实验二 组合逻辑电路

一、实验目的

1．掌握数据选择器的功能和应用方法； 2．掌握显示译码器的功能和使用方法； 3．掌握组合数字电路的设计和实现方法。

二、预习要求

1．复习译码器和数据选择器的工作原理； 2．复习有关组合电路设计方法的知识；

3．阅读74LS138和74LS151的引脚排列图及功能表； 4. 设计实验内容所要求的数据记录表格。

三、理论准备

1．概述

组合逻辑电路又称组合电路，组合电路的输出只决定于当时的外部输入情况，与电路过去状态无关。因此，组合电路的特点是无“记忆性”。在组成上组合电路的特点是由各种门电路连接而成，而且连接中没有反馈线存在。所以各种功能的门电路就是简单组合逻辑电路。

组合逻辑电路的输入信号和输出信号往往不止一个，其功能描述方法通常有函数表达式、真值表、卡诺图和逻辑图等几种。

组合逻辑电路的分析与设计方法，是立足于小规模集成电路分析和设计基本方法之一。 2．组合逻辑电路的分析方法

分析的任务是：对给定的电路求解其逻辑功能，即求出该电路的输出与输入之间的逻辑关系，通常是用逻辑式或真值表来描述，有时也加上必须的文字说明。

分析的步骤：

（1）逐级写出逻辑表达式，最后得到输出逻辑变量与输入逻辑变量之间的逻辑函数式。 （2）化简。 （3）列出真值表。 （4）文字说明

上述四个步骤不是一成不变的。除第一步外，其它三步根据实际情况的要求而采用。 3．组合逻辑电路的设计方法

设计的任务是：使用中、小规模集成电路来设计组合电路是最常见的逻辑电路，由给定的功能要求，设计出相应的逻辑电路。

设计的一般步骤如图3-1所示：

图3-1 组合逻辑电路设计流程图

根据设计任务的要求建立输入、输出变量，并列出真值表。然后用逻辑代数或卡诺图化简法求出简化的逻辑表达式。并按实际选用逻辑门的类型修改逻辑表达式。 根据简化后的逻辑表达式，画出逻辑图，用标准器件构成逻辑电路。最后，用实验来验证设计的正确性。

需要注意的是，在使用中规模集成的组合逻辑电路设计时，需要把函数式变换成适当的形式(而不一定是最简式)。每一种中规模集成器件都有其确定的逻辑功能，并可以写成逻辑函数式的形式。如果要用这些器件构成所需的逻辑电路，必须要把产生的逻辑函数变换成与所用器件的逻辑函数类似的形式。

四、实验内容及要求

1．电机安全运行逻辑电路的设计（验证型）

要求：设有甲、乙、丙三台电机，它们运转时必须满足这样的条件，即任何时间必须所有电机同时运行，如不满足该条件，就输出故障报警信号，以提醒维护人员前去修理。试分别用以下两种方法完成该电路的设计并在逻辑实验箱上安装测试之。

(1)用与非门实现该逻辑电路。

(2)用译码器及必要的门电路设计此逻辑电路。 2．血型配对指示器逻辑电路的设计（验证型）

要求：人类由四种基本血型— A、B、AB、O型。输血者与受血者的血型必须符合下述原则：O型血可以输给任意血型的人，但O型血的人只能接受O型血；AB型血只能输给AB型血的人，但AB血型的人能够接受所有血型的血；A型血能给A型与AB型血的人；而A型血的人能够接受A型与O型血；B型血能给B型与AB型血的人，而B型血的人能够接受B型与O型血。试设计一个检验供血者与受血者血型是否符合上述规定的逻辑电路，如果输血者的血型符合规定电路，输出高电平（提示：电路只需要四个输入端，它们组成一组二进制数码，每组数码代表一对供血与受血的血型对）。其关系示意如图3-2所示。

试用以下两种方法设计一个血型检验电路，当供血者和受血者血型符合规定时，电路输

图3-2

出为1。并在逻辑实验箱上完成该电路的安装和测试。

(1)用与非门实现该逻辑电路。

(2)用数据选择器及必要的门电路设计此逻辑电路。 3、密码电子锁逻辑电路的设计（设计型）--选1

有一密码电子锁，锁上有四个按键A、B、C、D，按下为1，否则为0，当按下A和B、或A和D、或B和D时，再插入钥匙，锁即打开。若按错了键,当插入钥匙时，锁打不开，并发出报警信号，有警为1，无警为0。

4．多数表决逻辑电路的设计（设计型）--选2

该电路有3个输入逻辑变量A、B、C和1个工作状态控制变量M。当M=0时电路实现“意见一致”功能(A、B、C状态一致时输出为1，否则输出为0)，而M=1时电路实现“多数表决”功能，即输出与A、B、C中多数的状态一致。

