數(shù)字邏輯歐陽星明第四版第七章中規(guī)模集成電路的應(yīng)用

第七章

中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用

第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用1本章知識要點：

●熟悉常用中規(guī)模通用集成電路的邏輯符號、基本

邏輯功能、外部特性和使用方法；

●用常用中規(guī)模通用集成電路作為基本部件，恰當(dāng)

地、靈活地、充分地利用它們完成各種邏輯電路

的設(shè)計，有效地實現(xiàn)各種邏輯功能。

第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用2主要內(nèi)容中規(guī)模通用集成電路概述常用中規(guī)模組合邏輯電路常用中規(guī)模時序邏輯電路常用中規(guī)模信號產(chǎn)生與變換電路第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用37.1概述1.集成電路分類第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用SSI（SmallScaleIntegration）MSI（MediumScaleIntegration）LSI（LargeScaleIntegration）VLSI（VeryLarge

ScaleIntegration）或SLSI（SuperLarge

ScaleIntegration

）器件的集成邏輯部件的集成數(shù)字子系統(tǒng)或整個數(shù)字系統(tǒng)的集成4第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用2.MSI、LSI與SSI相比，具有以下優(yōu)點（1）體積縮?。?）功耗低、速度快（3）可靠性高（4）抗干擾能力強（5）易于設(shè)計、調(diào)試和維護5第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用3.設(shè)計MSI應(yīng)考慮的問題（1）通用性（可以實現(xiàn)多種功能）（2）能自擴展（3）具有兼容性（4）封裝電路的功耗?。?）向輸入信號索取電流要小（6）充分利用封裝的引線6第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用7.2常用中規(guī)模組合邏輯電路使用最廣泛的中規(guī)模組合邏輯集成電路有二進制并行加法器、譯碼器、編碼器、多路選擇器和多路分配器等。7.2.1加法器全加：每位二進制相加時，除了本位相加外，還要考慮相鄰低位的進位值，這種運算稱之為“全加”。7第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用多位二進制的加法器可以用1位二進制的全加器實現(xiàn)加法器的分類：串行加法器并行加法器串行進位（并行）加法器超前進位（并行）加法器8第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用1.串行進位（并行）加法器由全加器級聯(lián)構(gòu)成，高位的進位輸入依賴于低位的進位輸出。進位信號逐級傳遞。缺點：運算速度較慢，而且位數(shù)越多，速度就越低。9第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用如何提高加法器的運算速度?必須設(shè)法減小或去除由于進位信號逐級傳送所花費的時間，使各位的進位直接由加數(shù)和被加數(shù)來決定，而不需依賴低位進位。根據(jù)這一思想設(shè)計的加法器稱為超前進位(又稱先行進位)二進制并行加法器。

10四位二進制并行加法器的構(gòu)成思想如下：

2．超前進位二進制并行加法器：根據(jù)輸入信號同時形成各位向高位的進位，然后同時產(chǎn)生各位的和。通常又稱為先行進位二進制并行加法器或者并行進位二進制并行加法器。典型芯片有四位二進制并行加法器74283。

由全加器的結(jié)構(gòu)可知，第i位全加器的進位輸出函數(shù)表達式為

第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用11當(dāng)i=1、2、3、4時，可得到4位并行加法器各位的進位輸出函數(shù)表達式為：令（進位傳遞函數(shù)）（進位產(chǎn)生函數(shù)）則有第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用

由于C1～C4是Pi、Gi和C0的函數(shù)，即Ci=f(Pi,Gi,C0),而Pi、Gi又是Ai、Bi的函數(shù)，所以，在提供輸入Ai、Bi和C0之后，可以同時產(chǎn)生C1～C4。通常將根據(jù)Pi、Gi和C0形成C1～C4的邏輯電路稱為先行進位發(fā)生器。12三、四位二進制并行加法器的外部特性和邏輯符號

第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用圖中，A4、A3、A2、A1

-------二進制被加數(shù)；

B4、B3、B2、B1

-------二進制加數(shù)；

F4、F3、F2、F1

------相加產(chǎn)生的和數(shù)；

C0

--------------------來自低位的進位輸入；FC4

-------------------向高位的進位輸出。

13

二進制并行加法器除實現(xiàn)二進制加法運算外，還可實現(xiàn)代碼轉(zhuǎn)換、二進制減法運算、二進制乘法運算、十進制加法運算等功能。四、應(yīng)用舉例

第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用14第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用例7.1用四位二進制并行加法器設(shè)計一個將8421BCD碼轉(zhuǎn)換成余3碼的代碼轉(zhuǎn)換器。解：根據(jù)余3碼的定義，余3碼是由8421BCD碼加3形成的。8421碼0011余3碼“0”15例7.2用4位二進制并行加法器設(shè)計一個4位二進制并行加法/減法器。

