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        編碼器設(shè)計與應(yīng)用的優(yōu)化

        2014-01-21 00:53:34曹穎超王根義
        電子設(shè)計工程 2014年22期
        關(guān)鍵詞:真值表二進制編碼器

        曹穎超,王根義

        (1.西安科技大學(xué) 計 算機學(xué)院,陜西 西 安 7 10054;2.陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜 西 西 安 7 10100)

        在現(xiàn)代智能化設(shè)備中,編碼器應(yīng)用范圍越來越大,但由于社會中一般的應(yīng)用型人才對編碼器知識的缺乏和和對編碼器掌握不牢靠,限制了編碼器的應(yīng)用范圍。故寫此文讓基層一般的應(yīng)用型人才深入掌握編碼器知識,提高編碼器的應(yīng)用范圍。

        1 編碼器的概念

        一般來說,用文字、符號或者數(shù)字表示特定對象的過程都可以叫做編碼。日常生活中就經(jīng)常遇到編碼的問題。例如,孩子出生時家長給取名字,在計算機中把一個字符用一個對應(yīng)的二進制數(shù)來表示,給一個地域起一個名稱,在計算機中把一個英文字母、數(shù)字等字符用一個7位的二進制代碼即ASCII來表示,把一個十進制數(shù)用BCD來表示等等,都是編碼。由于十進制數(shù)用電路實現(xiàn)起來比較困難,所以在數(shù)字電路中不用它們編碼,而是用二進制數(shù)進行編碼,相應(yīng)的二進制數(shù)叫做二進制代碼。編碼器就是實現(xiàn)編碼操作的電路。用n位二進制代碼可以對2n個信號進行編碼,把可以表示n位二進制代碼的編碼電路叫做n位二進制編碼器。

        2 編碼器的設(shè)計

        以一個2位的二進制編碼器的設(shè)計為例。

        1)編碼真值表

        一個2位編碼器,可以對22=4個輸入變量I3、I2、I1和I0進行編碼。輸出函數(shù)為2位2進制數(shù)Y1Y0,這個編碼器的真值表如表1所示。

        表1 2位編碼器編碼器真值表Tab1.The truth table of 2 bit encoder

        2)輸出函數(shù)Y1的卡諾圖

        根據(jù)2位的二進制編碼器的真值表,可以畫出輸出函數(shù)Y1的卡諾圖,如表2所示,其中“×”表示此處的約束行不存在。

        表2 輸出函數(shù)Y1的卡諾圖Tab.2 The karnaugh map of output function Y1

        3)輸出函數(shù)Y0的卡諾圖如表3所示。

        根據(jù)2位的二進制編碼器的真值表,可以畫出輸出函數(shù)Y1的卡諾圖,如表3所示,其中“×”表示此處的約束行不存在。

        表3 輸出函數(shù)Y0的卡諾圖Tab.3 The karnaugh map of output function Y0

        3 編碼器的實現(xiàn)

        根據(jù)輸出函數(shù)Y1的卡諾圖和輸出函數(shù)Y0的卡諾圖,分別化間得出Y1和Y0的最簡邏輯表達式如下:

        根據(jù)Y1和Y0的最簡邏輯表達式,就可以用非門、與門和或門來實現(xiàn)這個2位的二進制編碼器,畫出如圖1所示的邏輯圖。

        當然,實際用的編碼器還要解決區(qū)分I0~I3均為0、I0為1,I1~I3均為 0、I0~I3中不可能出現(xiàn)兩個 1 的情況與 I0~I中至少有兩個1這四種種情況。第一種情況,如果I0~I3均為0,即沒有任何輸入信號,這種情況是很容易區(qū)別的 ,只要再添加一個附加的輸出變量F,即用Y1的非、Y0的非和I0的非作為一個與門的輸出邏輯變量F的輸入變量,那么這個邏輯變量F只有在I0~I3均為0時方為1,其余任何情況均為0;第二種情況,如果I0為1,I,1~I3均為0,這種情況屬于一種正常普通情況,在這里不需要討論;第三種情況,I0~I3中不可能出現(xiàn)兩個1,即I0~I3這些輸入變量互相排斥,這種情況邏輯設(shè)計最簡單,只要將使邏輯函數(shù)值為1的邏輯變量進行邏輯或即可;第四種情況,如果I0~I中至少有兩個1,這種情況又可以分為兩種情況,一種情況是輸入變量出現(xiàn)異常錯誤情況,可以再添加一個輸出邏輯變量予以提示用戶,另一種情況是輸入變量有這種狀態(tài),但要求編碼器按照它們的輕重緩急進行排隊編碼,這在中斷系統(tǒng)中是常見現(xiàn)象,這就要求編碼器設(shè)計者按照輸入邏輯變量的編碼優(yōu)先級進行編碼設(shè)計另外一種編碼器,如我們熟悉的8259A芯片。文中如圖1所設(shè)計的編碼器就是針對I0~I中有可能出現(xiàn)兩個以上的1的異常錯誤情況設(shè)計的編碼器,但沒有畫出區(qū)別I0~I3均為0情況的輸出邏輯變量及提示出現(xiàn)異常錯誤情況的輸出邏輯變量的邏輯電路圖。

