組合邏輯電路設計時常遇的問題及解決方法

廣東理工學院 何宇云 陳木榮

組合邏輯電路設計時常遇的問題及解決方法

廣東理工學院 何宇云 陳木榮

組合邏輯電路在實際設計環節中，常會遇到TTL集成電路與CMOS集成電路的電平轉換，輸入和輸出接口等一些實際操作方面的問題，本文就這些實際問題進行分析并介紹相應的解決方法。

組合邏輯電路；電路設計；解決方法

隨著數字電子技術的不斷發展，數字電路已被廣泛應用于現代數字通信、自動控制、數字計算機、數字測量等各個領域，并已深入我們的日常生活中。數字電路又稱邏輯電路，可分為組合邏輯電路和時序邏輯電路兩種。它們的區別在于時序邏輯電路有存儲單元，具有記憶功能。而組合邏輯電路沒有，它只由常用門電路組合而成，即沒有從輸出到輸入的反饋連接，它的輸出僅決定于該時刻的輸入狀態。在對組合邏輯電路原理進行設計時，可采用以下方法步驟：（1）分析設計要求，理清輸入與輸出的端口數和相互關系；（2）根據分析結果，設定變量并進行狀態賦值，再列出相應的真值表；（3）由真值表寫出邏輯電路的輸出表達式；（4）利用卡諾圖或邏輯公式將輸出表達式進行化簡；（5）根據最簡表達式畫出相應邏輯電路圖。按照上述方法步驟，組合邏輯電路原理設計就完成了，但實際設計工作除此之外，還包括電路器件的選擇，安裝和調試等過程。而往往就是在這些環節中容易遇到問題，現將常遇問題及解決方法歸納如下：

1.接口電路的電平轉換

在設計組合邏輯電路時，常常由于速度、功耗和帶負載能力等問題需要將TTL門電路和CMOS門電路混合使用。這兩種門電路的電源電壓、參數指標等均有所不同，因此不能直接連接，而需要借助于接口電路。接口電路是指不同類型邏輯門電路之間或邏輯門電路與外部電路之間有效連接的中間電路。接口電路的設計主要分以下兩種情況：

第一，用TTL門電路驅動CMOS門電路。TTL門電路的電源電壓為+5V，而CMOS的電源電壓范圍是3～18V，因此需要將TTL輸出的高電平值升高來驅動CMOS門電路。方法是利用TTL門電路中的OC門做接口，適當選取OC門的外接電源和電阻來滿足CMOS門電路對電源電壓的要求。由OC門的功能分析可知，OC門輸出的低電平約等于0.3V，高電平約等于UCC。所以，改變電源電壓可以方便地改變其輸出高電平。

圖1

第二，用CMOS門電路驅動TTL門電路。方法是應用六反相緩沖器等專用接口器件直接驅動TTL負載電路，如圖1所示。這類專用接口器件使用電源為+5V電源，與TTL負載電路一致，輸入端允許超過電源電壓，可與CMOS門電路電源相配合使用。

2.扇入問題

扇入問題是指門電路輸入端口與實際電路輸入端口的關系，一般分以下兩種情況：

（1）門電路多余輸入端的處理

設計電路時，需要用到的集成門電路的輸入端多于實際電路需要的輸入端數時，就需要將多余的輸入端進行處理。在保證輸入正確邏輯電平的條件下，可將多余的輸入端接高電平或低電平。如果是與門或與非門，應將多余的輸入端接高電平；如果是或門或或非門，應將多余的輸入端接地或接低電平。為防止干擾，多余的輸入端一般不能懸空。接高、低電平的方法可通過限流電阻接正電源或地，也可直接和地相連接，如圖2所示。但要注意輸入端所接的電阻不能過大，否則將改變輸入邏輯狀態。

圖2

（2）門電路輸入端少于實際電路需要輸入端的處理

當用到的集成門電路的輸入端少于實際電路需要的輸入端數時，可采用分組的方法進行解決。例如，實際電路需要與非門輸入端口為A、B、C、D共4個，但集成門電路是2輸入端與非門，可按以下分組連接解決，輸出Y=，如圖3所示。

圖3

3.扇出問題

邏輯電路的扇出問題，主要是指它的帶負載能力，即在設計電路時，可能存在一個門電路的輸出端所帶的負載門太多，超出了它的帶負載能力。門電路的帶負載能力主要通過扇出系數N來說明，它代表電路能驅動同類型門電路的最大個數。當輸出高電平、帶拉電流負載時：

輸出低電平、帶灌電流負載時：

如果NH≠NL，則把較小的個數定義為扇出系數。在設計電路時，可采用扇出系數大的門電路作為輸出門。

在設計組合邏輯電路時，除了以上所分析的問題外，還有一些細節需要注意的。如：用中規模集成電路實現組合函數會使電路連接簡單很多；對邏輯表達式的變換與化簡，是盡可能使其與給定的組合邏輯器件的形式一致，而不是單純簡化；設計時應考慮合理充分地應用組合器件的功能，應盡量選用結構原理比較簡單的，但數量又少的器件來滿足設計要求。綜上所述，要成功設計出一個組合邏輯電路不容易，要設計一個結構簡單、功能完整、參數合理的組合邏輯電路就更難，這需要設計者不斷地去嘗試、安裝和調試，從設計的過程去積累經驗。

[1]余孟嘗．數字電子技術基礎簡明教程(第三版)[M]．高等教育出版社,2007,01．

[2]葉挺秀．電工電子學[M]．高等教育出版社,2014,07．

[3]曾令琴．電工電子技術[M]．人民郵電出版社,2006,12．

何宇云（1981—），女，廣東陽江人，講師，廣東理工學院專任教師，研究方向：應用電子技術。

陳木榮（1979—），男，廣東云浮人，講師，廣東理工學院機電教研室主任，研究方向：機電技術。