组合逻辑电路的设计与仿真

摘 要：以交通信号灯监控器为例分析了组合逻辑电路设计的过程,运用SSI、MSI为主要元件分别设计了三种实现电路,并总结了这三种电路的特点,最后利用Multisim软件进行了仿真测试,为组合逻辑电路的设计与仿真提供了借鉴方法.

关 键 词：组合逻辑电路；电路设计；Multisim；仿真；交通信号灯；监控器

中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044（2013）29-6625-04

1概述

数字电子技术已广泛应用于各个专业技术领域,组合逻辑电路是数字电路重要的组成部分,也是时序逻辑电路设计的基础,在实践中被广泛应用.组合逻辑电路的输出仅与当前的输入状态有关,而与输入之前的信号状态无关,因此组合逻辑电路没有记忆功能,在其电路中没有反馈延迟电路[1-2].

Multisim的前身是EWB（ElectronicsWorkbench）软件,是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的交互式SPice仿真和电路分析软件,专用于原理图捕获、交互式仿真、电路板设计和集成测试[3-5].Multisim软件包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式,具有丰富的仿真分析能力.

本文以交通信号灯监控器为例,分别运用与非门74LS00、中规模集成数据选择器74LS151和中规模集成译码器74LS138为主要元件设计三种实现监控交通信号灯状态的控制电路,并利用Multisim12.0软件进行仿真测试.

2组合逻辑电路的设计

2.1组合逻辑电路设计的一般步骤

组合逻辑电路设计主要是将用户的具体设计要求用逻辑函数加以描述,再用具体的电路加以实现的过程.组合逻辑电路的设计可分为小规模集成电路、中规模集成电路、写作或半写作集成电路的设计[6].其设计的一般步骤可用图1来表示：

1）首先对命题要求进行分析,确定输入变量、输出变量的个数和状态,并以真值表的形式列出；

2）根据真值表写出逻辑函数表达式；

3）通过逻辑化简,写出最简的逻辑函数表达式；

4）根据逻辑功能要求以及实际情况,选择合适的门器件,把最简的表达式转换为相应的表达式；

5）根据表达式画出该电路的逻辑电路图.

2.2组合逻辑电路的设计方法

组合逻辑电路可以采用分立元件实现,随着微电子技术的迅速发展和集成电路工艺水平的提高,单块芯片的集成度越来越高,越来越便宜,也可用通过小规模集成电路SSI,中规模集成电路MSI、写作或半写作集成电路等来实现[7].

本文以监控交通信号灯工作状态的监控器为例分析组合逻辑电路的设计方法.交通信号灯是交通信号中的重要组成部分,是道路交通的基本语言,每一组交通信号灯由红、黄、绿三盏灯组成.正常工作情况下,任何时刻必有一盏灯点亮,而且也仅有一盏灯亮.当出现其他状态时,电路发生故障,这时监控器发出故障信号以提醒维护人员前去修理.

2.2.1命题分析

根据交通信号灯监控器的工作原理,确定红、黄、绿三盏灯的状态为输入变量,分别用A、B、C表示；取故障信号为输出变量,用F表示.

检测设：A、B、C取1时,表示灯亮,A、B、C取0时,表示灯不亮；F为1时,表示工作状态正常,F为1时表示发生故障.

2.2.2列写真值表

根据命题分析列出逻辑真值表,如表1所示.

计算机工程应用技术＼jxy02.jpg>（1）

运用卡诺图化简,可得简化的逻辑函数表达式：

2.2.4把最简的表达式转换为相应的表达式

逻辑电路图是根据逻辑函数表达式得出的,因此画逻辑电路图之前要根据逻辑功能要求以及实际情况确定元件,将最简的表达式转换为与所选用元件相对应的表达式.

1）选用与非门实现

选用集成与非门74LS00、74LS20实现交通信号灯监控器,将输出与输入之间的逻辑关系转换为与非表达式.通过表达式变换,得到式3.

