【摘要】本文详细阐述了分析数字逻辑电路学生所必备的基本知识和基本技能,以及数字逻辑电路教学中教师应传授给学生所必须的知识点和分析电路的方法,并通过一个实例具体讲解分析数字逻辑电路的一般程序和方法。
【关键字】数字逻辑电路 分析方法 学生
【中图分类号】C42【文献标识码】A【文章编号】1009-9646(2008)11(a)-0231-02
数字逻辑电路按照逻辑功能的不同,可以分成两类:组合逻辑电路和时序逻辑电路。组合电路,是指在任何时刻输出信号仅取决于该时刻的输入信号,而与前一时刻输出的状态无关。时序电路,是指该电路的输出状态不仅与输入有关,而且还与电路原先的状态有关。在实际应用中,大多数控制系统是由组合逻辑电路与时序逻辑电路共同组成的数字电路系统。在教学过程中注重组合电路和时序电路的分析,用一些典型应用电路将理论与实际有机地联系起来,目的是加强学生基本技能的综合训练,培养和提高学生独立的分析问题能力与实际动手能力。
1 掌握分析逻辑电路方法的必备知识
1.1 先导课程电子技术要学得扎实
在数字逻辑电路教学过程中,对门电路中半导体器件的开关特性、分立元件门电路、TTL门电路、MOS门电路;脉仲信号的产生与整形电路中的施密特触发器、多谐振荡器、定时器;数模转换电路的A / D与D／A转换器;存储器中的存储单元等这些与电子技术密切相关,所以学生在学习电子技术中的半导体基本知识、PN结及半导体二极管、半导体三极管、场效应管、反馈放大器及信号发生器等方面要牢牢掌握导通条件、工作电压 、工作原理等,否则无法分析数字电路,学生听课犹如雾中看花,似懂非懂,只能浅尝辄止。
1.2 思维方式的转变
布尔代数是分析和设计数字逻辑电路的数学工具,也是数字逻辑电路的理论基础。电路状态的表示大多是用二进制形式。学生要冲破从小学到高中、甚至大学里所学的数学思维方式,布尔代数运算的结果只能是0 或1,电路导通和截止用１和０表示。
1.3 了解计算机的工作原理和物质基础
在学习本课程之前,应当让学生大致了解计算机的工作原理,清楚计算机的物质基础是数字逻辑电路,提高学生分析电路的兴趣。在讲授各单元电路时应注重指明其在计算机电路中的应用。计算机是一种能够存储程序,能够自动地连续地执行程序,对各种数字化信息进行算术或逻辑运算的决策工具。计算机的工作可泛称为就是对信息进行运算处理。计算机中的各类信息是用数字代码来表示的,所以称数字计算机。计算机对数字化信息运算和处理是由数字逻辑电路进行的,计算机为了存储程序和数据,需要存储器,其基本部件主要的就是本课程讲述的触发器;为了进行运算处理,需要运算器,其基本部件主要的就是本课程中的加法器和移位寄存器;为了输入程序及数据、输出运算结果,需要输入和输出设备,其有些部件就是本课程的编码器、译码器等;控制器对全机的工作进行控制管理,基本部件就是本课程中的组合逻辑电路和时序逻辑电路等。
2 教学中采用的方法
(1)在数制与编码这一章,重点讲二进制及补码运算,这与计算机的工作原理密切相关。可靠性编码的例子可用计算机中最简单的奇偶校验码。
(2)在讲述公式和卡诺图化简逻辑函数时,要求每个学生熟记公式和卡诺图的化简方法,此部分是后续课程的基础必须牢记。为了让学生记住和灵活运用可采取课堂测验和课下实验督促学生掌握此部分知识。
(3)在分析组合逻辑电路之前,各种门电路的工作原理、逻辑功能及逻辑图应给学生讲清楚,并要求学生掌握。组合逻辑电路重点介绍计算机中常用的基本电路,如译码器、数据选择器、操作码形成器、加法器、代码转换器等。
(4)在讲述时序电路时,首先介绍的是触发器,在开始学习触发器时一般都是刚刚学完组合逻辑电路,因此在教学上应引导学生注意组合逻辑电路和时序逻辑电路区别与联系,将组合逻辑电路的功能表示方法与时序电路的功能表示方法对应起来。触发器一般以基本RS触发器开始,由两个与非门构成的基本触发器,基本触发器是最原始的触发器,一定要掌握其电路结构和工作原理及动作特点,对学习后面内容至关重要,因为后面的触发器都是由基本触发器演化而来。介绍时序电路的分析与设计的方法,不去过多地讨论设计技巧问题,较多篇幅举例计算机中最基本的器件,如寄存器、计数器、节拍发生器、序列检测器等,让学生清楚这些电路用在计算机的什么地方,有何用处。