解

分析：根據(jù)問題要求，設(shè)減法采用補碼運算，并令A(yù)=a4a3a2a1-----為被加數(shù)(或被減數(shù))；B=b4b3b2b1-----為加數(shù)(或減數(shù))；S=s4s3s2s1-----為和數(shù)(或差數(shù))；M----------為功能選擇變量.當(dāng)M=0時，執(zhí)行A+B；

當(dāng)M=1時，執(zhí)行A-B。

第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用由運算法則可歸納出電路功能為：當(dāng)M=0時，執(zhí)行a4a3a2a1+b4b3b2b1+0(A+B)當(dāng)M=1時，執(zhí)行a4a3a2a1++1(A-B)16

可用一片4位二進制并行加法器和4個異或門實現(xiàn)上述邏輯功能。第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用

具體實現(xiàn)：

將4位二進制數(shù)a4a3a2a1直接加到并行加法器的A4A3A2A1輸入端，4位二進制數(shù)b4b3b2b1分別和M異或后加到并行加法器的B4B3B2B1輸入端。并將M同時加到并行加法器的C0

端。

M=0:Ai=ai,Bi=bi,C0=0實現(xiàn)a4a3a2a1+b4b3b2b1+0(即A+B)；

M=1:Ai=ai,Bi=,C0=1，實現(xiàn)a4a3a2a1++1（即A-B）。17實現(xiàn)給定功能的邏輯電路圖如下：

第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用18第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用7.2.2譯碼器和編碼器譯碼器(Decoder)和編碼器(Encoder)是數(shù)字系統(tǒng)中廣泛使用的多輸入多輸出組合邏輯部件。

對具有特定含義的輸入代碼進行“翻譯”，將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出信號。一、譯碼器功能譯碼器類型碼制變換譯碼器二進制譯碼器二-十進制譯碼器數(shù)字顯示譯碼器19第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用1、碼制變換譯碼器功能：將一種碼制變換成另一種碼制。例如：將4位二進制碼B3B2B1B0變換為Gray碼G3G2G1G0。201、二進制譯碼器能將n個輸入變量變換成2n個輸出函數(shù)，且輸出函數(shù)與輸入變量構(gòu)成的最小項具有對應(yīng)關(guān)系的一種多輸出組合邏輯電路。特點▲

二進制譯碼器一般具有n個輸入端、2n個輸出端和一個(或多個)使能輸入端；▲

使能輸入端為有效電平時，對應(yīng)每一組輸入代碼，僅一個輸出端為有效電平，其余輸出端為無效電平。▲

有效電平可以是高電平(稱為高電平譯碼)，也可以是低電平(稱為低電平譯碼)。第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用21第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用（1）2-4譯碼器設(shè)計原理22第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用（2）3-8譯碼器設(shè)計方案1：用與非門實現(xiàn)方案2：用2-4譯碼器擴展23

常見的MSI二進制譯碼器有2-4線(2輸入4輸出)譯碼器、3-8線(3輸入8輸出)譯碼器和4-16線(4輸入16輸出)譯碼器等。圖(a)、(b)所示分別是74138型3-8線譯碼器的管腳排列圖和邏輯符號。（3）典型芯片

圖中，A2、A1、A0---輸入端；---輸出端；---使能端。第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用2474138譯碼器真值表01111111

10111111

11011111

11101111

11110111

11111011

11111101

11111110

11111111

11111111

1000010001

10010

10011

10100

10101

10110

10111

0dddd

d1ddd輸出

輸入

S1A2A1A0

可見，當(dāng)時，無論A2、A1和A0取何值，輸出

┅中有且僅有一個為0(低電平有效)，其余都是1。第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用25第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用二進制譯碼器在數(shù)字系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛，計算機系統(tǒng)的典型應(yīng)用如實現(xiàn)存儲器的地址譯碼、控制器中的指令譯碼。除此之外，在數(shù)字系統(tǒng)中還可以用譯碼器實現(xiàn)各種組合邏輯電路。26第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用例7.5

用譯碼器74138和適當(dāng)?shù)呐c非門實現(xiàn)全減器的功能。全減器：能實現(xiàn)對被減數(shù)、減數(shù)及來自相鄰低位的借位進行減法運算，產(chǎn)生本位差及向高位借位的邏輯電路。

差Di向高位借位Gi全減器被減數(shù)Ai減數(shù)Bi低位借位Gi-1解：設(shè)被減數(shù)用Ai表示、減數(shù)用Bi表示、來自低位的借位用Gi-1表示、差用Di表示、向相鄰高位的借位用Gi表示。27全減器真值表10