        在智能化設(shè)備制造中,根據(jù)具體情況,如果要求使用的編碼器位數(shù)比較少,就可以直接用邏輯門來構(gòu)成,這樣往往使用靈活,成本低廉,而且各個方面的性能容易滿足。另外一種情況,就是經(jīng)常要用到的編碼器,把它設(shè)計好好后制作在一個芯片上,所得到的便是集成編碼器,使用非常方便。而且,也可以用位數(shù)較少的編碼器級聯(lián)成滿足需求的位數(shù)較多的編碼器。

        圖1 4線-2線編碼器Fig.1 4-2line encoder

        4 2位2進優(yōu)先編碼器

        1)優(yōu)先編碼的概念

        前面講的編碼器,輸入信號都是互相排斥的,也就是說在任何時刻,只能對一個輸入信號進行編碼,不允許有兩個和兩個以上輸入信號同時存在的情況出現(xiàn),但在優(yōu)先編碼器中則不同,允許幾個信號同時輸入,但是電路只對其中優(yōu)先級別最高的進行編碼,不理睬級別低的信號,或者說級別低的信號不起作用,這樣的電路叫做優(yōu)先編碼器。也就是說,在優(yōu)先編碼器中是優(yōu)先級別高的信號排斥級別低的,即具有單方面排斥的特性。至于優(yōu)先級別的高低,則完全是由設(shè)計人員根據(jù)各個輸入信號輕重緩急情況決定的。例如,微機中的I/O接口芯片8259A就用到優(yōu)先編碼器,各個中斷源的優(yōu)先級別還可以由程序員編程規(guī)定。

        下面以一個2位的二進制優(yōu)先編碼器的設(shè)計為例。

        2)優(yōu)先編碼真值表

        如果我們規(guī)定,下列輸入信號I3、I2、I1和I0的編碼優(yōu)先級別是I3>I2>I1>I0,則優(yōu)先編碼器的真值表如表4所示。

        3)輸出函數(shù)Y1的卡諾圖

        根據(jù)2位的二進制優(yōu)先編碼器的真值表,可以畫出輸出函數(shù)Y1的卡諾圖,如表5所示。

        化簡卡諾圖得,Y1=I3+I2

        4)輸出函數(shù)Y0的卡諾圖如表6所示。

        根據(jù)2位的二進制優(yōu)先編碼器的真值表,可以畫出輸出函數(shù)Y0的卡諾圖如表6所示。

        化簡卡諾圖得,Y0=I3+I1

        5)優(yōu)先編碼器的實現(xiàn)

        根據(jù)優(yōu)先編碼器的輸出函數(shù)Y1的卡諾圖和輸出函數(shù)Y0的卡諾圖,分別化間得出Y1和Y0的最簡邏輯表達式如下:

        用與門很容易實現(xiàn),畫出如圖2所示的邏輯圖。

        表4 優(yōu)先編碼器真值表Tab.4 The truth table of priority encoder

        表5 輸出函數(shù)Y1的卡諾圖Tab.5.The karnaugh map of output function Y1

        表6 輸出函數(shù)Y0的卡諾圖Tab.6 The karnaugh map of output function Y0

        圖2 2位優(yōu)先編碼器的邏輯圖Fig.2 The logical diagram of two-bit priority encoder

        5 實驗

        對直接用邏輯門設(shè)計制造的編碼器和優(yōu)先編碼器,與用集成電路芯片設(shè)計制造的編碼器和優(yōu)先編碼器進行實驗測試,發(fā)現(xiàn)在二進制數(shù)位相同的條件下,前者比后者成本降低30%,且速度提高1倍,但后者在應(yīng)用較多,更換較多的場合卻比較方便。

        6 結(jié)論

        現(xiàn)在,社會中的智能化設(shè)備對編碼器的需求量越來越多,大部分編碼器的應(yīng)用者往往因一個簡單的編碼器而不得不暫時中止手頭工作。本論文的創(chuàng)新點,就是提示相關(guān)工作人員在一定的條件下可以用幾個簡單的邏輯門來構(gòu)成需要的編碼器,已解決實際問題。

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