数字电路-组合逻辑电路

摘要：本章将重点介绍组合逻辑电路的特点以及组合逻辑电路的分析方法和设计方法。首先讲述组合逻辑电路的共同特点和一般的分析方法和设计方法。然后就几种常用且经典的组合逻辑电路模块，从分析或设计的角度进行解读，并在模块的基础上，初步介绍如何用硬件描述语言描述组合逻辑电路。最后着重从物理概念上说明竞争-冒险现象及其成因，并扼要地介绍消除竞争-冒险现象的常用方法。

基本概念

组合逻辑电路：任何时刻，输出状态只决定于同一时刻的输入状态的组合，而与电路原来状态无关的的逻辑电路。

逻辑功能描述：对于任何一个多输入、多输出的组合逻辑电路，都可以用图1所示的框图表示。

图中 $a_{1}$ 、 $a_{2}$ 、···、 $a_{n}$ 表示输入变量， $y_{1}$ 、 $y_{2}$ 、···、 $y_{m}$ 表示输出变量。输出与输入间的逻辑关系可以用一组逻辑函数表示：

$\left\{\begin{matrix}y_{1}=f_{1}\left ( a_{1} , a_{2} , \cdot \cdot \cdot, a_{n} \right ) \\ y_{2}=f_{2}\left ( a_{1} , a_{2} , \cdot \cdot \cdot, a_{n} \right ) \\ \cdot \cdot \cdot \\y_{m}=f_{m}\left ( a_{1} , a_{2} , \cdot \cdot \cdot, a_{n} \right ) \end{matrix}\right.$

组合逻辑电路的分析方法和设计方法

分析步骤：

由逻辑图逐级写出各输出端的逻辑表达式
化简（最简与或式）和变换各逻辑表达式
列出真值表
根据真值表和逻辑表达式对电路进行分析，并确定电路的功能

设计步骤：

进行逻辑抽象:分析问题的因果关系，确定输入输出变量，定义输入输出逻辑状态的含义，对给的的因果关系列真值表。
从真值表写出逻辑函数式。
选定器件类型
将逻辑函数化简或转换成适当的描述形式。
根据化解或转换后的逻辑式，画出逻辑电路的连接图
设计验证
工艺设计

若干常用组合逻辑电路

人们在实践中遇到的逻辑问题层出不穷，因而为解决这些逻辑问题而设计的逻辑电路也不胜枚举。其中有些逻辑功能电路经常、大量地出现在各种数字系统当中。这些逻辑功能电路包括编码器、译码器、数据选择器、数值比较器、运算器等。下面将对这些常用数字电路模块逐一进行介绍。

编码器

将二进制码按一定规律编排，使每组代码具有一特定的含义，称为编码。实现编码功能的逻辑电路称为编码器。

普通编码器

任何时刻只允许输入一个编码信号，否则输出将发生混乱。

优先编码器

在优先编码器电路中，允许同时输入两个以上的编码信号。不过在设计优先编码器时已经将所有的输入信号按优先顺序排了队，当几个输入信号同时出现时，只对其中优先权最高的一个进行编码。

图5给出了8线-3线优先编码器74HC148的逻辑图。如果不考虑由G1、G2和G3构成的附加控制电路，则编码器电路只有图中虚线框以内这一部分。

功能分析：

S’——片选端（选通输入端）

S’=0时，正常工作； S’=1时，所有输出为高电平。

YS’——无编码指示端（选通输出端）

YS’=0时，表示电路工作，但无编码输入；

YS’=1，且S’=0时，表示电路工作且有编码。

YEX’——扩展端

YEX’=0时，表示电路工作，且有编码输入；

YEX’=1，且S’=0时，表示电路工作但无编码。

二－十进制优先编码器

在常用的优先编码器电路中，除了二进制编码器以外，还有一类称为二－十进制优先编码器。