00

00

11

100

101

110

111

00

11

11

01

000

001

010

011

輸出

DiGi

輸入

AiBiGi-1

輸出

DiGi

輸入

AiBiGi-1

由真值表可寫出差數(shù)Di和借位Gi的邏輯表達式為：根據(jù)全減器的功能，可得到全減器的真值表如下表所示。第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用28第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用例7.6用譯碼器和與非門實現(xiàn)邏輯函數(shù)293．二-十進制譯碼器

功能：將4位BCD碼的10組代碼翻譯成10個十進制數(shù)字符號對應(yīng)的輸出信號。

例如，常用芯片7442是一個將8421碼轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)字的譯碼器，芯片引腳圖和邏輯符號如下。

該譯碼器的輸出為低電平有效。其次，對于8421碼中不允許出現(xiàn)的6個非法碼(1010～1111)，譯碼器輸出端～均無低電平信號產(chǎn)生，即譯碼器對這6個非法碼拒絕翻譯。

第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用30

功能:數(shù)字顯示譯碼器是驅(qū)動顯示器件(如熒光數(shù)碼管、液晶數(shù)碼管等)的核心部件，它可以將輸入代碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)數(shù)字，并在數(shù)碼管上顯示出來。

4．?dāng)?shù)字顯示譯碼器

常用的數(shù)字顯示譯碼器有器七段數(shù)字顯示譯碼器和八段數(shù)字顯示譯碼器。

例如，中規(guī)模集成電路74LS47，是一種常用的七段顯示譯碼器，該電路的輸出為低電平有效，即輸出為0時，對應(yīng)字段點亮；輸出為1時對應(yīng)字段熄滅。該譯碼器能夠驅(qū)動七段顯示器顯示0～15共16個數(shù)字的字形。輸入A3、A2、A1和A0接收4位二進制碼，輸出Qa、Qb、Qc、Qd、Qe、Qf和Qg分別驅(qū)動七段顯示器的a、b、c、d、e、f和g段。

(教材中給出的74LS48的輸出為高電平有效。)第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用31第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用二、編碼器

功能：編碼器的功能恰好與譯碼器相反，是對輸入信號按一定規(guī)律進行編排，使每組輸出代碼具有其特定的含義。

類型二-十進制編碼器(BCD碼編碼器)優(yōu)先編碼器1．二-十進制編碼器

(1)功能：將十進制數(shù)字0～9分別編碼成4位BCD碼。32這種編碼器由10個輸入端代表10個不同數(shù)字，4個輸出端代表相應(yīng)BCD代碼。結(jié)構(gòu)框圖如下：

(2)結(jié)構(gòu)框圖二十進制編碼器09BCD碼

……第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用

注意：二-十進制編碼器的輸入信號是互斥的，即任何時候只允許一個輸入端為有效信號。最常見的有8421碼編碼器，例如，按鍵式8421碼編碼器。332．優(yōu)先編碼器(1)功能：識別輸入信號的優(yōu)先級別，選中優(yōu)先級別最高的一個進行編碼，實現(xiàn)優(yōu)先權(quán)管理。第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用優(yōu)先編碼器是數(shù)字系統(tǒng)中實現(xiàn)優(yōu)先權(quán)管理的一個重要邏輯部件。它與上述二-十進制編碼器的最大區(qū)別是，優(yōu)先編碼器的各個輸入不是互斥的，它允許多個輸入端同時為有效信號。

優(yōu)先編碼器的每個輸入具有不同的優(yōu)先級別，當(dāng)多個輸入信號有效時，它能識別輸入信號的優(yōu)先級別，并對其中優(yōu)先級別最高的一個進行編碼，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出代碼。(2)典型芯片：MSI優(yōu)先編碼器74LS148。34

多路選擇器和多路分配器是數(shù)字系統(tǒng)中常用的中規(guī)模集成電路。其基本功能是完成對多路數(shù)據(jù)的選擇與分配、在公共傳輸線上實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的分時傳送。此外，還可完成數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換、序列信號產(chǎn)生等多種邏輯功能以及實現(xiàn)各種邏輯函數(shù)功能。多路選擇器(Multiplexer)又稱數(shù)據(jù)選擇器或多路開關(guān)，常用MUX表示。它是一種多路輸入、單路輸出的組合邏輯電路。一、多路選擇器

第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用7.2.3多路選擇器和多路分配器351．邏輯特性

(1)邏輯功能：從多路輸入中選中某一路送至輸出端，輸出對輸入的選擇受選擇控制量控制。通常，一個具有2n路輸入和一路輸出的多路選擇器有n個選擇控制變量，控制變量的每種取值組合對應(yīng)選中一路輸入送至輸出。

