劉占文，高 飛， 王軼萍， 王 丹，包興臣

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710064；2.陜西工業(yè)技術(shù)研究院 陜西 西安 710054；3.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院 北京 100088；4.山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院 山東 濟(jì)南 250031）

目前數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)三部分，每一部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排的側(cè)重點(diǎn)不同。比如設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)，要求學(xué)生依據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)電路，并選擇器件、安裝調(diào)試完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。從教學(xué)實(shí)踐來看，多數(shù)學(xué)生能夠順利完成實(shí)驗(yàn)要求，但解決問題的思路單一，設(shè)計(jì)過程靈活性差，不注意創(chuàng)新思維能力的鍛煉。這就要求教師在合理安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的同時(shí)，不斷通過各種途徑，引導(dǎo)學(xué)生拓寬知識(shí)面，創(chuàng)新思維方式，對(duì)待同一問題，積極探索多種解決問題的路徑。組合邏輯電路的設(shè)計(jì)多種多樣，筆者選擇一種奇偶校驗(yàn)電路實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

奇偶校驗(yàn)電路在組合邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)中具有一定的典型性和實(shí)用性[1-2]，熟悉判奇電路的邏輯功能及電路實(shí)現(xiàn)，有助于加深對(duì)組合邏輯電路的理解與掌握。以判奇電路實(shí)現(xiàn)為例，分別討論了用門電路、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器的多種實(shí)現(xiàn)方案，用實(shí)例說明了組合邏輯電路設(shè)計(jì)的靈活性與多樣性。

1 三輸入變量判奇電路的真值表及表達(dá)式

對(duì)于三輸入變量的判奇問題，設(shè)其輸入變量分別用A、B、C表示，輸出函數(shù)用F表示。當(dāng)輸入變量的取值組合中有奇數(shù)個(gè)1時(shí)，輸出函數(shù)值為1；當(dāng)輸入變量的取值組合中1的個(gè)數(shù)為偶數(shù)時(shí)，輸出函數(shù)值為0，依據(jù)這種邏輯關(guān)系可列寫出三輸入變量判奇電路的真值表如表1所示。

表1 三輸入判奇電路的真值表Tab.1 Truth table of odd check circuit with three inputs

2 采用門電路實(shí)現(xiàn)三輸入變量判奇電路

門電路實(shí)現(xiàn)三輸入變量判奇電路的方法有很多，文中列舉如下。

方法一：與或表達(dá)式（1）可用反相器、與門、或門直接實(shí)現(xiàn)，作其電路圖如圖1所示。

圖1 采用反相器、與門、或門實(shí)現(xiàn)Fig.1 Odd check circuit using inverters，AND gates and OR gate

用反相器、與門、或門實(shí)現(xiàn)三輸入判奇電路，其特點(diǎn)是表達(dá)式基本沒有變化，實(shí)現(xiàn)途徑簡(jiǎn)單明了，缺點(diǎn)是連線較多，電路復(fù)雜。

方法二：與或表達(dá)式（1）也可用反相器、與或門實(shí)現(xiàn)，電路圖如圖2所示。

圖2 采用反相器、與或門實(shí)現(xiàn)Fig.2 Odd check circuit using inverters and AND-OR Gate

由上述兩種不同門電路設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)三輸入變量判奇電路可以得出，方法一和方法二雖然實(shí)現(xiàn)邏輯簡(jiǎn)單，但是都連線太多，浪費(fèi)資源。

同一邏輯問題的邏輯函數(shù)表達(dá)式是不具備唯一性的。對(duì)三變量輸入判奇邏輯問題的輸出函數(shù)表達(dá)式（1）進(jìn)行變換如下所示：

方法三：根據(jù)上述表達(dá)式（2）得出，三輸入變量判奇電路也可采用異或門實(shí)現(xiàn)，其電路如圖3所示。

圖3 采用異或門實(shí)現(xiàn)Fig.3 Odd check circuit using exclusive OR Gates

由圖3所示電路可見，對(duì)于三輸入變量判奇的邏輯問題，當(dāng)采用異或門實(shí)現(xiàn)時(shí)，相比于方法一和方法二，電路中的連線較少，電路簡(jiǎn)單明了，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。

對(duì)于異或邏輯表達(dá)式也可以稍作變換得出：

即一個(gè)異或門可用4個(gè)2輸入與非門實(shí)現(xiàn)，所以三輸入判奇電路又可用8個(gè)2輸入與非門實(shí)現(xiàn)，電路如圖4所示。

圖4 采用2輸入與非門實(shí)現(xiàn)Fig.4 Odd check circuit using NOT-AND Gates with two inputs

3 采用74138譯碼器實(shí)現(xiàn)三輸入變量判奇電路

譯碼器的電路結(jié)構(gòu)表明，在適當(dāng)?shù)倪B接條件下，譯碼器實(shí)際上是一個(gè)最小項(xiàng)發(fā)生器。依據(jù)邏輯代數(shù)的基本原理，任何一個(gè)邏輯函數(shù)表達(dá)式都可以變換為最小項(xiàng)表達(dá)式。因此，譯碼器與適當(dāng)?shù)拈T電路結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)給定的邏輯函數(shù)。對(duì)于三輸入變量的判奇問題，利用74138譯碼器并配備適當(dāng)?shù)拈T電路亦可實(shí)現(xiàn)。由74138譯碼器的功能表可知[3-4]

