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7.3 门电路

刘宝玲 主编,张静、张艳、安维胜、徐惠民 编著高等教育出版社《电子电路基础(第2版)》大学本科 · 教材双语助读 (Alt+Y)

数字系统采用二进制,在数字电路中,输入和输出都是脉冲信号,分别用高、低电平来表示。高、低电平代表两种不同的状态,一般将高电平称为逻辑1,低电平称为逻辑0。

在数字系统中,基本的逻辑运算有与、或、非三种,任何复杂的逻辑运算均可由这三种基本逻辑运算复合而成。在逻辑表达式中,逻辑非的优先级最高,其次是逻辑与运算,逻辑或运算的优先级最低,可以通过加括号改变运算次序。实现与、或、非三种基本运算的电路分别称为逻辑与门、逻辑或门和逻辑非门。

逻辑与运算可以用图 7.3.1 所示电路来表示,只有当开关 A 和 B 都闭合的情况下,灯 F 才能亮。这种灯亮与开关 A、B 闭合的关系就是逻辑与关系。逻辑与的数学意义是,仅当决定事件 F 发生的所有条件都具备时,该事件才发生。逻辑与的数学表达式为

F = A · B = A B

式中,用符号“·”表示逻辑与运算,“·”也可省略,习惯上称为逻辑乘。逻辑与运算也常用表7.3.1所示的表格来表示,该表格列举了所有输入组合对应的输出,完整地表达了输入和输出的逻辑关系,这种表格称为真值表。在数字电路中,实现逻辑与运算的电路称为逻辑与门,符号如图 7.3.2所示。

表 7.3.1 与逻辑的真值表

ABF
000
010
100
111

图7.3.1 与逻辑关系

图 7.3.2 逻辑与门符号

表 7.3.1 完全确定了逻辑与运算的规律,这种规律是从逻辑推理而来的,故称之为公理。

逻辑或运算可以用图 7.3.3 所示电路来表示,只要开关 A 和 B 有一个闭合,灯 F 就亮。

这种灯亮与开关 A、B 闭合的关系就是逻辑或关系。逻辑或的数学意义是,当决定事件 F 发生的各种条件中,只要有一个或一个以上的条件具备,这个事件就发生。逻辑或的数学表达式为

F = A + B

式中,用符号“+”表示逻辑或运算,习惯上称为逻辑加。逻辑或运算也可以用表7.3.2所示的真值表来表示。实现这种功能的电路称为逻辑或门,符号如图 7.3.4所示。

图7.3.3 或逻辑关系

表 7.3.2 或逻辑的真值表

ABF
000
011
101
111
图 7.3.4 逻辑或门符号

逻辑非运算可以用图 7.3.5所示电路来表示,由图 7.3.5可知,只有开关 A 断开,灯 F 才会亮;开关 A 闭合,灯反而熄灭。这种灯亮与开关 A 闭合的关系就是逻辑非关系。逻辑非的数学意义是,结果总是同条件相反。逻辑非的数学表达式可以写成

F = overline A

式中,用符号“-”表示逻辑非运算,A 读作“A 非”或“A 补”。逻辑非运算也可以用表 7.3.3 所示的真值表来表示。实现这种功能的电路称为逻辑非门或反相器,符号如图 7.3.6 所示。