(2)構(gòu)成思想

多路選擇器的構(gòu)成思想相當(dāng)于一個單刀多擲開關(guān)，即第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用…輸入

輸出

D0D1Dn-1F36第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用由選擇控制信號（或稱為地址）決定選擇哪路數(shù)據(jù)輸出。如四選一數(shù)據(jù)選擇器：D0D1D2D3FABE37第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用用四選一數(shù)據(jù)選擇器擴展為八選一的數(shù)據(jù)選擇器D0D1D2D3FABED0D1D2D3FABED0D1D2D3D4D5D6D7A21≥1FA0A1382．典型芯片

常見的MSI多路選擇器有4路選擇器、8路選擇器和16路選擇器。(1)四路數(shù)據(jù)選擇器74153

圖(a)、(b)是型號為74153的雙4路選擇器的管腳排列圖和邏輯符號。該芯片中有兩個4路選擇器。其中，D0～D3為數(shù)據(jù)輸入端；A1、A0為選擇控制端；Y為輸出端；G為使能端。

第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用39(2)四路數(shù)據(jù)選擇器74153的功能表

74153的功能表

D0

D1

D2

D3

D0ddd

dD1dd

ddD2d

dddD3

00

01

10

11

輸出

Y

數(shù)據(jù)輸入

D0D1D2D3

選擇控制輸入

A1A０

(3)74153的輸出函數(shù)表達式

式中，mi為選擇變量A1、A0組成的最小項，Di為i端的輸入數(shù)據(jù)，取值等于0或1。第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用40

類似地，可以寫出2n路選擇器的輸出表達式為

式中，mi為選擇控制變量An-1，An-2，…，A1，A0組成的最小項；Di為2n路輸入中的第i路數(shù)據(jù)輸入，取值0或1。3．應(yīng)用舉例

多路選擇器除完成對多路數(shù)據(jù)進行選擇的基本功能外，在邏輯設(shè)計中主要用來實現(xiàn)各種邏輯函數(shù)功能。第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用41例

用多路選擇器實現(xiàn)以下邏輯函數(shù)的功能：F(A,B,C)=∑m(2,3,5,6)

解

由于給定函數(shù)為一個三變量函數(shù)故可采用8路數(shù)據(jù)選擇器實現(xiàn)其功能，假定采用8路數(shù)據(jù)選擇器74152實現(xiàn)。方案：將變量A、B、C依次作為8路數(shù)據(jù)選擇器的選擇變量，令8路數(shù)據(jù)選擇器的D0=D1=D4=D7=0，而D2=D3=D5=D6=1即可。第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用42用8路選擇器實現(xiàn)給定函數(shù)的邏輯電路圖，如下圖所示。

上述方案給出了用具有n個選擇控制變量的多路選擇器實現(xiàn)n個變量函數(shù)的一般方法。第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用43

例

假定采用4路數(shù)據(jù)選擇器實現(xiàn)邏輯函數(shù)F(A,B,C)=∑m(2,3,5,6)

解首先從函數(shù)的3個變量中任選2個作為選擇控制變量，然后再確定選擇器的數(shù)據(jù)輸入。假定選A、B與選擇控制端A1、A0相連，則可將函數(shù)F的表達式表示成如下形式：第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用44

顯然，要使4路選擇器的輸出W與函數(shù)F相等，只需、、、。據(jù)此，可作出用4路選擇器74153實現(xiàn)給定函數(shù)功能的邏輯電路圖。據(jù)此，可作出實現(xiàn)給定函數(shù)功能的邏輯電路如下圖所示。第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用45

例

用4路選擇器實現(xiàn)4變量邏輯函數(shù)

F(A,B,C,D)=∑m(0,2,3,7,8,9,10,13)的邏輯功能。

解

用4路選擇器實現(xiàn)該函數(shù)時，應(yīng)從函數(shù)的4個變量中選出2個作為MUX的選擇控制變量。原則上講，這種選擇是任意的，但選擇合適時可使設(shè)計簡化。

第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用46

①選用變量A和B作為選擇控制變量

第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用47

②選用變量C和D作為選擇控制變量

由上述可見，用n個選擇控制變量的MUX實現(xiàn)n+2個以上變量的函數(shù)時，MUX的數(shù)據(jù)輸入函數(shù)Di一般是2個或2個以上變量的函數(shù)。函數(shù)Di的復(fù)雜程度與選擇控制變量的確定相關(guān)，只有通過對各種方案的比較，才能從中得到最簡單而且經(jīng)濟的方案。

第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用CD48第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用MUXD0...D7A2A1A0F例7.11：用8路數(shù)據(jù)選擇器和3-8譯碼器構(gòu)造一個3位二進制數(shù)等值比較器。ABCXYZ10譯碼器S1S2S3A2A1A0Y0...Y7F49二、多路分配器

