段顯示譯碼器最常用的七段數(shù)字顯示器有半導體顯示器和液晶顯示器兩種。圖3-18為半導體顯示器。根據(jù)發(fā)光二極管的連接形式不同，分為共陰極顯示器和共陽極顯示器。共陰極顯示器將七個發(fā)光二極管的陰極聯(lián)在一起，作為公共端。在電路中，將公共端接于低電平，當某段二極管的陽極為高電平時，相應(yīng)段發(fā)光。共陽極顯示器的控制方式與共陰極顯示器正好相反。3.2常見組合邏輯電路3.2.2譯碼器3．顯示譯碼器（2）七段顯示譯碼器數(shù)字顯示譯碼器是驅(qū)動顯示器的核心部件，它可以將輸入代碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字顯示代碼，并在數(shù)碼管上顯示出來。輸入A3、A2、A1和A0接收四位二進制碼輸出a～g為高電平有效，可直接驅(qū)動共陰極顯示器三個輔助控制端：燈測試輸入、動態(tài)滅零輸入、滅燈輸入／動態(tài)滅零輸出，可增強器件的功能，擴大器件應(yīng)用。3.2常見組合邏輯電路3.2.2譯碼器3．顯示譯碼器（2）七段顯示譯碼器3.2常見組合邏輯電路3.2.3加法器1.半加器將兩個1位二進制數(shù)相加而不考慮來自低位的進位，稱為半加，實現(xiàn)半加運算的電路叫做半加器。ABSC00000110101011013.2常見組合邏輯電路3.2.3加法器2.全加器實際進行二進制加法時，兩個1位二進制相加并考慮來自低位進位的加法運算，稱為全加，實現(xiàn)全加運算的電路叫做全加器。AiBiCi-1SiCi00000001100101001101100101010111001111113.2常見組合邏輯電路3.2.4數(shù)值比較器1.1位數(shù)字比較器

將兩個一位數(shù)A和B進行大小比較，一般有三種可能：A>B，A<B和A=B。因此比較器應(yīng)有兩個輸入端：A和B；三個輸出端：FA>B，F(xiàn)A<B和FA=B。設(shè)A>B時，F(xiàn)A>B=1；A<B時，F(xiàn)A<B=1；A=B時，F(xiàn)A=B=1。輸入輸出ABFA>BFA<BFA=B000010101010100110013.2常見組合邏輯電路3.2.4數(shù)值比較器2.多位數(shù)值比較器兩個多位數(shù)值比較大小，應(yīng)先從最高位開始進行比較，如果它們不相等，便可得出結(jié)論，無需比較低位了。若最高位相等，則再比較次高位，依次類推?！纠?】

兩個4位二進制數(shù)A3A2A1A0和B3B2B1B0進行比較。解：(1)若A3>B3，則可以肯定A>B，這時輸出FA>B=1；若A3<B3，則可以肯定A<B,這時輸出FA<B=1。(2)當A3=B3時，再去比較次高位A2，B2。若A2>B2,則FA>B=1；若A2<B2，則FA<B=1。(3)當A3=B3，A2=B2時，再繼續(xù)比較A1，B1。若A1>B1,則FA>B=1；若A1<B1，則FA<B=1。(4)依次類推，直到所有的高位都相等時，才比較最低位。3.2常見組合邏輯電路3.2.4數(shù)值比較器2.多位數(shù)值比較器【例5】

兩個4位二進制數(shù)A3A2A1A0和B3B2B1B0進行比較。解：比較輸入輸出A3

B3A2

B2A1

B1A0

B0FA>BFA<BFA=BA3>B3×××100A3<B3×××010A3=B3A2>B2××100A3=B3A2<B2××010A3=B3A2=B2A1>B1×100A3=B3A2=B2A1<B1×010A3=B3A2=B2A1=B1A0>B0100A3=B3A2=B2A1=B1A0<B0010A3=B3A2=B2A1=B1A0=B00013.2常見組合邏輯電路3.2.5數(shù)據(jù)選擇器數(shù)據(jù)選擇器又稱為多路數(shù)據(jù)選擇器，它類似于多個輸入的單刀多擲開關(guān)。它在選擇控制信號的作用下，選擇多路數(shù)據(jù)輸入中的某一路與輸出端接通。集成數(shù)據(jù)選擇器的種類很多，有2選1、4選1、8選1和16選1等。3.2常見組合邏輯電路3.2.5數(shù)據(jù)選擇器74LSl51是一種典型的集成電路數(shù)據(jù)選擇器，其有三個地址輸入端A2

