数字电子技术（三十二）——组合逻辑电路的特点和基本设计方法

目录

1 组成逻辑电路和时序逻辑电路

2 逻辑功能的描述

3 组合逻辑函数的设计方法

4 组合逻辑电路的举例

1 组成逻辑电路和时序逻辑电路

从工程上，逻辑电路可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。如下图所示：

下面是组合逻辑电路和时序逻辑电路的是介绍：

• 组合逻辑电路：组合逻辑电路是一种数字电路，其输出仅取决于当前输入信号的组合，而不依赖于电路的历史状态。这类电路没有记忆功能，输出只由当前的输入决定。组合逻辑电路的特点就是任何时刻的输出都取决于这时刻的输入。
• 时序逻辑电路：时序逻辑电路是一种数字电路，其输出不仅取决于当前的输入信号，还依赖于电路的历史状态。这类电路具有记忆功能，能够存储先前的状态信息。

2 逻辑功能的描述

对于任何一个多输入、多输出的组合逻辑电路，都可以下面的框图来表示：

在上图中、、...、表示输入信号，、、...、表示输出变量，输入变量与输出变量之间的关系如下所示：

写成向量函数的形式为：Y=F(A)。

逻辑功能的描述的要求包括下面这些内容：

• 有一个或者多个输入。
• 有一个或者多个输出。
• 每一种有效的输入组合在经过逻辑功能电路的时候都有输出，且输出结果只有一种。
• 每一种有效的输入组合在逻辑电路中的计算时间都是有限的。
• 任何一种组合逻辑电路都可以用真值表或者逻辑式的形式来表示。

3 组合逻辑函数的设计方法

组合逻辑电路的设计方法，可以分为下面几个过程，分别为：逻辑抽象、写出逻辑表达式，选择合适的器件类型、将逻辑表达式进行化简、画出逻辑图、测试检查以及工艺设计。如下所示为

下面详细介绍过程：

（1）逻辑抽象

逻辑抽象是画出组合逻辑函数的第一步，这一步重要是分析。对于逻辑抽象部分基本的过程有下面这几步骤：

• 判断是组合逻辑电路还是时序逻辑电路，然后再去分析逻辑的电路。
• 其次判断电路中有几个输入信号还是输出信号，一般事件的原因作为输入信号，事件的结果作为输出信号。
• 定义逻辑状态的含义，将输入信号和输出信号进行赋值。
• 之后根据因果关系列出真值表。

真值表是推导布尔表达式的基础，通过分析真值表，可以写出电路的逻辑表达式。

（2）写出逻辑函数式

为了便于画出逻辑图，需要将真值表转换为逻辑函数式。

（3）选择器件类型

选择器件类型可以分为大规模集成电路、中规模集成电路和小规模集成电路，其中小规模集成电路包括基本逻辑电路和复合逻辑电路；中规模集成电路包括常见的逻辑功能模块，每个中规模集成电路都可以实现一定功能，大规模集成电路是为复杂的逻辑运算提供资源。

（4）对于逻辑式进行化简

对于中小规模电路逻辑是进行化简（用逻辑门）、变换（用MSI）或者相应的描述（PLD）。

（5）画出逻辑图

根据逻辑式画出相应的逻辑图。

（6）测试验证

针对所设计的电路图，或者利用计算机软件对于功能和特性进行仿真。

（7）工艺设计

当调试完了之后，还需要进行组装和调试。

4 组合逻辑电路的举例

下面对于组合逻辑电路中，一些经典的电路问题进行举例：

（1）在举重比赛中，有一名主裁判和两个副裁判。在比赛中，如果三个裁判全部为亮灯时，此时表示选手动作合格；如果两个裁判亮灯，包括主裁判的话，那么同样表示选手动作合格；如果只有两个裁判亮灯，并且这两个裁判均为副裁判，那么表示该选手动作不合格；如果只有一个或者没有裁判亮灯，那么表示该选手动作不合格。示意图如下所示：

下面是组合逻辑电路的设计过程：

通过上面内容，先进行逻辑抽象，用输入信号A来表示主裁判，用输入信号B和C来表示两个副裁判，当裁判亮灯时，表示该输入信号输入的是1，当裁判没有亮灯时，表示该输入信号输入的是0；当运动员最终结果动作合格时，表示输出信号Y为1，当运动员最终结果动作不合格时，表示输出信号Y为0。

通过逻辑抽象可以得到如下所示的真值表：

通过真值表的内容可以得到如下所示的逻辑表达式：

显然对于上面这个逻辑式不用再进行化简了，通过逻辑表达式可以直接得到如下所示的逻辑图：

（2）房间里有一盏灯，现在在房间中的两个位置的开关都可以打开和关闭这盏灯，设计有关逻辑电路图。

下面是组合逻辑电路设计部分：

将两个的开关的打开和闭合作为输入信号，用符号A、B来表示，当开关闭合时表示输入信号为1，当开关断开时表示输入信号为0；用灯的亮和灭来表示输出信号，用符号Y来表示，其中灯亮表示输出信号为1，灯灭表示输出信号为0。

在本例中，因为可以两个开关同时控制一个灯，所以可以设计当开关A和B同时为0或者同时为1时，此时灯亮，当开关A和B一个开一个断时，电灯关闭（另一种设计方法是将两个开关全部开或者关时，灯灭）。

真值表如下所示：

得到逻辑式为：

电路图如下所示：

（3）使用逻辑电路设计一个交通信号灯工作状态的逻辑信号，交通信号是由红、黄、绿组成的，在正常的条件下，任何时刻都只有一个信号灯是亮的，如果出现其中两个以及两个以上、或者没有灯亮，那么此时表示信号灯出现错误。如下所示为几种信号灯正常工作状态和故障装填示意图：

下面是组合逻辑电路的设计部分：

将交通信号灯三种灯红灯、绿灯和黄灯作为输入变量，分别用符号R、G、A来表示，当灯亮时表示输入信号为1，当灯灭时表示输入信号为0；将交通信号是否处于正常状态作为输出信号，用输出信号Z来表示，其中交通信号灯处于正常状态表示输出信号Z为0，交通信号灯故障表示输出信号为1。

真值表如下所示：

得到如下所示的逻辑表达式：

化简后得到逻辑式：

电路图如下所示：