多路分配器(Demultiplexer)又稱數(shù)據(jù)分配器，常用DEMUX表示。第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用多路分配器的結(jié)構(gòu)與多路選擇器正好相反，它是一種單輸入、多輸出組合邏輯部件，由選擇控制變量決定輸入從哪一路輸出。如圖所示為4路分配器的邏輯符號。50

圖中，D為數(shù)據(jù)輸入端，A1、A0為選擇控制輸入端，f0～

f3為數(shù)據(jù)輸出端。第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用…輸入

輸出

F0F1Fn-1D51四路分配器的功能如下表所示。四路分配器功能表D000

0D00

00D0

000D

00

01

10

11

f0f1f2f3

A1A0

第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用由功能表可知，4路分配器的輸出表達式為式中，mi(i=0～3)是選擇控制變量的4個最小項。；；52第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用可以用譯碼器實現(xiàn)數(shù)據(jù)分配的功能：例如用2-4譯碼器實現(xiàn)四路數(shù)據(jù)分配器ABEY3Y2Y1Y0ABDF3F2F1F0

53第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用數(shù)據(jù)分配器的應(yīng)用例如：數(shù)據(jù)分配器與數(shù)據(jù)選擇器聯(lián)合使用，可以實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)分時傳送。D0...D7F0...F7ABCMUXA2A1

A0FD0...D7DEMUXA2A1

A0DF0...F7547.3常用中規(guī)模時序邏輯電路第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用數(shù)字系統(tǒng)中最典型的時序邏輯電路是計數(shù)器和寄存器。7.3.1計數(shù)器

廣義地說，計數(shù)器是一種能在輸入信號作用下依次通過預(yù)定狀態(tài)的時序邏輯電路。1．什么是計數(shù)器？就常用的集成電路計數(shù)產(chǎn)品而言，可以對其定義如下：

計數(shù)器：是一種對輸入脈沖進行計數(shù)的時序邏輯電路，被計數(shù)的脈沖信號稱作“計數(shù)脈沖”。計數(shù)器在運行時，所經(jīng)歷的狀態(tài)是周期性的，總是在有限個狀態(tài)中循環(huán)，通常將一次循環(huán)所包含的狀態(tài)總數(shù)稱為計數(shù)器的“?！?。

55

2．計數(shù)器的種類

計數(shù)器的種類很多，通常有不同的分類方法。

第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用同步計數(shù)器異步計數(shù)器工作方式（1）按功能（3）按進位制（2）二進制計數(shù)器十進制計數(shù)器任意進制計數(shù)器加法計數(shù)器減法計數(shù)器可逆計數(shù)器56

3．功能

第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用一般具有計數(shù)、保存、清除、預(yù)置等功能。

4．常用集成同步計數(shù)器

74161：四位二進制同步加法計數(shù)器74191：單時鐘四位二進制同步可逆計數(shù)器74190：單時鐘十進制同步可逆計數(shù)器74193：雙時鐘四位二進制可逆計數(shù)器74192：雙時鐘十進制同步可逆計數(shù)器57（1）74193的管腳排列圖及邏輯符號

5.典型芯片

---四位二進制同步可逆計數(shù)器74193

74193管腳排列圖及邏輯符號分別如圖(a)、(b)所示。

第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用58（2）引腳功能第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用59（3）功能表