、A1

和A0，可選擇D0~D7八個數(shù)據(jù)源，具有兩個互補輸出端，同相輸出端Y和反相輸出端。輸入使能為低電平有效。3.2常見組合邏輯電路3.2.5數(shù)據(jù)選擇器3.2常見組合邏輯電路3.2.5數(shù)據(jù)選擇器數(shù)字電路基礎(chǔ)與實驗實訓第4章觸發(fā)器

技能目標（1）掌握基本RS觸發(fā)器、同步RS觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)與功能分析。（2）掌握RS、JK、D、T和T′觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)與功能分析（2）掌握RS、JK、D、T和T′各功能觸發(fā)器的相互轉(zhuǎn)換。知識目標（1）了解觸發(fā)器的特點（2）掌握描寫觸發(fā)器邏輯功能的方法。第4章觸發(fā)器4.1觸發(fā)器概述

4.2基本RS觸發(fā)器

目錄第4章觸發(fā)器4.3同步RS觸發(fā)器

4.4主從觸發(fā)器

4.5不同邏輯功能觸發(fā)器之間的轉(zhuǎn)換課前導讀

案例一：電子觸發(fā)器主要用于高壓鈉燈、金屬鹵化物燈及其它類型氣體電燈，其作用是提供瞬時高壓，使燈內(nèi)的氣體電離，成為通電狀態(tài)，燈兩端的燈絲受熱發(fā)出的電子在電場的作用下定向運動撞擊燈管上的螢光物質(zhì)使其發(fā)光。電子觸發(fā)器具有無機械觸點、可靠性好、體積小、重量輕、使用方便等優(yōu)點，而受到用戶的青睞。觸發(fā)器具有記憶功能，它是數(shù)字電路中用來存貯二進制數(shù)字信號的單元電路。觸發(fā)器在晚會彩燈、計數(shù)器、搶答器、路燈控制器等設(shè)計中有用廣泛。圖4-1電子觸發(fā)器實物圖課前導讀案例二：如圖4-2所示是一個觸摸延時開關(guān)。使用時，只要用手指摸一下觸摸電極，燈就點亮，延時若干分鐘后自動熄滅。觸摸延時開關(guān)是應(yīng)用觸摸感應(yīng)芯片原理設(shè)計的一種墻壁開關(guān)，是傳統(tǒng)機械按鍵式墻壁開關(guān)的換代產(chǎn)品。能實現(xiàn)更智能化、操作更方便的觸摸開關(guān)有傳統(tǒng)開關(guān)不可比擬的優(yōu)勢，是目前家居產(chǎn)品的非常流行的一種裝飾性開關(guān)。圖4-2用雙D觸發(fā)器制作的觸摸開關(guān)電路觸摸開關(guān)沒有金屬觸點，不放電不打火，大量的節(jié)約銅合金材料，同時對于機械結(jié)構(gòu)的要求大大減少。取代傳統(tǒng)開關(guān)，操作舒適、手感極佳、控制精準且沒有機械磨損。4.1觸發(fā)器概述觸發(fā)器具有如下特點。（1）具有兩個穩(wěn)定狀態(tài)――“0”和“1”狀態(tài)。（2）在輸入信號作用下，觸發(fā)器可以置成“0”狀態(tài)或“1”狀態(tài)。（3）當輸入信號保持不變時，具有保持原來狀態(tài)的功能。觸發(fā)器是組成各種時序邏輯電路存儲部分的基本單元，它是由門電路構(gòu)成的。常用的觸發(fā)器按邏輯功能不同可分為：RS觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、D觸發(fā)器、T觸發(fā)器和觸發(fā)器等。不同功能的觸發(fā)器在使用時操作方法不同。按電路結(jié)構(gòu)不同觸發(fā)器可分為：基本RS觸發(fā)器、同步RS觸發(fā)器、主從觸發(fā)器、維持阻塞觸發(fā)器、邊沿觸發(fā)器等。不同的電路結(jié)構(gòu)確定了觸發(fā)器不同的動作特點。4.2基本RS觸發(fā)器1.電路結(jié)構(gòu)基本RS觸發(fā)器由兩個與非門G1和G2交叉直接耦合而成的，它有兩個和輸出端，在正常情況下，兩個輸出端保持穩(wěn)定的狀態(tài)且始終相反，即一個為0時，另一個為1。兩個輸入端，是用來加入觸發(fā)信號的，信號為低電平有效。4.2基本RS觸發(fā)器2.基本工作原理基本RS觸發(fā)器在沒有外輸入信號的情況下，可以保持原來的0狀態(tài)或1狀態(tài)不變。在和都懸空（輸入為1）的情況下，兩個與非門的一端輸入信號都是1，則輸出狀態(tài)即新的狀態(tài)（簡稱次態(tài)）由觸發(fā)器原來的狀態(tài)（簡稱現(xiàn)態(tài)）所決定。4.2基本RS觸發(fā)器2.基本工作原理（1），此時觸發(fā)器為1狀態(tài)，即觸發(fā)器置位。（2）此時觸發(fā)器為0狀態(tài)，即觸發(fā)器復位。（3）當時，若觸發(fā)器原狀態(tài)為0，若觸發(fā)器原狀態(tài)為1狀態(tài)，則。觸發(fā)器保持原有狀態(tài)不變，即原來的狀態(tài)被觸發(fā)器存儲起來，這體現(xiàn)了觸發(fā)器具有記憶功能。（4）不符合觸發(fā)器兩個輸出互補的邏輯關(guān)系。并且，由于與非門延遲時間不可能完全相等，在兩個輸入端同時回到高電平后，將不能確定觸發(fā)器是處于1狀態(tài)還是0狀態(tài)。所以觸發(fā)器不允許出現(xiàn)這種情況，這就是基本RS觸發(fā)器的約束條件。4.2基本RS觸發(fā)器3.觸發(fā)器邏輯功能的描述方法觸發(fā)器的邏輯功能是指觸發(fā)器輸出的次態(tài)與現(xiàn)態(tài)及輸入信號之間的邏輯關(guān)系。描述觸發(fā)器邏輯功能的方法主要有特性表、特性方程、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和時序圖等。4.2基本RS觸發(fā)器3.觸發(fā)器邏輯功能的描述方法（1）特性表4.2基本RS觸發(fā)器3.觸發(fā)器邏輯功能的描述方法（2）特性方程由基本RS觸發(fā)器的電路圖可以看到，其輸入信號都直接加在輸出門上，所以輸入信號能在任意時刻直接改變觸發(fā)器的狀態(tài)。叫做直接置位端，把叫做直接復位端，并且把基本RS觸發(fā)器叫做直接置位、復位觸發(fā)器。4.2基本RS觸發(fā)器3.觸發(fā)器邏輯功能的描述方法（3）時序圖（又稱波形圖）時序圖就是時序邏輯電路在脈沖序列作用下，電路的輸入狀態(tài)、輸出狀態(tài)隨時間變化的波形圖，主要描述觸發(fā)器及時序邏輯電路的邏輯關(guān)系。4.2基本RS觸發(fā)器3.觸發(fā)器邏輯功能的描述方法（4）狀態(tài)圖圓圈表示觸發(fā)器的兩個狀態(tài)“0”和“1”，箭頭表示狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，箭頭旁邊標注了轉(zhuǎn)換的條件。

