3 组合电路应用实验
3.1 用小规模集成电路进行组合逻辑电路设计实验
1.实验目的
（1）掌握用小规模集成电路设计组合逻辑电路的方法。
（2）用实验验证所设计电路的逻辑功能。
2．实验原理
数字逻辑电路根据逻辑功能的不同特点分为两大类，一类叫做组合逻辑电路，另一类是时序逻辑电路。
组合逻辑电路任何时刻的输出仅取决于该时刻的输入信号，而与这一时刻输入信号作用前电路原来的状态没有任何关系。
根据实际给出的逻辑问题，求出实现这一逻辑功能的最佳逻辑电路，这就是组合逻辑电路设计所要完成的任务。由小规模集成电路（SSI）构成组合逻辑电路设计一般可分为以下5个步骤进行：
（1）分析任务要求，确定输入和输出变量之间的逻辑关系，列出真值表。
（2）根据真值表，写出逻辑表达式，并用布尔代数法或卡诺图法化简，得出最简的逻辑
函数表达式。
（3）按化简后的逻辑表达式，对照真值表进行功能检查，以确定所设计的电路是否符合要求。
（4）按照具体情况对化简后的逻辑表达式进行整理，具体可能是：
①从尽可能简单的角度来考虑选用元器件。
②设计任务中规定了所用的电路类型，如规定用与非门、或非门、与或非门等。
③从经济角度考虑选用价格便宜的元件或利用现有的元件来构成电路。
（5）选用元件时，可以用同类型号的元件来实现相同的逻辑功能。对于小规模器件来说，应充分利用每个门的扇入系数，力求用最少量的门获得最佳效果。
组合逻辑电路设计的步骤也可用如图所示的框图来描述。
图3–1–1组合逻辑电路设计过程框图
上图中的逻辑化简，是组合逻辑电路设计步骤中较重要的一步。为了确保逻辑电路结构简单以及使用器件较少，通常要求尽可能简化逻辑表达式，还要根据实际情况，使电路结构达到最佳。
前面几步只是完成了基本的逻辑设计任务，至于设计功能是否正确，电路是否稳定可靠，还需进行静态测试。也就是说根据真值表来改变输入变量，测出对应的输出值，验证电路的逻辑功能。下面通过一个例子说明组合逻辑电路设计过程。
例如，要求设计一个组合逻辑电路，将8421BCD码变换为余3码。
①根据题意，列出真值表。
这是一个码制变换问题。由于都是BCD码，因此它是一个四输入、四输出的逻辑函数。根据两种代码的编码关系，列出真值表如表3–1–1所示。
表3–1–1 代码转换电路真值表
②选择实验器件，写出逻辑函数表达式。
由于设计要求没有具体指定采用哪一种逻辑门电路，因此可以从门电路的种类、数量、速度等方面综合考虑，选择最佳的设计方案。首先根据代码转换真值表，化简后得出最简与或表达式。然后根据电路成本和信号处理速度两个指标变换函数式。变换的原则是应尽量利用公共项以减少逻辑门的数量和类别，同时要设法减少逻辑门的级数以减少信号传输延迟时间，以此得到最佳逻辑函数式。该电路的化简过程如下：
用卡诺图对逻辑函数进行化简如图3–1–2 所示，即采用圈圈合并最小项的方法。函数化简后乘积项的数目等于合并圈的数目，每个乘积项所含变量因子的大小，取决于合并圈的数目，每个合并圈应尽可能的扩大。化简后各输出的逻辑表达式为
图3–1–2 表3–1–1 对应的卡诺图
③画出逻辑电路原理图。
该电路采用了三种门电路，输入至输出的信号传输时间为两级门的延迟，速度相对较快。逻辑电路图如图3–1–3所示。
图3–1–3 代码转换逻辑电路原理图
3．实验预习要求
（1）复习用SSI进行组合逻辑电路设计的相关内容。
（2）根据实际任务要求，从设计过程到电路图实现,设计组合逻辑电路。
（3）制定测试方法和步骤。
4．实验内容
(1)使用若干与非门和异或门设计一个一位二进制全加器或全减器。
(2)设计代码转换电路（如8421码转换为余3格雷码；8421码和余3码的代码
转换电路）
(3)如果将旅客列车分为特快、直快和慢车，它们的优先顺序为特快、直快和
慢车，在同一时刻只能有一趟列车从车站开出，即只能给出一个开出信号。
请设计一个满足上述要求的排队电路。
(4)设计一个保险箱用的4位代码锁。该锁有A，B，C，D的输入端及一个开箱
钥匙孔信号ON的输入端，当开箱时（ON＝1），若输入的代码（例如ABCD
＝1011）与设定的代码相同，保险箱就打开（X＝1）；若代码不符，电路就
发出报警信号（Y＝1）。
①写出设计步骤，要求使用最佳设计方案来实现。
②连接实验电路并检测逻辑功能是否符合设计要求。
注：
（1）设计时要把控制要求抽象为二值逻辑命题，以确定输入、输出变量以及它们的逻辑关系。
（2）在实验进行中，插拔集成芯片或改变电路连接线时，一定要切断电源，否则集成芯片容易受到较大感应或电冲击，从而导致损坏。
（3）实验电路中的连接线长度要尽可能短，其目的是防止噪声干扰及减少传输时间。
5．实验设备与器材
（1）数字逻辑实验箱一台
（2）双列直插式集成电路 74LS00，74LS10，74LS20，74LS86等
6．实验思考题
（1）通过实验，你认为SSI组合逻辑电路设计的关键步骤是什么？
（2）对于同一个命题，是否有不同的设计方案，比较各自的优缺点。
（3）为防止集成电路的电源电压接反，而造成器件损坏，保护电路如何设计？
7.实验报告要求
（1）根据各题实验任务，列出相应的真值表、画出卡诺图，写出最简的逻辑表达式，画出设计的逻辑电路图。
（2）将设计的电路进行实验测试，并记录测试结果。
（3）对实验中出现的问题进行分析。
（4）实验体会和设计分析。