表中，CLR為高電平，計數(shù)器清“0”；為低電平，計數(shù)器預(yù)置D、C、B、A輸入值；計數(shù)脈沖由CPU端輸入時，累加計數(shù)；計數(shù)脈沖由CPD端輸入時，累減計數(shù)。第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用60（4）使用74193可以構(gòu)成任意進制的計數(shù)器例7.12使用74193構(gòu)成模10的加法計數(shù)器。0000000100100011010001010110011110001001①當(dāng)1010時，使QDQCQBQA清零。第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用1010②當(dāng)1010時，使QDQCQBQA置零。61第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用1CP1&CP100000&方案1：方案2：思考：模10減法計數(shù)器。62第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用例7.13使用74193構(gòu)成模12減法計數(shù)器。00000001001000110100011110001001解：設(shè)計數(shù)器的初始狀態(tài)為QDQCQBQA=0000，變化序列如下：0110010110101011111163第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用1011cp10&64第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用使用計數(shù)器的進位輸出或借位輸出脈沖作為計數(shù)脈沖，將多個四位計數(shù)器進行級聯(lián)，即可構(gòu)成模大于16的計數(shù)器。例如，將兩片74193進行級聯(lián)，即可構(gòu)成一個模為256的減法計數(shù)器，亦可構(gòu)成模為256的加法計數(shù)器。1CP1Q3Q2Q1Q0Q7Q6Q5Q41CP111Q3Q2Q1Q0Q7Q6Q5Q465例7.14使用74193構(gòu)成模（147）10加法計數(shù)器。解：計數(shù)規(guī)律012……146147=(10010011)2①當(dāng)D7D6D5D4D3D2D1D0=(10010011)2時，清0。第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用66第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用②當(dāng)D7D6D5D4D3D2D1D0=(10010011)2時，置0。1D3D2D1D0D7D6D5D41CP00000000&CLR=0676.集成異步計數(shù)器第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用74290：二-五-十進制加法計數(shù)器74293：雙時鐘二進制加法計數(shù)器74290芯片的引腳及邏輯符號如下圖：68第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用（1）74290的功能表輸入輸出R0AR0BR9AR9BCPQDQCQBQA110dd000011d0d0000dd11d1001d0d0↓計數(shù)0d0d↓計數(shù)0dd0↓計數(shù)d00d↓計數(shù)①異步清零②異步置9③計數(shù)69第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用計數(shù)功能模2計數(shù)器模5計數(shù)器模10計數(shù)器70（2）使用74290可以構(gòu)成任意進制的計數(shù)器例7.15用集成異步計數(shù)器74290設(shè)計一個模8加法計數(shù)器。當(dāng)QDQCQB=100時，使QDQCQBQA清零。第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用00000001001000110111011001000101100071寄存器：數(shù)字系統(tǒng)中用來存放數(shù)據(jù)或運算結(jié)果的一種常用邏輯部件。

功能：中規(guī)模集成電路寄存器除了具有接收數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)和傳送數(shù)據(jù)等基本功能外，通常還具有左、右移位，串、并輸入，串、并輸出以及預(yù)置、清零等多種功能，屬于多功能寄存器。7.3.2寄存器

第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用數(shù)碼寄存器（基本寄存器）鎖存器移位寄存器左移右移雙向移位寄存器72第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用1.左移移位寄存器分析：（QDQCQBQA)=1011需要在四個時鐘脈沖下將1011輸入。

QDQCQBQADSLCP

0

0

0

011

0

0

0

102

0

0

1

013

0

1

0

114

1

0

1

173第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用同步時鐘方程CPD=CPC=CPB=CPA=CP激勵方程DA=DSL，DB=QA

，DC=QB，DD=QC設(shè)計：QQ1DC1QQ1DC1QQ1DC1QQ1DC1QDQC

QB

QA

cpDSLD2D3D4D1RDD2RDRDRDCr&&&&A742.右移移位寄存器DA=QB，DB=QC

，DC=QD

，DD=DSR第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用QQ1DC1QQ1DC1QQ1DC1QQ1DC1DSRQDQC

QB

QA

cpD2D3D4D1&&&&ARDRDRDCrRD753.雙向移位寄存器第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用將左移和右移結(jié)合在一起，用變量x進行控制。當(dāng)x=0，左移DA=DSL，DB=QA

，DC=QB，DD=QC當(dāng)x=1時，右移DA=QB，DB=QC

，DC=QD，DD=DSR

∴次態(tài)方程可寫成：76（1）74194的管腳排列圖和邏輯符號

74194共有10個輸入，4個輸出。

中規(guī)模集成電路寄存器的種類很多，例如，74194型是一種常用的4位雙向移位寄存器。4、典型芯片

第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用77（2）引腳功能

第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用78（3）功能表

從功能表可知，雙向移位寄存器在S1S0和的控制下可完成數(shù)據(jù)的并行輸入（S1S0

=11）、右移串行輸入（S1S0

=01），左移串行輸入（S1S0

=10）、保持（S1S0

=00）和清除（=0）等五種功能。

輸入輸出CPS1S0DRDLDCBAQDQCQBQA0d101↑1↑1↑1↑1↑1↑dddd110101101000dddddd1d0dd1d0ddddddddddx0x1x2x3dddddddddddddddddddd0000QDn

