數(shù)字電路中“邏輯非”的用法辨析

方開洪,張函博,梁海兵,張 碩,王 強(qiáng)

(蘭州大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,甘肅 蘭州 730000)

《模擬電路與數(shù)字電路》是高等教育院校電氣、自控、機(jī)電、電子類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課,在整個專業(yè)課程體系中占有重要地位[1-2]。在高?！靶鹿た啤钡臍v史背景下,對創(chuàng)新型工程人才的培養(yǎng)提出了更高的要求[3-6]。在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),數(shù)字電路部分中,“邏輯非”符號的應(yīng)用與標(biāo)注不盡一致,給數(shù)字電路教學(xué)中數(shù)字邏輯電路的分析和設(shè)計帶來一定困擾。如何對“邏輯非”符號在不同電路以及電路中不同位置中表現(xiàn)的含義進(jìn)行詳盡闡明,是亟待解決的問題[7]。

1 國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4728對“邏輯非”的規(guī)定

邏輯符號是邏輯電路的基礎(chǔ)語言,包括文字符號、圖形符號和繪圖符號。數(shù)字邏輯電路是由各種邏輯器件符號組成的電路系統(tǒng),它將理論和實(shí)際電路聯(lián)系起來,通過邏輯電路的分析設(shè)計,指導(dǎo)實(shí)際電路的設(shè)計、搭建和監(jiān)測。為了便于交流,國家制定和修訂了《電氣簡圖用圖形符號》系列國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4728,其中,第12部分:二進(jìn)制邏輯元件(GB/T4728.12)中針對常見的二值邏輯符號進(jìn)行了規(guī)定[8-10]。與“邏輯非”符號的相關(guān)的圖形符號如圖1所示。

圖1(a)為邏輯非(輸出端),其編號為S01467,形狀為圓圈,該符號用于輸出端,表示內(nèi)部1狀態(tài)與輸出端外部0狀態(tài)對應(yīng);圖1(b)為邏輯非(輸入端),其編號為S01466,形狀為圓圈,該符號用于輸入端,表示輸入端外部0狀態(tài)與內(nèi)部1狀態(tài)對應(yīng);圖1(c)為邏輯非動態(tài)輸入,其編號為S01473,形狀由圓圈和等邊三角形組成,該符號用于輸入端,表示內(nèi)部1狀態(tài)(暫態(tài))與外部1狀態(tài)到外部0狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程相對應(yīng),其他所有時間,內(nèi)部邏輯狀態(tài)為0。從圖1(a)、(b)可以看出,非符號既可以放在邏輯電路的輸入端,也可以放在邏輯電路的輸出端。圖1(c)表示的意思,說得通俗一點(diǎn):當(dāng)這個輸入端口的電平由高電平1變換為低電平0時,這個輸入端將起作用,其他情況如高電平1、低電平0以及由低電平變0換為高電平1時都不起作用。

在二進(jìn)制邏輯電路中,以高、低電平表示兩個不同的邏輯狀態(tài),高電平(H)、低電平(L)和邏輯狀態(tài)1、0之間的關(guān)系,可以采用正邏輯或負(fù)邏輯約定,即若將高電平定義為邏輯1狀態(tài),將低電平定義為邏輯0狀態(tài),稱為正邏輯約定;反之,將高電平定義為邏輯0狀態(tài),將低電平定義為邏輯1狀態(tài),稱為負(fù)邏輯約定。輸入端的“○”符號,強(qiáng)調(diào)“低電平有效”,在電路設(shè)計上采用“負(fù)邏輯”思路,并不是在輸入端多接了一個非門電路;而輸出端的“○”符號則表示取反,例如在TTL邏輯電路中,邏輯非由晶體管工作在飽和與截止兩種狀態(tài)來實(shí)現(xiàn),同時,這種非門電路還有提升驅(qū)動能力的作用。

圖1 邏輯非符號的幾種圖形

2 “邏輯非”的基本寫法

在邏輯圖中,“邏輯非”用“○”表示。圖2中(a)為非門電路,(b)為與非門電路,符號“○”都表示取反。圖2(c)的輸入端口和輸出端口均標(biāo)有“○”,均表示取反,即取反兩次,相當(dāng)于傳輸門電路,其輸入端口的“○”除了取反之外,還表示低電平有效,即這一輸入端口輸入為0時,該輸入端口將起作用。

圖2 基本邏輯電路

3 “-”或“○”的其他含義

3.1 低電平有效,或低電平使能

在邏輯電路中,習(xí)慣上采用正邏輯。在三態(tài)門、數(shù)字集成電路的使能端(Enable)以及觸發(fā)器的超前置位復(fù)位輸入端,用“-”和“○”表示低電平有效或低電平使能;若沒有標(biāo)“-”或“○”,則表示高電平有效或高電平使能,圖3所示為JK觸發(fā)器,圖3(a)中所示的超前置位復(fù)位端口Sd和Rd,用“○”表示該端口為低電平有效,即這兩個端口平時輸入高電平1信號,此時該輸入對整個電路不起作用,當(dāng)輸入低電平0信號時將起作用,對輸出端Q實(shí)現(xiàn)超前置0或超前置1;圖3(b)所示的超前置位復(fù)位端口,在標(biāo)號Sd和Rd上標(biāo)了“-”表示低電平有效;圖3(c)所示的超前置位復(fù)位端口,除了標(biāo)有“○”符號外,Sd和Rd上也標(biāo)了“-”符號,同樣表示該端口為低電平有效。

圖3 J-K觸發(fā)器的超前置位復(fù)位端口

圖4所示的三態(tài)門邏輯電路中,端口EN為使能端口,或者叫控制端口,即這個端口的輸入電平正確則該電路可以正常工作,否則為高阻狀態(tài),不能工作。圖中“-”和“○”均是等價的,表示低電平有效或低電平使能。

