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译码器

译码器(decoder)是一类多输入多输出组合逻辑电路器件,其可以分为:变量译码和显示译码两类。 变量译码器一般是一种较少输入变为较多输出的器件,常见的有n线-2^n线译码和8421BCD码译码两类;显示译码器用来将二进制数转换成对应的七段码,一般其可分为驱动LED和驱动LCD两类。

译码是编码的逆过程,在编码时,每一种二进制代码,都赋予了特定的含义,即都表示了一个确定的信号或者对象。把代码状态的特定含义“翻译”出来的过程叫做译码,实现译码操作的电路称为译码器。或者说,译码器是可以将输入二进制代码的状态翻译成输出信号,以表示其原来含义的电路。

根据需要,输出信号可以是脉冲,也可以是高电平或者低电平。

译码器的种类很多,但它们的工作原理和分析设计方法大同小异,其中二进制译码器、二-十进制译码器和显示译码器是三种最典型,使用十分广泛的译码电路。

二进制码译码器,也称最小项译码器,N中取一译码器,最小项译码器一般是将二进制码译为十进制码;

代码转换译码器,是从一种编码转换为另一种编码;

显示译码器,一般是将一种编码译成十进制码或特定的编码,并通过显示器件将译码器的状态显示出来。

变量译码器是一个将n个输入变为2^n个输出的多输出端的组合逻辑电路。其模型可用下图来表示,其中输入变化的所有组合中,每个输出为1的情况仅一次,由于最小项在真值表中仅有一次为1,所以输出端为输入变量的最小项的组合。故译码器又可以称为最小项发生器电路。

译码器是一种具有“翻译”功能的逻辑电路,这种电路能将输入二进制代码的各种状态,按照其原意翻译成对应的输出信号。有一些译码器设有一个和多个使能控制输入端,又成为片选端,用来控制允许译码或禁止译码。

在图1中,74138是一种3线8线译码器 ,三个输入端CBA共有8种状态组合(000111),可译出8个输出信号Y0Y7。这种译码器设有三个使能输入端,当G2A与G2B均为0,且G1为1时,译码器处于工作状态,输出低电平。当译码器被禁止时,输出高电平。

图2时检测74ls138译码器时间波形的电路,使用的虚拟仪器为数字信号发生器和逻辑分析仪。数字信号发生器在一个周期内按顺序送出两组000111的方波信号。

图3表明如何将两片3线8线译码器连接成4线16线译码器。其中第二片74138的使能端G1和第一片的使能端G2A接成D输入端。当D=0时,第一片74138工作,对00000111的输入信号进行译码输出。当D=1时,第二片74138工作,对10001111的输入信号进行译码输出。

在图4中 ,7442为二十进制译码器,具有4个输入端和10个输出端。输入信号采用8421BCD码,二进制数00001001与十进制数09对应。当输入超过这个范围是无效,10个输出端均为高电平。7442电路没有使能端,因此只要输入在规定范围内,就会有一个输出端为低电平。

图5位BCD七段显示译码器电路,LED数码管将显示与BCD码对应的十进制数09。因为显示译码器电路输出高电平,所以应该采用共阴极LED数码管。

编码与译码的过程刚好相反。通过编码器可对一个有效输入信号生成一组二进制代码。有的编码器设有使能端,用来控制允许编码或禁止编码。

优先编码器的功能是允许同时在几个输入端有输入信号,编码器按输入信号排定的优先顺序,只对同时输入的几个信号中优先权最高的一个进行编码。在图6中,74147为BCD优先编码器,输入和输出都是低电平有效。为了取得有效输出高电平,可在每个输出端连接一个反相器。7417只有19各输入端,0输入端不接入电路。这是因为7417约定,当无有效输入时,输出0的BCD代码0000。

图7是一个检测优先编码/译码功能的逻辑电路,对每一个接地的逻辑开关,数码管都会显示一个相应的十进制数。在输入端的8个逻辑开关中,代号为[7]的优先级别最高,代号为[0]的优先级别最低。

图1

在讨论译码器的功能前我们来看一下译码器的内部结构,下图是一个主要由与门电路构成的2输入译码器,其输出共有22个(即4),从图上可以每个其输出对应于一个最小项。在这电路中当输入BA的取值为10,即对应于十进制数的2时,其F2输出为高电平,其余的输出为0。

图2

下图同样是一个2输入的译码器,但由于其主要使用了与非门构成的,其每个输出对应于一个最小项的非。在这电路中,当输入BA的取会为10时,其输出F2不再为1,而是输出为0,其余的输出为1。

我们将下面这种译码器电路看作输出低电平有效(即当输入变量对应于十进制i时,其对应的第i个输出端为低电平,其余为高电平)。而前面的译码器当然就是高电平有效了。

图3

上面列出的两个电路为2输入的情况,对于输入为2个以上的情况也与此相同,同样可以有输出高电平有效的,也有输出低电平有效的。

由于任何一组合逻辑电路都可以写成最小项表达式的形式,而译码器电路的输出列出了该电路的所有最小项表达式(或最小项的非表达式),故我们可能用译码器电路实现各种组合逻辑电路。