(5)在讲述中、大规模集成电路时,主要介绍多位运算器、RAM、ROM、EPROM等,重点放在讨论集成电路的逻辑结构、工作原理及其在计算机中的作用。
(6)在讨论可编程器件时,先由PLA开始讲解可编程的原理,然后按可编程器件的发展顺序介绍PAL、GAL及在系统可编程器件的结构与编程原理,用可编程器件实现逻辑电路的方法。
(7)对于基本的数字电路,以够用为原则。主要讲解典型逻辑门、触发器的原理特性,
对于各种不同型号的逻辑器件的具体内部结构及电气特性不作详细讨论。
(8)将每部分的内容与实验环节结合起来,主要的例子用实验的方法进行验证。
3 数字逻辑电路的分析方法
以图3-1实例分析。
题目要求:在图3-1所示的电路中,已知寄存器的初始状态Q1Q2Q3=111。试问下一个时钟作用后,寄存器所处的状态？经过多少个CP脉冲作用后数据循环一次,并列出状态表。
3.1 分析步骤
3.1.1 看懂电路图
(1)分析电路图的组成元器件
从左向右分析电路,此电路由基本的与非门、CP脉冲和三个D触发器组成,D触发器是在脉冲的上升沿翻转[1]。
(2)找出电路图输入信号和输出信号
外界的输入信号只有CP脉冲,三个触发器的输出依次是下一个触发器的输入,对外输出是三个触发器的正逻辑输出端。
(3)分析电路的功能
此电路是由时序电路和组合电路组成的数字电路,并且是一个计数器。
3.1.2 分析时序图
一般情况下,分析电路时不给出时序图,此题给出了时序图,目的是帮助了解电路图,由时序图可知,初态是111,每经过一个脉冲电路翻转一次,到第5个脉冲来临时,又变为初态111,由此可知此电路是一个循环计数器[1]。
3.1.3 写出每个触发器的驱动方程
(1)D1=
(2)D2=Q1
(3)D3=Q2
3.1.4 写出各个触发器的状态方程
(1)
(2)
(3)
3.1.5 将初值Q3Q2Q1=111代入状态方程,求得电路次态的输出,继续下去,得出状态转换表。
3.1.6 写出此电路的功能
由状态转换表可知,下一个时钟脉冲到来时Q3Q2Q1由111变为Q3Q2Q1=110,经过第五个脉冲到来时,数据循环为111,所以经过5个作用后数据循环一次。所以此电路的功能是循环计数器。
3.1.7 电路的优点
由状态表可看出输出值从111—110—100—001—011—111,每有一个CP脉冲到来只有一个触发器的输出发生翻转,这样就避免了竞争—冒险的出现,所以说消除竞争—冒险的最好方法是优化电路的设计,而不是待竞争—冒险出现之后再去消除[2]。
3.2 总结分析数字电路的方法
分析数字电路时,一要看懂电路由哪些元器件组成;二要分析出电路是组合逻辑电路还是时序电路,或是二者的结合;三要找出电路的输入和输出;四要写出输入状态方程;五要写出输出状态方程;六要将初值代入输出状态方程,求出次态,继续下去,画出状态转换表;七要根据状态转换表找出输出的规律,即找出电路功能。如果题目给出了输出时序图,则对照时序图和状态转换表更容易发现电路的逻辑功能。
4 结语
数字集成电路的出现,特别是大规模数字集成电路的出现,给数字电路的教学带来了新的问题。分立元件构成各种门电路、触发器等基本逻辑部件。在大多数情况下,也无须自行设计诸如计数器、译码器、移位寄存器等逻辑部件。只需根据任务设计要求,合理选择集成器件,用模块组装的方式将它们拼接起来即可。因此教学中应着重引导学生们熟悉集成元器件的使用条件和逻辑功能,重点分析典型集成电路,充分调动同学的主观能动性,积极主动思考,灵活应用所学知识,初步学会数字系统工程的分析和设计方法,为将来搞好科研打下一个坚实的基础。
参考文献
[1] 胡家宝.数字电路[M].北京.机械工业出版社.2006:85-89.
[2] 马义忠,常蓬彬,马浚.数字逻辑与数字系统[M].高等教育出版社.2004:140-145.
[3] 王永军,李永华.数字逻辑与数字系统[M]. 电子工业出版社.2006:134-136.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”