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1、第第2讲讲 逻辑函数的化逻辑函数的化简简本讲稿第一页，共六十九页上节主要内容回顾上节主要内容回顾逻辑代数的基本运算：与或非及电路符号逻辑代数的基本运算：与或非及电路符号用真值表和逻辑函数描述逻辑电路用真值表和逻辑函数描述逻辑电路根据真值表写出原始的逻辑函数表达式根据真值表写出原始的逻辑函数表达式本讲稿第二页，共六十九页本讲主要内容本讲主要内容布尔代数的基本公式和定律布尔代数的基本公式和定律逻辑函数的代数法化简逻辑函数的代数法化简逻辑函数的卡诺图化简逻辑函数的卡诺图化简本讲稿第三页，共六十九页用真值表证明分配律：用真值表证明分配律：A+BC=(A+B)(A+C)A+BC=(A+B)(A+C)两个
2、变量的摩根定律的真值表证明：两个变量的摩根定律的真值表证明：基本定律的证明基本定律的证明本讲稿第四页，共六十九页吸收律证明：A+AB=A(1+B)=A(因为1+B=1)根据分配律根据分配律A+BC=(A+B)(A+C)本讲稿第五页，共六十九页多余项定律证明如下：多余项定律证明如下：本讲稿第六页，共六十九页多余项定律可推广为多余项定律可推广为本讲稿第七页，共六十九页基本规则基本规则 1、代入规则：、代入规则：逻辑等式等式中的任何变量A，都可用另一逻辑函数Z代替，等式仍然成立。本讲稿第八页，共六十九页例例 1 证明解解这是两变量的摩根定律，若将等式两边的B用B+C代入便得到这样就得到三变量的摩根定
3、律。同理可将摩根定律推广到n变量本讲稿第九页，共六十九页 2.对偶法则对偶法则 对于任何一个逻辑表达式F，如果将其中的“+”换成“”，“”换成“+”，“”换成“0”，“0”换成“1”，则可得原函数F的对偶式G，且F和G互为对偶式。对偶法则：对偶法则：原式F成立，则其对偶式也一定成立。本讲稿第十页，共六十九页其对偶式为：其对偶式为：如不加括号，就变成如不加括号，就变成是错误的。是错误的。注意：注意：在求对偶式时，要保持原式的逻辑优先关系，在求对偶式时，要保持原式的逻辑优先关系，应正确应正确使用括号。使用括号。本讲稿第十一页，共六十九页3.反演法则用途：由原函数求反函数，称为反演或求反。用途：由原
4、函数求反函数，称为反演或求反。方法：方法：利用摩根定律利用摩根定律利用反演法则利用反演法则本讲稿第十三页，共六十九页例例：求的反函数解解1 用摩根定律求本讲稿第十四页，共六十九页利用反演法则反演法则求反：将原函数F中的“”换成“+”,“+”换成“”；“0”换成“1”，“1”换成“0”；原变量换成反变量，反变量换成原变量，长非号即两个或两个以上变量的非号不变，即可得反函数。如上例注意，与求对偶式一样，为了保持原函数逻辑优先顺序，应合理加括号，否则出错。本讲稿第十五页，共六十九页公式的应用：公式的应用：逻辑函数的形式转换逻辑函数的形式转换用选定的逻辑器件实现用选定的逻辑器件实现逻辑函数的化简：逻辑
5、函数的化简：实现单路简单，降低成本和系统的复杂性实现单路简单，降低成本和系统的复杂性本讲稿第十六页，共六十九页例例：将函数与或表达式：将函数与或表达式 转换为其它转换为其它形式。形式。解：解：（1）转换为）转换为 与非与非-与非式。与非式。将与或式两次取反，利用摩根定律可得将与或式两次取反，利用摩根定律可得这样就可以全部使用与非门实现这样就可以全部使用与非门实现（详见第（详见第2章）章）本讲稿第十七页，共六十九页代数法化简代数法化简1 1、并项法、并项法2 2、吸收法、吸收法3 3、应用多余项定律、应用多余项定律4 4、拆项法拆项法5 5、添项法添项法本讲稿第十八页，共六十九页例例：解解 令
6、则1、并项法：利、并项法：利利用利用A+A=1的公式，将两项合并为的公式，将两项合并为一项，消去一个变量一项，消去一个变量用用1、并项法：、并项法：利利用利利用A+A=1的公式，将两项的公式，将两项合并为一项，消去一个变量用合并为一项，消去一个变量用例例：解解例例：解解 令 则本讲稿第十九页，共六十九页2、吸收法：吸收法：应用以下定律应用以下定律 例例：本讲稿第二十页，共六十九页例例：解解 令本讲稿第二十一页，共六十九页例例 13解解令本讲稿第二十二页，共六十九页3、应用多余项定、应用多余项定律律例例：解解例例：解解本讲稿第二十三页，共六十九页例例解解本讲稿第二十四页，共六十九页综合例子综合例