例 用译码电路实现F(X,Y,Z)=∑(0,1,4,6,7)=∏M(2,3,5)

我们实现该逻辑功能可以有几种方法,下图列出了四种方法,从这四个图中你应可以总结出其规律。

其中:

图a为高电平有效输出加或门的实现方法;

图b为低电平有效输出加与非门的实现方法;

图c为高电平有效输出加或非门的实现方法;

图d为低电平有效输出加与非门的实现方法;

图4

在中规模集成电路中经常会碰到使能端(Enable Pin),使能端可以是输入,也可以是输出,其是用来扩展中规模集成电路功能的输入/输出端,下图a是一个2输入译码器上加上一个输入E,由于输入端E的加入,其功能发生了变化,当E=0时,其输出全部为0,而该译码器在没有加上E端时,其为高电平有效,这时其输出端没有一个处于有效工作状态,我们可以理解为E=0时,该译码器不工作;当E=1时,我们看到,其译码器可以正常工作,我们把这种输入端在E=1时能正常工作的使能端叫做高电平有效。下图b为其简化的逻辑符号。

图5

下图是使用使能端将两个2输入的译码器转变为3输入的译码器的例子,在下图中当I2为低电平时,第1个译码器的使能端为高电平,其正常工作,而第2个译码器此时不工作,于是译码器1的输出对应于输入I3I2I1的0~3;当I2为高电平时,译码器2工作,而译码器1不工作,故其输出对应于输入I2I1I0的4~7,故下图电路实现了利用使能端将2输入的译码器扩展为3输入的译码器。

图6

在中规模集成电路中译码器有几种型号,使用最广的通常是74138,其是一个3到8的译码器,下图是其逻辑符号及管脚排布,下表中列出了该器件的逻辑功能,从表中可以看出其输出为低电平有效,使能端G1为高电平有效,/G2,/G3为低电平有效,当其中一个为低电平,输出端全部为1。

图7

例 试用74138实现函数F(X,Y,Z)=∑m(0,2,4,7)

用74138实现函数与前面讲到的译码器实现逻辑函数的方法相同,但须注意两点:

1.74138的输出是低电平有效,故实现逻辑功能时,输出端不可接或门及或非门(因为每次仅一个为低电平,其余皆为高电平);

2.74138与前面不同的是,其有使能端,故使能端必须加以处理,否则无法实现需要的逻辑功能。下图给出了其最终的电路。

图8

显示译码

在数字系统中常见的数码显示器通常有:发光二极管数码管(LED数码管)和液晶显示数码管(LCD数码管)两种。发光二极管数码管是用发光二极管构成显示数码的笔划来显示数字,由于发二极管会发光,故LED数码管适用于各种场合。液晶显示数码管是利用液晶材料在交变电压的作用下晶体材料会吸收光线,而没有交变电场作用下有笔划不会听吸光,这样就可以来显示数码,但由于液晶材料须有光时才能使用,故不能用于无外界光的场合(现在便携式电脑的液晶显示器是用背光灯的作用下可以在夜间使用),但液晶显示器有一个最大的优点就是耗电相当节省,所以广泛使用于小型计算器等小型设备的数码显示。

下图是LED数码管的内部结构及显示数码的情况,其是一个阳极连在一体的一种LED数码管,我们通常称为共阳极数码管。既然有共阳数码管,那么就有共阴数码管,这里没有画出其内部结构,请你自行画一下。

图9

发光二极管点亮只须使其正向导通即可,根据LED的公共极是阳极还是阴极分为两类译码器,即针对共阳极的低电平有效的译码器;针对共阴极LED的高电平输出有效的译码器。

4511是输出高电平有效的CMOS显示译码器,其输入为8421BCD码,下图和表分别4511的管脚排布、逻辑符号和逻辑功能表。

图10

图中:

/LT:试灯极,低电平有效,当其为低电平时,所有笔划全部亮,如不亮表示该笔划有问题;

/BL:灭灯极,低电平有效,当其为低电平时,不管输入的数据状态如何,其输出全为低电平,即所有笔划熄灭;

/ST/LE:选通/锁存极,其是一个复用的功能端,当输入为低电平时,其输出与输入的变量有关;当输入为高电平时,其输出仅与该端为高电平前的状态,并且输入DCBA端不管如何变化,其显示数值保持不变。

D,C,B,A:8421BCD码输入,其D位为最位;

a~g:输出端,为高电平有效,故其输出应与其阴极的数码管相对应。

LCD译码驱动器电路与LED的译码驱动电路不同,其输出不是高电平或低电平,而是脉冲电压,当输出有效时,其输出为交变的脉冲电压,否则为高电平或低电平。


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