QCn

QBn

QAnx0x1x2x31QDn

QCn

QBn

0QDn

QCn

QBn

QCn

QBn

QAn1QCn

QBn

QAn

0QDn

QCn

QBn

QAn第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用795.移位寄存器的應(yīng)用第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用（1）串并轉(zhuǎn)化D3D2D1D0D3D2D1D0+5cp01D80第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用（2）數(shù)字彩燈控制器振蕩器程控信號發(fā)生器驅(qū)動電路數(shù)字彩燈振蕩器：產(chǎn)生移位脈沖，推動程控信號發(fā)生器產(chǎn)生變化。程控信號發(fā)生器輸出的狀態(tài)信號通過驅(qū)動電路控制彩燈閃爍。如，Q=1，彩燈亮；Q=0，彩燈滅。81第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用①左移環(huán)形工作方式00100100100000000001（a）S1S0=10（b）（Q4Q3Q2Q1）n+1=（Q3Q2Q1DSL）n（d）畫圖（c）DSL=Q3+Q2+Q282第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用②右移環(huán)形工作方式01000010000100001000（a）S1S0=01（b）（Q4Q3Q2Q1）n+1=（DSRQ4Q3Q2）n（d）畫圖（c）DSR=Q4+Q3+Q283第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用③左移扭環(huán)工作方式001100000001（a）S1S0=10（b）（Q4Q3Q2Q1）n+1=（Q3Q2Q1DSL）n（c）DSL=？（d）畫圖0111111111101100100084第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用④右移扭環(huán)工作方式110000001000（a）S1S0=01（b）（Q4Q3Q2Q1）n+1=（DSRQ4Q3Q2）n（c）DSR=？（d）畫圖1110111101110011000185第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用⑤單燈追逐工作方式00100000000101011010左移01000000100010100101右移86第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用⑥雙燈追逐工作方式0011000000010110左移110010011100000010000110右移0011100187例7.17用一片74194和適當(dāng)?shù)倪壿嬮T構(gòu)成產(chǎn)生序列為01110100的序列發(fā)生器

第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用（3）計數(shù)器和序列發(fā)生器等解：序列信號發(fā)生器可由移位寄存器和反饋電路構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)框圖如下：移位寄存器反饋邏輯電路…Q0Q1Qn序列輸出移位脈沖88假定序列發(fā)生器產(chǎn)生的序列周期為Tp，移位寄存器的級數(shù)為n，應(yīng)滿足2n≥Tp。本例中Tp=8，故n≥3。選擇n=3。令QDQCQB的初態(tài)為100，從QB產(chǎn)生輸出。第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用cpDSRQDQCQB0010011010211013111040111500116000171000897.4.1集成定時器555及其應(yīng)用

集成定時器555是一種將模擬功能與邏輯功能巧妙地結(jié)合在一起的中規(guī)模集成電路。常用的集成定時器有5G555(TTL電路)和CC7555(CMOS電路)等。下面以5G555為例說明其功能和應(yīng)用。第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用

7.4常用中規(guī)模信號產(chǎn)生與變換電路

信號產(chǎn)生與變換電路常用于產(chǎn)生各種寬度、幅值的脈沖信號，對信號進行變換、整形以及完成模擬信號與數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換等。最常用的有555、A\D、D\A等中規(guī)模集成電路。90一、5G555的電路結(jié)構(gòu)與邏輯功能

1．電路結(jié)構(gòu)

(1)結(jié)構(gòu)圖和管腳排列圖

第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用(2)組成集成定時器5G555由電阻分壓器、電壓比較器、基本R-S觸發(fā)器、放電三極管和輸出緩沖器五部分組成。912．5G555的邏輯功能

(1)外接控制電壓時，5G555的邏輯功能當(dāng)CO端外接控制電壓時，根據(jù)各部分電路的功能，可歸納出5G555的邏輯功能如下表所示。第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用5G555的功能表0

1

1

1d

＜UR2

＞UR2

＞UR2

導(dǎo)通

截止

不變

導(dǎo)通

放電三極管T

d

0

1

1S(C2)

OUT

R(C1)

0

1

不變

0

d

1

1

0d

＜UR1

＜UR1

＞UR1

輸出

比較器輸出

輸入92

(2)不外接控制電壓時，5G555的邏輯功能

當(dāng)CO端不外接控制電壓時，5G555的邏輯功能如下表所示。第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用5G555不外接控制電壓時的功能表

0

1

1

1

d

＜

＞

＞

導(dǎo)通

截止

不變

導(dǎo)通

放電三極管T

OUT

0

1

不變

0

d

＜

＜

＞

輸出

輸入

93二、5G555的應(yīng)用舉例

由于5G555具有電源范圍寬、定時精度高、使用方法靈活、帶負載能力強等特點，所以它在脈沖信號產(chǎn)生、定時與整形等方面的應(yīng)用非常廣泛。

1．用5G555構(gòu)成多諧振蕩器多諧振蕩器又稱矩形波發(fā)生器，它有兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路一旦起振，兩個暫穩(wěn)態(tài)就交替變化，輸出矩形脈沖信號。第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用9495969798矩形波振蕩頻率f的近似計算公式為矩形波的占空比Q的近似計算公式為第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用992．用5G555構(gòu)成施密特觸發(fā)器

(1)施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器是一種特殊的雙穩(wěn)態(tài)時序電路，與一般的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器相比，它具有如下兩個特點：