图7.3.5 逻辑非关系

表 7.3.3 非逻辑的真值表

AF
01
10

除了与、或、非三种最基本的逻辑运算之外,人们还推导出与非、或非、与或非、异或、同或等许多复合逻辑,并生产出与之相对应的集成逻辑门电路。任何复合逻辑均可由与、或、

图 7.3.6 逻辑非门符号

非三种基本逻辑运算导出。

与非逻辑是与逻辑和非逻辑的组合,它的真值表如表7.3.4所示,其逻辑表达式为

F = A · B

由真值表可见,只要有一个输入为 0, 输出就为 1; 只有当输入全是 1 时,输出才是 0。

或非逻辑是或逻辑和非逻辑的组合,它的真值表如表7.3.5所示,其逻辑表达式为

F = overline A + B

由真值表可见,只要有一个输入为 1, 输出就为 0; 只有当输入全是 0 时,输出才是 1。

表 7.3.4 与非逻辑的真值表

ABF
001
011
101
110

表 7.3.5 或非逻辑的真值表

ABF
001
010
100
110

与或非逻辑是将与、或、非三种逻辑组合在一起构成的,它的逻辑表达式为

F = overline A B + C D + E F

读者可自己作出其真值表。

上述三种复合逻辑门的逻辑符号如图 7.3.7 所示。

(a) 与非门

(b) 或非门

(c) 与或非门

图 7.3.7 复合逻辑符号

7.3.2 由门电路组成的双稳态触发器

Section titled “7.3.2 由门电路组成的双稳态触发器”

双稳态触发器有两个稳定的状态,分别用逻辑0和逻辑1表示,在适当输入信号作用下,它可以从一个稳态转换到另一个稳态;输入信号撤销以后,它能维持在新的稳态不变,因此双稳态触发器具有记忆功能,一个双稳态触发器可以记忆1位二进制数。

最基本的双稳态触发器是 RS 触发器,又称置位-复位(Set-Reset)触发器,它由两个或非门或两个与非门首尾连接而成,图 7.3.8所示是由两个或非门组成的基本 RS 触发器,其中 R, S 为输入端, Qⁿ+1 和 overlineQⁿ+1 为互补输出端。触发器的现态和次态是两个重要的概念,输入信号发生变化之前触发器所处的状态称为触发器的现态,用 Qⁿ 和 overlineQⁿ 来表示,输入信号发生变化之后触发器所进入的状态,称为下一状态或次态,用 Qⁿ+1 和 overlineQⁿ+1 表示。触发器的次态是现态和输入的函数,即

Q ^ n + 1 = f (Q ^ n, R, S) (7.3.1)

式(7.3.1)称为触发器的特征方程或状态方程。通过分析图 7.3.8所示电路,可推导出RS触发器的特征方程如下

{ l Q ^ n + 1 = S + overline R Q ^ n R S = mathbf 0 . (7.3.2)

式中,RS=0 称为基本 RS 触发器的约束条件,即 R 和 S 不能同时为 1。

分析 RS 触发器的特征方程(7.3.2),可以得出 RS 触发器的特性。

(1)当输入 RS=00 时, Qⁿ+1=Qⁿ ,表明当 RS=00 时,触发器维持原状态不变。

(2)当输入 RS=01 时, Qⁿ+1=1 ,即无论触发器原来是什么状态;当输入 RS=01 时,触发器一定进入 Qⁿ+1=1 和 overlineQⁿ+1=0 状态,触发器置位。

(3)当输入 RS=10 时, Qⁿ+1=0 ,即无论触发器原来是什么状态;当输入 RS=10 时,触发器一定进入 Qⁿ+1=0 和 overlineQⁿ+1=1 状态,触发器复位。

(4)当输入 RS=11 时,不符合约束条件,这时触发器的两个输出端不再满足互补关系,这种输入组合在正常工作时是不允许的。

由以上分析可得出由或非门构成的 RS 触发器的功能表,如表 7.3.6 所示。功能表在形式上与前面的真值表类似,不同之处在于此时输出取值除了 0 和 1 之外,还有反映电路历史输入结果的 Qⁿ 。

表 7.3.6 RS 触发器的功能表

RS Qⁿ+1 功能说明
00 Qⁿ 保持
011置1
100置0
11×不允许

图 7.3.8 由或非门组成的 RS 触发器

RS 触发器也可以用与非门首尾相连而成,如图 7.3.9 所示,其功能表见表 7.3.7。与非门是低电平控制器件,此时输入信号写成了 overlineR 、 overlineS 的形式。输入信号这种带非的表示方法代表输入信号低电平有效,采用这种表示法,能够保证由与非门构成的基本 RS 触发器和由或

非门构成的 RS 触发器特征方程的一致性。

表 7.3.7 RS 触发器的功能表

overlineR overlineS Qⁿ+1
00不允许
010
101
11 Qⁿ

图 7.3.9 由与非门组成的 RS 触发器

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