数据选择器是一种多路输入、单路输出的逻辑部件.它在控制信号作用下,从多个输入数据中选一个送到输出端.式4给出了数据选择器输出与输入的逻辑关系,其中,A0、A1、等Ak表示控制信号,Y表示输出信号,Di为数据输入信号,mi为控制信号的最小项表示,2k等于n.

从表达式4中可以看出,其输出实际上是数据输入与地址输入的最小项相与的关系,所以数据选择器可以实现各种组合逻辑功能.选用中规模集成数据选择器74LS151可实现交通信号监控器.74LS151是八选一数据选择器,对式1进行变换,可得式5：

[F等于ABC+ABC+ABC+ABC+ABC等于m0+m3+m5+m6+m7等于m01+m10+m20+m31+m40+m51+m61+m71]（5）

由式5可以看出,选用74LS151实现交通信号监控器需使F等于Y,A等于A2,B等于A1,C等于A0,则有D0等于D3等于D5等于D6等于D7等于1,D1等于D2等于D4等于0.

3）选用变量译码器实现

变量译码器是组合逻辑电路中一个重要的器件,它是一个将n个输入变为2n个输出的多输出端的组合逻辑电路.变量译码器的输出与输入之间的逻辑关系可用式6表示：

（6）

其中,Yi是输出端,mi是关于输入变量An-1,An-2,等,A0的最小项,0

[F等于ABC+ABC+ABC+ABC+ABC等于m0+m3+m5+m6+m7等于m0+m3+m5+m6+m7等于m0m3m5m6m7]（7）

使74LS138的三个数据输入端分别为：A等于A2,B等于A1,C等于A0,且三个使能端有效,则74LS138中的8个输出可分别与交通信号灯监控器输出的最小项一一对应.

2.2.5根据表达式画出逻辑电路图

为了便于逻辑电路图的验证,利用Multisim12.0设计逻辑电路图.根据2.2.4小节中三种设计方法的相应表达式：式3、式5、式7画出逻辑电路图,分别如图2、图3、图4所示.

图2～图4中的XLC1为逻辑转换仪,它是Multisim软件的一种虚拟装置,可以接入交通信号灯监控器的输入与输出端,测试与验证其逻辑功能.通过逻辑转换仪中的“逻辑电路转换为真值表”的功能分别验证了图2～图4的逻辑功能,得到的真值表相同,如图5所示,该电路真值表及逻辑函数表达式与设计的要求一致.

2.3设计方法分析比较

选用不同的元件最后设计出的电路形式虽然差别很大,但是实现的逻辑功能却相同.选用如本文选用的74LS00、74LS20等SSI来实现电路,所用的集成电路芯片数量多,线路复杂,通用性不强,仅能够适应某一特殊的函数要求.在用SSI设计电路时,要力求逻辑门电路的数量、种类以及输入端的数量均应达到最少.

选用MSI设计组合逻辑电路,如本文选用的74LS151、74LS138,可以减少元件的数目,具有较强的通用性,可靠性高,易于设计、生产、调试和维护[8].

3组合逻辑电路的仿真

对于设计好的组合逻辑电路,不仅可以通过Multisim中的逻辑转换仪来验证,还可以在Multisim窗口中搭建电路来仿真.从Multisim元件库在已经绘制好的逻辑电路图中添加电源、地、电阻、发光二极管等电器元件并进行连线,得到仿真电路图.由于篇幅有限,文中只给出了用74LS138实现交通信号灯监控器的仿真电路图,如图6所示.

在仿真过程中,S1、S2、S3三个开关在全部打开、全部闭合以及任意两个闭合的情况下,发光二极管就会亮,此时表示交通信号灯出现故障.

4结束语

本文以交通信号灯监控器为例分析了组合逻辑电路设计的过程并进行了Multisim仿真测试.可以看出组合逻辑电路设计中,要实现相同的逻辑功能可根据实际情况选用不同的设计方法；同时,借助于EDA软件Multisim,可以显著提高电路设计工作的效率,为组合逻辑电路的设计仿真提供了一定的借鉴方法.