在（4）式中，當(dāng)G1=1，G2A=G2B=0時(shí)，有Yi=。 如果把給定邏輯函數(shù)的輸入變量連與74138譯碼器的A2A1A0輸入端相連接，比如取A2A1A0=ABC，則邏輯函數(shù)表達(dá)式（1）可變換為：

（5）式表明，三輸入變量判奇電路可以利用74138譯碼器和四輸入與非門實(shí)現(xiàn)，其電路如圖5所示。

圖5 三輸入判奇電路的譯碼器和與非門實(shí)現(xiàn)Fig.5 Odd check circuit using 74138 and NOT-AND Gate

4 采用數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn)三輸入變量判奇電路

數(shù)據(jù)選擇器的輸出與輸入關(guān)系的一般表達(dá)式[4]為：

（式）6中EN是輸入使能控制信號(hào)，mi是地址輸入變量構(gòu)成的最小項(xiàng)，Di表示數(shù)據(jù)輸入。當(dāng)使能輸入信號(hào)有效時(shí)，如果把數(shù)據(jù)輸入作為控制信號(hào)，則當(dāng)Di=1時(shí)，其對(duì)應(yīng)的最小項(xiàng)mi在表達(dá)式中出現(xiàn)，當(dāng)Di=0時(shí)，其對(duì)應(yīng)的最小項(xiàng)mi在表達(dá)式中就不出現(xiàn)。所以，數(shù)據(jù)選擇器的輸出表達(dá)式事實(shí)上是受數(shù)據(jù)輸入端控制的最小項(xiàng)之和表達(dá)式?？紤]到任何一個(gè)邏輯函數(shù)表達(dá)式都可以變換為最小項(xiàng)表達(dá)式，因此，只要邏輯函數(shù)的輸入變量接到數(shù)據(jù)選擇器的地址選擇輸入端，就可以實(shí)現(xiàn)組合邏輯函數(shù)[5-7]。利用數(shù)據(jù)選擇器這一特點(diǎn)，亦可實(shí)現(xiàn)三輸入變量的判奇電路。

如果選用八選一數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn)三輸入變量的判奇電路，此時(shí)，函數(shù)的輸入變量個(gè)數(shù)與數(shù)據(jù)選擇器的地址變量個(gè)數(shù)相同。如果令A(yù)2A1A0=ABC，使能輸入端接地，則（6）式變?yōu)椋?/p>

比較（1）與（7）式，可見只要 D0=D3=D5=D6=0，D1=D2=D4=D7=1，則有Y=F。由此可作電路圖如圖6（a）所示。也可以采用四選一數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn)，其電路之一如圖6（b）所示。

圖6 采用數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn)Fig.6 Odd check circuit using multiplexer

5 采用反函數(shù)取非的方式設(shè)計(jì)判奇電路

在上述的判奇電路設(shè)計(jì)中，是按照輸出函數(shù)的原函數(shù)進(jìn)行分析。邏輯代數(shù)的基本定理表明：F=，由此可得出組合邏輯電路設(shè)計(jì)的另一途徑，即先求出再反相。這樣做看起來是麻煩一點(diǎn)，但對(duì)于某些應(yīng)用場(chǎng)合，設(shè)計(jì)過程并不增加麻煩，反而提供了解決問題的一種途徑。對(duì)于三輸入變量的判奇電路，在真值表1中對(duì)0寫出F的反函數(shù)有：

對(duì)式（8）兩邊取反有：

對(duì)于（9）式，可采用反相器、與或非門實(shí)現(xiàn)，其電路如圖7所示。（9）式同樣可采用74138譯碼器或者數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié)束語

圖7 采用反相器及與或非門實(shí)現(xiàn)Fig.7 Odd check circuit using Inverters and AND-OR-NOT gate

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)過程，正確的設(shè)計(jì)以熟悉基本知識(shí)為前提。對(duì)于具體的應(yīng)用問題，由于組合邏輯電路元器件的多樣性，為實(shí)現(xiàn)途徑提供了多種可能的選擇，文中以三輸入變量的判奇邏輯問題為例，分析討論了多種電路實(shí)現(xiàn)的途徑，給出了7種電路實(shí)現(xiàn)方案，用實(shí)例說明了邏輯電路設(shè)計(jì)的靈活性與多樣性。

三輸入變量判奇邏輯電路的設(shè)計(jì)僅僅是個(gè)例，通過其設(shè)計(jì)途徑的討論在其他邏輯電路設(shè)計(jì)中舉一反三是目的。利用文中提出的設(shè)計(jì)思路，同樣可以設(shè)計(jì)全加器、全減器等其它組合邏輯電路，開闊組合邏輯電路設(shè)計(jì)的視野，培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力，指導(dǎo)數(shù)字邏輯電路的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)。

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