5．人员配备逻辑电路的设计（设计型）--选3

设A、B、C、D、E、F六名学生中选送若干名出国留学，人选的配备要求如下： （1）A、B二人中至少去1人； （2）A、D不能一起去；

（3）A、E、F三人中要派二人去； （4）B、C两人中都去或都不去； （5）C、D两人中只能去1人； （6）若D不去，则E也不去。 请问应选哪几位学生去？

五、实验说明及提示

1．在设计“供血-受血”逻辑关系检验电路时，设其输入是欲进行“供血-受血”的血型，当输入符合“供血-受血”规则时，电路输出为1。对输入变量可作如下定义：（约定“00”代表“O”型；“01”代表“A”型；“10”代表“B”型；“11”代表“AB”型。）

表3-1“供血-受血” 输入变量定义

血型 O A B AB 输血者 C D 0 0 0 1 1 0 1 1 受血者 E F 0 0 0 1 1 0 1 1 根据输血规则及以上定义可列出真值表，并化简得到所需逻辑函数。

2．所设计逻辑电路输入变量的状态，由逻辑实验箱上的逻辑电平开关给出，输出变量的状态由逻辑实验箱上的发光二极管指示，当输出为高电平时，发光二极管亮，否则，发光二极管不亮。

3．注意如果结果不正确，可按如下步骤检查电路

（1）先检查芯片上的“电源”和“地”是否接对；有没有电压，用万用表测量。 （2）芯片和导线是否完全插入实验板中； （3）所搭电路的连线是否正确； （4）检查每一根导线是否导通； （5）芯片是否出现故障。

接电路时，要断开电源；接好电路，确认无误通电；做完实验后，关掉电源，拆电路。

六、实验参考电路(验证型)

本电路图是以逻辑电路的形式给出。引脚具体位置应以引脚排列图为准，每一个芯片都必须接电源。测试其逻辑功能时课按照真值表进行。

1．（1）用与非门实现“电机安全运行”逻辑电路（图3-2）

注：甲、乙、丙三台电机可用实验箱上的逻辑电平开关模拟，而故障报警和安全运行信号可用发光二极管来指示。

& A B C & 故障 F 报警信号

& & & & 图3-2

安全 K 运行信号

（2）用译码器及及必要的门电路设计（图3-3）

L&& & 安全 运行信号

K & F 报警信号

故障

Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y074138G1G2AG2B10A2A1A0BCA0图3-3

2．（1）用与非门完成血型配对指示器（图3-4）

E F

图3-4

& & D C

1 1 & & & L

（1） 用数据选择器及及必要的门电路设计血型配对指示器（图3-5）

七、实告要

验报求

（1）写出设计过程；

（2）整理实验记录表，分析实验结果； （3）画出逻辑电路图(SSI、MSI)； （4）对实验结果进行分析。

八、思考题

用小规模数字集成电路(SSI)和中规模集成电路(MSI)进行逻辑电路设计时，对逻辑函数式的处理方法有什么不同？为什么？ [附录]:芯片引脚排列图

图3-6 74LS138引脚图 图3-7 74LS151引脚图

1．集成3线-8线译码器74LS138各引脚排列及功能如图3-6和附表3-2所示。 由功能表可知：三个使能端G1G2AG2B  100时，八个译码输出都是无效电平，即输出

全为高电平“1”；三个使能端G1G2AG2B =100时，译码器八个输出中仅与地址输入对应的一个输出端为有效低电平“0”，其余输出无效电平“1”；在使能条件下，每个输出都是地址变量的最小项，考虑到输出低电平有效，输出函数可写成最小项的反，即：

YiG1G2AG2Bmi

2．74LS151管脚及功能

本实验使用的集成数据选择器74LS151为8选1数据选择器，数据选择端3个地址输入A2A1A0用于选择8个数据输入通道D7～D0中对应下标的一个数据输入通道，并实现将该通道输入数据传送到输出端Y（或互补输出端Y）。74LS151还有一个低电平有效的使能端G，以便实现扩展应用。74LS151引脚功能如图3-7和附表3-3所示。 表3-2 74LS138功能表

G1 G2A G2B A2 A1 A0 Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0 0 X X X X X 1 1 1 1 1 1 1 1 X 1 X X X X 1 1 1 1 1 1 1 1 X X 1 X X X 1 1 1 1 1 1 1 1

表3-3 74LS151功能表 G A2 A1 A0 Y Y 1 X X X 0 1 0 0 0 0 D0 D0 0 0 0 1 D1 D1

0 0 1 0 D2 D2 0 0 1 1 D3 D3 0 1 0 0 D4 D4 0 1 0 1 D5 D5 0 1 1 0 D6 D6 0 1 1 1 D7 D7

1 0 0

0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1

使能条件下（G = 0），74LS151的输出可以表示为

YmiDii07

其中mi为地址变量A2、A1、A0的最小项。只要确定输入数据就能实现相应逻辑函数，成为逻辑函数发生器。