4.2基本RS觸發(fā)器3.觸發(fā)器邏輯功能的描述方法【例1】

設(shè)基本RS觸發(fā)器的初態(tài)為0，或的電壓波形如圖4-6所示，試畫出和端的輸出波形。解：根據(jù)題意，觸發(fā)器初態(tài)為0，即Q=0，=1，當輸入信號同時輸入高電平時觸發(fā)器保持0態(tài)不變；當端有一端有低電平輸入時，則使觸發(fā)器分別置0和置1。當端同時輸入低電平時，

。負脈沖信號過后，觸發(fā)器處于不定狀態(tài)。

4.3同步RS觸發(fā)器復雜的數(shù)字系統(tǒng)中，往往有多個觸發(fā)器，這就要求相關(guān)的觸發(fā)器都由同一個時鐘來控制，只有在時鐘信號CP到來時，這些觸發(fā)器才能按輸入信號改變輸出狀態(tài)。這種觸發(fā)器有兩種輸入端：一種是決定輸出狀態(tài)的信號輸入端，另一種是決定其動作時間的時鐘脈沖輸入端。這種受時鐘控制的觸發(fā)器統(tǒng)稱為同步觸發(fā)器。4.3同步RS觸發(fā)器G1和G2組成一個時鐘控制電路，G3和G4構(gòu)成一個基本RS觸發(fā)器，輸入信號從G1、G2輸入，G1、G2的輸出Q1、Q2作為G3、G4的輸入信號決定輸出Q的狀態(tài)，根據(jù)與非門的邏輯特性，R、S必須在CP為高電平時才能改變輸出的狀態(tài)。4.3同步RS觸發(fā)器對于同步RS觸發(fā)器，在CP＝1的所有時間里，R、S信號都能通過G1和G2，作用到G3和G4組成的基本RS觸發(fā)器，所