●

施密特觸發(fā)器屬于電平觸發(fā)，對于緩慢變化的信號同樣適用。只要輸入信號電平達到相應(yīng)的觸發(fā)電平，輸出信號就會發(fā)生突變，從一個穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個穩(wěn)態(tài)，并且穩(wěn)態(tài)的維持依賴于外加觸發(fā)輸入信號。

●

對于正向和負向增長的輸入信號，電路有不同的閾值電平。這一特性稱為滯后特性或回差特性。

第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用100101

(2)5G555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

用5G555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器原理圖及其傳輸特性分別如圖(a)、(b)所示。第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用在圖(a)中，將5G555的TH端和端連接在一起作為信號輸入端，OUT作為輸出端，便構(gòu)成了一個施密特反相器。102●ui從0開始逐漸升高

第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用103由以上分析可知，該電路的回差電壓為ΔUT=UT+-UT-=第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用●ui從高于逐漸下降傳輸特性如圖(b)中的d→e→f→a。1047.4.2集成D/A轉(zhuǎn)換器

數(shù)字系統(tǒng)只能處理數(shù)字信號。但在工業(yè)過程控制、智能化儀器儀表和數(shù)字通信等領(lǐng)域，數(shù)字系統(tǒng)處理的對象往往是模擬信號。例如，在生產(chǎn)過程控制中對溫度、壓力、流量等物理量進行控制時，經(jīng)過傳感器獲取的電信號都是模擬信號。這些模擬信號必須變換成數(shù)字信號才能由數(shù)字系統(tǒng)加工、運算。另一方面，數(shù)字系統(tǒng)輸出的數(shù)字信號，有時又必須變換成模擬信號才能去控制執(zhí)行機構(gòu)。因此，在實際應(yīng)用中，必須解決模擬信號與數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換問題。第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用105D/A轉(zhuǎn)換器：把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的器件稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC(DigitaltoAnalogConverter)；

A/D轉(zhuǎn)換器：把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的器件稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC(AnalogtoDigitalConverter)。

第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用為了解決模擬信號與數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換問題，提供了如下兩類器件：106107圖(a)給出了一個4位D/A轉(zhuǎn)換器的示意框圖，其轉(zhuǎn)換特性曲線如圖(b)所示。第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用

圖中，設(shè)輸出模擬量的滿刻度值為Am，則當(dāng)數(shù)字量為0001，電路輸出最小模擬量。推廣到一般情況，n

位輸入的D/A轉(zhuǎn)換器所能轉(zhuǎn)換輸出的最小模擬量。1082．主要參數(shù)衡量D/A轉(zhuǎn)換器性能的主要參數(shù)有分辨率、非線性度、絕對精度和建立時間。

(1)分辨率

由于分辨率決定于數(shù)字量的位數(shù)，所以有時也用輸入數(shù)字量的位數(shù)表示，如分辨率為8位、10位等。分辨率是指最小模擬量輸出與最大模擬量輸出之比。對于一個n位D/A轉(zhuǎn)換器，其分辨率為

分辨率=第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用109(2)非線性誤差

具有理想轉(zhuǎn)換特性的D/A轉(zhuǎn)換器，每兩個相鄰數(shù)字量對應(yīng)的模擬量之差都為ALSB。在滿刻度范圍內(nèi)偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大值，稱為非線性誤差。

(3)絕對精度

絕對精度是指在輸入端加對應(yīng)滿刻度數(shù)字量時，輸出

的實際值與理想值之差。一般該值應(yīng)低于。

第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用建立時間是指從送入數(shù)字信號起，到輸出模擬量達到穩(wěn)定值止所需要的時間。它反映了電路的轉(zhuǎn)換速度。(4)建立時間

1101．按網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分類

根據(jù)電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不同，D/A轉(zhuǎn)換器可分成權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器、R-2R正梯形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器和R-2R倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器等幾類。

2．按電子開關(guān)分類根據(jù)電子開關(guān)的不同,可分成CMOS電子開關(guān)D/A轉(zhuǎn)換器和雙極型電子開關(guān)D/A轉(zhuǎn)換器。雙極型電子開關(guān)比CMOS電子開關(guān)的開關(guān)速度高。第七章中規(guī)模通用集成電路及其應(yīng)用二、D/A轉(zhuǎn)換器的類型目前，集成D/A轉(zhuǎn)換器有很多類型和不同的分類方法。從電路結(jié)構(gòu)來看，各類集成D/A轉(zhuǎn)換器至少都包括電阻網(wǎng)絡(luò)和電子開關(guān)兩個基本組成部分。

1113．按輸出模擬信號的類型分類

根據(jù)輸出模擬信號的類型，D/A轉(zhuǎn)換器可分為電流