圖4 三態(tài)門邏輯電路

低電平有效或低電平使能,實(shí)際與GB/T4728.12對邏輯非輸入端的規(guī)定是一致的,都表示輸入端外部的0狀態(tài)與電路內(nèi)部的1狀態(tài)對應(yīng)。即與圖1(b)表示的含義相同。

3.2 低電平觸發(fā),或下跳邊沿觸發(fā)

同步觸發(fā)器為觸發(fā)信號高低電平觸發(fā),主從觸發(fā)器屬于觸發(fā)信號邊沿觸發(fā)。如果觸發(fā)端口沒有標(biāo)“○”,則表示高電平觸發(fā),或上升邊沿觸發(fā);如果觸發(fā)端口標(biāo)有“○”,則表示低電平觸發(fā),或下降邊沿觸發(fā)。如圖5所示的各觸發(fā)器,圖5(a)中觸發(fā)器的觸發(fā)端口C1無“○”也沒有三角形符號,表示時鐘脈沖高電平觸發(fā);圖5(b)中觸發(fā)器的觸發(fā)端口C1有“○”但是無三角形符號,表示時鐘脈沖低電平觸發(fā);圖5(c)中觸發(fā)器的觸發(fā)端口C1無“○”但是有三角形符號,表示時鐘脈沖上升邊沿觸發(fā);圖5(d)中觸發(fā)器的觸發(fā)端口C1有“○”并且也有三角形符號,表示時鐘脈沖下降邊沿觸發(fā)。

圖5 J-K觸發(fā)器的觸發(fā)端口

觸發(fā)器觸發(fā)方式的表示方法,正是依據(jù)《電氣簡圖用圖形符號》第12部分,二進(jìn)制邏輯元件(GB/T4728.12)的規(guī)定而設(shè)計的。由圖1可以看出,對于輸入端口,“○”與三角形結(jié)合表示這個輸入端口由高電平1轉(zhuǎn)換為低電平0時,這個端口的信號將起作用,觸發(fā)器將被觸發(fā),而其他情況,不管是高電平還是低電平,也不管電平從0變換到1,觸發(fā)器均保持狀態(tài)不變。

3.3 反相輸出

圖6 觸發(fā)器的輸出情況

3.4 用“～”符號表示“邏輯非”

數(shù)字電子技術(shù)的仿真軟件如Multisim、PSpice、Proteus等使用的是美國電氣符號標(biāo)識,與常見教材上的符號有所不同,容易出現(xiàn)誤解。Multisim仿真軟件中,端口帶有“○”、名稱前面帶有“～”的都表示低電平有效或輸出為低電平。圖6(a)為三八譯碼器(74LS138),引腳4、5、6為使能端,其中端口標(biāo)有“～G2A”和“～G2B”,同時也標(biāo)有“○”,在輸入端,表示低電平有效;譯碼器的引腳7～15為輸出端口Yi(i=1～7),標(biāo)有“○”,表示當(dāng)譯碼器正常工作時,對應(yīng)于地址輸入端(ABC)的輸出端Yi為低電平,這樣設(shè)計的目的是為了匹配后續(xù)電路的低電平輸入的要求。圖6(b)為四路D觸發(fā)器(74LS175),引腳1和9為觸發(fā)輸入端口,其中引腳1帶有“○”且名稱前帶有“～”,表示低電平觸發(fā),引腳3、6、11和14標(biāo)有“○”和“～”,表示引腳2、7、10和15對應(yīng)的反相輸出端。也就是說,引腳1上輸入低電平時,輸出端被清零,即,引腳2、7、10、15輸出低電平,相應(yīng)地,引腳3、6、11、14輸出高電平。

4 結(jié) 論

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展,各種新型器件、各種仿真軟件層出不窮,邏輯器件的符號也略有差異。需要對不同標(biāo)準(zhǔn)的符號、來自不同軟件的各類邏輯符號,從其功能出發(fā),從實(shí)際應(yīng)用出發(fā),理解各邏輯符號的作用。

一般情況下,邏輯變量的取反,在國標(biāo)中常用“-”符號,美國電氣符號標(biāo)識中常用“-”符號;而邏輯圖形中,用“○”符號表示輸入輸出端的邏輯取反。其中“～”和“-”出現(xiàn)在文本和邏輯表達(dá)式中,“-”符號標(biāo)注于變量或表達(dá)式的上面,“～”符號標(biāo)注在變量的左邊,“○”符號標(biāo)注在圖形的輸入或輸出端?！啊稹痹谳斎攵吮硎尽暗碗娖接行А?“○”在輸出端表示取反。

結(jié)合通過上面的分析,對“非邏輯”符號的識別與應(yīng)用方法總結(jié)如下:

(1)在邏輯運(yùn)算以及邏輯電路圖中,“○”和“-”均表示“取非”或“取反”的意思。

(2)在各種數(shù)字電路的使能端口,表示低電平使能。

(3)在觸發(fā)器的輸出端,表示反相輸出。

(4)在觸發(fā)器的觸發(fā)端,若帶有三角形符號則表示下跳邊沿觸發(fā);若沒有三角形符號則表示電平觸發(fā)。

(5)在仿真軟件中,用“～”表示“邏輯非”。

在上述幾種情況中,不管標(biāo)有“○”,還是標(biāo)有“-”,或者兩個符號同時標(biāo)注,都表示的是同一個意思。在觸發(fā)器的反相輸出端口,標(biāo)有“○”,或者標(biāo)有“-”,或者兩個符號同時標(biāo)注,或者兩者均不標(biāo)注,此位置還是反相輸出端口。