数字电路中的编码器及其逻辑电路设计

1.“编码”基本概念

什么叫“编码”？简单地说，用文字、符号、数字等表示特定对象的过程称为编码。在我们日常生活中存在着大量的“编码”问题，如图10.11 所示，父母给小孩取名子（文字）、学校给学生指定学号（数字）、车主给新车确定车牌号（文字、字母、数字等）、为了防火用特定图形符号表示“注意防火”等等，都叫编码。

图10.11　编码概念图

在数字电路中，则用0、1 组成的二进制代码表示特定对象，即用n 位输出二进制代码，对N=2n个输入信号进行编码。

2.8 线-3 线编码器

8 线-3 线编码器：输入有8 个（即N=8）特定对象信号，输出有3 位（即8=2n，n=3）编码信息。如图10.12 所示。

图10.12　编码器示意图

例如，对8 个按钮电键[用 I7、I6、I5、I4、I3、I2、I1、I0表示，如图10.12（a）所示]进行二进制编码，因为N=23=8，所以，用n=3位二进制进行编码，即输出端的数为3（用Y2、Y1、Y0表示），其编码的结果如表10.5 所示。

表10.5　3 位二进制编码表

根据编码表10.5，列逻辑表达式为

由上列 Y0、Y1、Y2逻辑表达式，可以完成图10.12（b）所示的8 线-3 线编码器的逻辑电路设计。

用来实现编码功能的电路，称为编码器，如图10.12（b）所示。它的输入是待编码的信号，输出则是与该信号相对应的一组二进制代码。例如：图10.12（a）中，输入电键 I0对应的代码为000、I6对应的代码为110。

3.8421BCD 码编码器

8421BCD 码编码器：将十进制数0、1、2、…、9 转换成4 位输出8421BCD 码的电路。又称为二-十进制编码器。其编码功能如表10.6 所示。

表10.6　10 线-4 线8421BCD 码编码表

根据编码表10.6，列逻辑表达式为

由上列 Y0、Y1、Y2、Y3逻辑表达式，可以完成图10.13 所示的8421BCD 码编码器的逻辑电路设计。

图10.13　8421BCD 码编码器示意图

4.优先编码器

普通编码器：在某一时刻只允许有一个有效的输入信号，如果同时有两个或两个以上的输入信号要求编码，输出端则会发生混乱，出现错误。如表10.5、表10.6 所示为普通编码器功能表。

优先编码器：允许同时输入两个以上编码信号，编码器按输入信号排定的优先顺序，只对优先级别最高的一个信号进行编码，优先级低的信号则不起作用。如表10.7 所示为优先编码器功能表。(www.xing528.com)

优先编码器在控制系统中有着十分重要的作用。例如，电子计算机中，控制“中断”就是存在优先权问题，人们采用优先编码器解决。

1）8 线-3 线优先编码器74LS148

8 线-3 线优先编码器74LS148 外引线功能端排列和编码器示意图如图10.14 所示。

图10.14　8 线-3 线优先编码器

74LS148 编码功能如表10.7 所示

表10.7　8 线-3 线优先编码器74LS148 编码表

注释：
“×”：表示输入信号为无关项，即输入信号为0 或1，对输出逻辑函数Y 都没有影响。选通输入端ST ：当ST=0时允许编码；当ST=1时编码被禁止。
编码信号输入端 I7～ I0：I7优先权最高，I0优先权最低；当ST=0时，输入端信号为低电平（即“0”）时，输出端有对应的代码信号输出。称为输入端以低电平作为有效信号。
编码器输出端 Y2、Y1、Y0：在ST=0状态下，当输入端有低电平信号输入时，编码器输出相应的代码，其代码为二进制的反码，即只要 I7输入为低电平（即）时，输出端 Y2Y1Y0的二进制的反码代码为（即111 的二进制反码为000）；当 I7输入为高电平（即 I7）、I6输入为低电平（即）时，只对编码，输出端的代码为（即110 的二进制反码为001）。注意：输出以低电平作为有效信号。
选通输出端 YS：YS是在多个编码器之间组合进行扩展连接（简称“级连”）时所应用的端口。即高位编码器的 YS端与低位的ST 端连接，从而实现编码器功能的扩展。如图10.15 所示，两片编码器组合扩展为16 线-4 线优先编码器。
优选扩展输出端 YEX：在编码器扩展的级连应用中，YEX可作为输出的扩展端，如图10.15 所示。

【例10.5】 用两片8 线-3 线优先编码器74LS148，扩展为16 线-4 线优先编码器，试画出扩展电路图。

分析：

（1）16 线-4 线优先编码器：两片8 线-3 线优先编码器的输入端合计共有16 个，则需要4 位代码输出端。

（2）输出端代码分配：根据编码1111～0000 特点，可分为1111～1000（低位编码器）、0111～0000（高位编码器）两片输出代码，则最高位 Y3编码用 YEX为输出端，Y2、Y1、Y0为后三位111～000 的输出端。

（3）级连：高位的编码器 YS与低位的编码器ST 连接，当高位有输入时，低位编码器ST等于高位编码器 YS的输出代码1，低位编码器编码被禁止；当低位编码器输入时，高位编码器输出 YEXY2Y1Y0为1111，YS为0，低位编码器ST 为0，允许编码。

解　是编码输入信号端，输入有效电平为低电平（即0 有效），优选级别最高，最低。

输出4 位二进制反码，即0000～1111。

用两片74LS148 扩展为16 线-4 线优先编码器电路如图10.15 所示。

图10.15　16 线-4 线优先编码器

结论：编码器进行扩展设计时，首先，要明确编码器的高、低位，再利用选通输出端（即“级连”端） YS与选通输入端ST 的连接，实现编码器的扩展功能。

2）8421BCD 优先编码器74LS147

8421BCD 优先编码器（称为二－十进制优先编码器）74LS147 外引线功能端排列和编码器示意图如图10.16 所示。

图10.16　二－十进制优先编码器

图10.16（a）所示管脚15 为空。74LS147 优选编码器有9 个输入端（即 I9～I1），I9优选级别最高，I0最低。当某个输入端为0（即低电平有效），则输出其对应8421BCD 码的二进制反码；当9 个输入全为1 时，4 个输出为1111，表示 I0输入低电平。其74LS147 优先编码器的编码功能如表10.8 所示。

表10.8　二－十进制优先编码器74LS147 编码表