组合逻辑电路实验的分析

一、实验目的

① 了解组合电路的冒险现象及消除方法。

② 掌握组合逻辑电路的分析与测试方法。

二、实验原理

组合电路的分析是根据所给的逻辑电路，写出其输入、输出之间的逻辑函数表达式或列出真值表，从而确定该电路的逻辑功能。

组合电路是最常见的逻辑电路，可以用一些常用的门电路组合成具有其他功能的门电路。例如，根据与门的逻辑表达式Z=A·B=得知，可以用两个与非门组合成一个与门。

组合电路设计过程是在理想情况下进行的，即假设一切器件均没延迟效应。但实际上，信号通过任何导线或器件都需要一段响应时间，由于制造工艺上的原因，各器件延迟时间的离散性很大，这就有可能在一个组合电路中，在输入信号发生变化时产生错误的输出。这种输出出现瞬时错误的现象称为组合电路的冒险现象（简称险象）。本实验仅对逻辑冒险中的静态0型与1型冒险进行研究。

图2.4.1 0型静态险象

如图2.4.1所示电路，其输出函数Z=A+A，电路达到稳定时，即静态时，输出Z总是“1”。然而在输入A变化时（动态时），从图2.4.1（b）可见，在输出Z的某些瞬间会出现“0”，即当A经历1→0的变化时，Z出现窄脉冲，即电路存在静态0型险象。

同理，如图2.4.2所示电路，Z = AZ ，存在有静态1型险象。

进一步研究得知，任何复杂的按“与或”或“或与”函数式构成的组合电路中，只要能完成A +  A 或AA形式的逻辑功能，必然存在险象。为了消除此现象，可以增加校正项，前者的校正项为被赋值各变量的“乘积项”，后者的校正项为被赋值各变量的“和项”。

还可以用卡诺图判断组合电路是否存在静态险象，以及找出校正项来消除静态险象。

图2.4.2 1型静态险象

三、实验设备与器件

+5 V直流电源；示波器；连续脉冲源；逻辑电平开关；0-1指示器；CC4011，CC4030， CC4071。

四、实验内容

1．分析、测试用与非门CC4011组成的半加器的逻辑功能

① 写出图2.4.3所示电路的逻辑表达式。

Z1=_______ ， S=_______ ，

Z2=_______ ， C=_______ ，

Z3=_______ 。

图2.4.3 由与非门组成的半加器电路

② 根据表达式列出真值表，并画出卡诺图判断能否简化（见表2.4.1、图2.4.4、图2.4.5）。

表2.4.1 图2.4.3所示半加器真值表

图2.4.4 S的卡诺图

图2.4.5 C的卡诺图

③ 根据图2.4.3，在实验板上选定2个14P插座，插好2片CC4011，并接好连线，A，B两输入接至逻辑开关的输出插口。S，C分别接至逻辑电平显示输入插口。按表2.4.2的要求进行逻辑状态的测试，并将结果填入表中，同时与上面真值表进行比较。

表2.4.2 半加器测试值

2．分析、测试用异或门CC4030和与非门CC4011组成的半加器逻辑电路

根据半加器的逻辑表达式可知，半加的和S是A，B的异或，而进位C是A，B的相与，故半加器可用一个集成异或门和两个与非门组成，如图2.4.6所示。测试方法同实验内容1的第③项，将测试结果填入自拟表格中，并验证逻辑功能。

图2.4.6 半加器电路

3．分析、测试全加器的逻辑功能(www.xing528.com)

① 写出图2.4.7所示电路的逻辑表达式。

S=_______ ， X1=_______ ， X2=_______ ，

X3=_______ ， Si=_______ ， Ci=_______ 。

图2.4.7 由与非门组成的全加器电路

② 列出真值表（见表2.4.3）。

表2.4.3 全加器真值表

③ 根据真值表画出逻辑函数Si，Ci的卡诺图（见图2.4.8、图2.4.9）。

图2.4.8 Si的卡诺图

图2.4.9 Ci的卡诺图

④ 按图2.4.7要求，选择与非门并接线，进行测试，将测试结果填入表2.4.4，并与上面真值表进行比较。

表2.4.4 全加器测试值

4. 分析、测试用异或门、或非门和非门组成的全加器逻辑电路

根据全加器的逻辑表达式：

全加和 Si=(Ai⊕Bi)⊕Ci-1

进位 Ci=(Ai⊕Bi) · Ci-1+Ai·Bi

可知，一位全加器可以用2个异或门和2个与门及1个或门组成。

① 画出用上述门电路实现的全加器逻辑电路。

② 按所画的原理图，选择器件，并在实验板上接线。

③ 进行逻辑功能测试，将测试结果填入自拟表格中，判断测试是否正确。

5. 观察冒险现象

按图2.4.10接线，当B=1，C=1时，A输入矩形波（f在1 MHz以上），用示波器观察Z输出波形，并用添加校正项方法消除险象。

图2.4.10

五、预习要求

① 预习组合电路险象的种类、产生的原因以及防止险象的方法。

② 预习组合逻辑电路的分析方法。

③ 预习用与非门和异或门等构成半加器、全加器的工作原理。

六、实验报告要求

① 整理实验数据、图表，并对实验结果进行分析讨论。

② 总结组合电路的分析与测试方法。

③ 对险象进行讨论。