7、子化简解解本讲稿第二十五页，共六十九页4、拆项法拆项法例例拆项法就是用 去乘某一项，将一项拆成两项，再利用公式与别的项合并达到化简的目的。化简过程如下：本讲稿第二十六页，共六十九页在函数中加入零项因子 ，利用加进的新项，进一步化简函数。例 解解5、添项法添项法本讲稿第二十七页，共六十九页【例13】：有原始逻辑函数表达式为 要求：(1)画出原始逻辑表达式的逻辑图；(2)用布尔代数简化逻辑表达式；(3)画出简化逻辑表达式的逻辑图。本讲稿第二十八页，共六十九页本讲稿第二十九页，共六十九页化简：化简：本讲稿第三十页，共六十九页【例15】设计一个逻辑电路，当三个输入A,B,C中至少有两个为低时，该电路则
8、输出为高。要求：(1)建立真值表；(2)从真值表写出布尔表达式；(3)如果可能，简化表达式；(4)画出逻辑电路图。解解(1)由于有三个变量，真值表有8种输入组合。本讲稿第三十一页，共六十九页本讲稿第三十二页，共六十九页代数法化简存在的问题代数法化简存在的问题经验和技巧？是否最简？本讲稿第三十三页，共六十九页1.5卡卡 诺诺 图图 1 1、什么是最小项？、什么是最小项？对于一个给定变量数目的逻辑函数，对于一个给定变量数目的逻辑函数，所有变所有变量参加相量参加相“与与”的项叫做最小项。的项叫做最小项。在一个最在一个最小项中，小项中，每个变量只能以原变量或反变量出每个变量只能以原变量或反变量出现一次
9、。现一次。最小项 的个数：n个变量所有可能的组合最小项的特点最小项的编号本讲稿第三十四页，共六十九页三个变量ABC有八个最小项：以此类推，四个变量ABCD共有24=16个最小项，n变量共有2n个最小项。为方便起见，将最小项表示为mi例如：一个变量A有二个最小项：二个变量AB有四个最小项：本讲稿第三十五页，共六十九页三变量最小项的编号三变量最小项的编号本讲稿第三十六页，共六十九页2 2、逻辑函数的标准式、逻辑函数的标准式最小项标准式最小项标准式全是由最小项组成的“与或”式叫做最小项标准式(不一定由全部最小项组成)。本讲稿第三十七页，共六十九页由一般式获得最小项标准式由一般式获得最小项标准式一般式
10、采用添项法一般式采用添项法，例如由上式可看出，第二项缺少变量A，第三项缺少变量B，我们可以分别用 和 乘第二项和第三项，其逻辑功能不变。本讲稿第三十八页，共六十九页4、卡诺图的结构、卡诺图的结构逻辑函数的图形表示逻辑函数的图形表示卡诺图上每一个小方格代表一个最小项。卡诺图上每一个小方格代表一个最小项。保证相邻关系，即图上几何相邻的项逻辑上相邻。因此每保证相邻关系，即图上几何相邻的项逻辑上相邻。因此每相邻方格的变量组合之间只允许一个变量取值不同。为此，相邻方格的变量组合之间只允许一个变量取值不同。为此，卡诺图的变量标注均采用循环码顺序排列。卡诺图的变量标注均采用循环码顺序排列。一变量卡诺图：有2
11、1=2个最小项，因此有两个方格。外标的0表示取A的反变量，1表示取A的原变量。本讲稿第三十九页，共六十九页15变量的卡诺图本讲稿第四十页，共六十九页4、卡诺图上的有用组合、卡诺图上的有用组合观察卡诺图上相邻项的特点：只有一个变量取之不同两项、四项、八项相加？本讲稿第四十一页，共六十九页相邻最小项合并规律相邻最小项合并规律 (1)两相邻项可合并为一项，消去一个取值不同的变量，保留相同变量；(2)四相邻项可合并为一项，消去两个取值不同的变量，保留相同变量，标注为1原变量，0反变量；(3)八相邻项可合并为一项，消去三个取值不同的变量，保留相同变量，标注与变量关系同上。合并的规律是2n个最小项的相邻项
12、可合并本讲稿第四十二页，共六十九页图 1 8 相邻最小项合并规律本讲稿第四十三页，共六十九页用卡诺图化简逻辑函数用卡诺图化简逻辑函数1 1、逻辑函数的卡诺图表示法、逻辑函数的卡诺图表示法逻辑函数表达式中含有的最小项在卡诺图相应的方格中填上1，其余填0本讲稿第四十四页，共六十九页2、利用卡诺图化简逻辑函数、利用卡诺图化简逻辑函数(1)将原始函数用卡诺图表示；(2)根据最小项合并规律画圈，圈住全部“”方格；(3)每一个圈对应一个与项，然后再将各与项“或”起来得新函数。本讲稿第四十五页，共六十九页3 3、画包围圈的规则是：、画包围圈的规则是：（1）要尽可能地使卡诺圈大，这样消去的变量就多，但每个圈中
