组合逻辑电路的设计

广州大学学生实验报告开课学院及实验室：电子信息楼4102013年5月20日学院机械与电气工程学院年级、专业、班11级电气1班姓名学号实验课程名称数字电子技术实验成绩实验项目名称实验二设计性实验——组合逻辑电路的设计指导老师一、实验目的1、学习组合逻辑电路的设计方法；2、掌握使用通用逻辑器件实现逻辑电路的一般方法。二、实验原理使用中、小规模集成电路来设计组合电路时最常见的逻辑电路设计方法。设计的过程通常是根据给出的实际逻辑问题，求出实现这一逻辑功能的最简单逻辑电路，这就是设计组合逻辑电路时要完成的工作。组合逻辑电路的设计工作通常可按如下步骤进行。（1）进行逻辑抽象（2）写出逻辑函数式（3）选定器件的类型（4）将逻辑函数化简或变换成适当形式（5）根据化简或变换后的逻辑函数式画出逻辑电路的连接图（6）工艺设计例设计一个监视交通信号灯工作状态的逻辑电路。每一组信号灯由红、黄、绿3盏灯组成，如图3-22所示。正常工作情况下，任何时刻必有一盏灯亮，而且只允许有一盏灯亮。而当出现其他5种点亮状态时，电路发生故障，这是要求发出故障信号，以提醒维护人员前去修理。首先进行逻辑抽象。取红、黄、绿3盏灯的状态为输入变量，分别用R、Y、G表示，并规定灯亮时为1，不亮为0。取故障信号为输出变量，以Z表示，并规定正常工作状态下Z=0，发生故障时Z=1。更具题意可列出表3-9所示的逻辑真值表。表3-9真值表RYGZRYGZ00011000001010110100110101111111写出逻辑函数式。由表3-9知Z=RYG+RYG+RYG+RYG（1）选定期间类型为小规模通用集成门电路。将式（1）利用卡诺图化简（如图3-33所示）后得Z=RYG+RY+RG+YG（2）根据式（2）的化简结果画出逻辑电路图，得到图3-34所示电路。由于式（2）为最简单与-或表达式，所以只有在使用与门和或门组成电路时猜得到最简单的电路。如果要求用其他类型的门电路来组成这个逻辑电路，则为了得到最简单的电路，化简的结果亦须相应地改变。例如，在要求全部用与非门组成这个逻辑电路时，就应当将函数式华为最简单与非-与非表达式。这种形式通常可以通过将与-或表达式两次求反得到。在上例中，将式（2）两次求反后得到Z=RYG+RY+RG+YG=RYG.RY.RG.YG(3)根据式（3）可画出用与非门和反相器组成的逻辑电路，如图3-35所示。使用4个74L20或CD4012，它们的功能是一样的，前者为TTL产品，后者是CMOS产品，但两种集成块的引脚是不同的，当然也可以使用其他类型的与非门。按图3-35所示接线，输入端R\Y\G接至逻辑开关输出插口，输出端Z接逻辑电平显示输入插口，按真值表要求，逐次改变输入变量，测量相应的输出值，验证逻辑功能，与表3-9进行比较，验证所设计的逻辑电路是否符合要求。如果要用“与或非”门实现，可利用卡诺图中的“0”进行合并，如图3-37所示。由卡诺图得逻辑函数为Z=RYG+RYG+RYGZ=RYG+RYG+RYG根据上两式画出的逻辑电路如图3-38所示。由图可以看出，本题利用卡诺图合并“0”的方法得出的逻辑函数更为简洁。图3-37卡诺图图3-38逻辑电路三、实验设备与器件•+5V直流电源。•逻辑电平开关。•逻辑电平显示器。•数字万用表。•CD4011/74LS00*2、CD4012/74LS20*4、CD4081/74LS08、74LS54/CD4085*2、CD4011/74LS02、74LS04四、实验内容与步骤①利用通用集成块实现例题的红、黄、绿灯监控电路，并进行检验。②设计一个用与非门组成的“四人表决”电路，要求为：当4个输入端中有3个及以上“1”时，输出端才为“1”。要求按本文所述的设计步骤进行，知道测试电路逻辑功能复合设计要求为止。③设计一个一位全加器，要求用与或非门实现。④设计一个对两个两位无符号的二进制数进行比较的电路；根据第一个数是否大于、等于、小于第二个数，使相应的3个输出端中的一个输出为“1”，要求用与门、与非门及或非门实现。红、黄、绿灯监控电路四人表决电路五、实验结果及分析实验测得的设计的逻辑电路所测出来的真值表与实验原理里的真值表相同，所以实验设计非常成功和合理；