13、所包含的的方格数只能是2n，且只有相邻的1才能被圈在一起；（2）使卡诺圈数目最少,这样逻辑函数的与项就少，但所有填1的方格必须被圈，不能遗漏；（3）每个为1的方格可被圈多次，但每个圈中至少有一个1只被圈过一次；本讲稿第四十六页，共六十九页化简举例：化简举例：本讲稿第四十七页，共六十九页本讲稿第四十八页，共六十九页 例：将 用卡诺图表示。解解 我们逐项用卡诺图表示，例如在B=1,C=0对应的方格(不管A，D取值)，得m4、m5、m12、m13，在对应位置填1；本讲稿第四十九页，共六十九页例例 ：化简解解 第一步：用卡诺图表示该逻辑函数。：对应m3、m11对应m4、m5、m12、m13对应m1、m
14、5对应m10、m11本讲稿第五十页，共六十九页 第二步：画卡诺圈圈住全部“”方格。本讲稿第五十一页，共六十九页 第三步：组成新函数。第四步：画出逻辑电路。本讲稿第五十二页，共六十九页例例：化简本讲稿第五十三页，共六十九页本讲稿第五十四页，共六十九页图 1 15 化简过程及逻辑图本讲稿第五十五页，共六十九页图 1 16 化简过程及逻辑图(a)中出现了多余圈。m5、m7、m13、m15虽然可圈成四单元圈，但它的每一个最小项均被别的卡诺圈圈过，是多余圈本讲稿第五十六页，共六十九页无关项及无关项的应用无关项及无关项的应用真值表中变量的某些取值组合不允许出现，或者是变量的某些取值下，函数的值可以是任意。
15、我们将这些变量取值对应的最小项称为无关项，我们用或者用表示，其值可以取0或1。例如：对于含有无关项逻辑函数：A B CF000011110011001101010101010X1XXX本讲稿第五十七页，共六十九页图 1 25 考虑无关项函数化简本讲稿第五十八页，共六十九页例：例：化简解解 化简函数为本讲稿第五十九页，共六十九页例例：化简 解解 由于m11和m15对化简不利，因此就没圈进。本讲稿第六十页，共六十九页1.6数字集成电路数字集成电路把数字电路制做在同一块半导体基片上，这样的产品叫集成电路。制造技术CMOS系列：CMOS管构成的集成电路TTL系列：用双极型晶体管构成的电路本讲稿第六十一
16、页，共六十九页封装类型插孔形式平面形式本讲稿第六十二页，共六十九页集成电路的规模小规模中规模大规模超大规模巨大规模本讲稿第六十三页，共六十九页集集 成成 逻逻 辑辑 门电路的外特性门电路的外特性扇出系数扇出系数NcNc门电路通常只有一个输出端，但它能与下一级的多个门的输入端连接。一个门的输出端所能连接的下一级门输入端的个数称为该门电路的扇出系数。或称负载能力。TTL一般门电路的扇出系数为8，驱动门的扇出系数可达25。CMOS门的扇出系数更大一些。本讲稿第六十四页，共六十九页平均传输延迟时间平均传输延迟时间是反映门电路工作速度的一个重要参数。以非门为例，在输入端加上一个正方波,则需要一定的时间间
17、隔才能从输出端得到一个负方波。这两个方波的时间关系如图所示。若定义输入波形前沿的50%到输出波形前沿的50%之间的时间间隔t1为前沿延迟；同样，若定义t2为后沿延迟，则它们的平均值称为平均传输延迟时间简称平均时延。本讲稿第六十五页，共六十九页开门电平开门电平U0HU0H与关门电平与关门电平U0LU0L 表示逻辑值1的最小高电平UOH称为开门电平表示逻辑值0的最大低电平UOL称为关门电平本讲稿第六十六页，共六十九页空载功耗空载功耗集成电路的功耗和集成密度密切相关。功耗大的的元器件则集成度不能很高。当输出端空载,门电路输出低电平时电路的功耗称为空载导通功耗Pon。当输出端为高电平时，电路的功耗称为空载截止功耗Poff。平均功耗P=(Pon+Poff)/2。本讲稿第六十七页，共六十九页课堂练习课堂练习习题1 第6小题习题2第2小题习题3第2小题习题4本讲稿第六十八页，共六十九页作业作业习题1 第5小题习题2第5小题习题3第3小题习题5第3小题习题6第2小题习题7第3小题本讲稿第六十九页，共六十九页