数字电路实验

2.3 编码器、译码器的应用

2.3.1 实验目的

1.熟悉编码器、译码器的工作原理和使用方法。

2.掌握中规模集成编码器、译码器的逻辑功能及应用。 3.掌握编码器的设计方法及应用。 4.熟悉数码管的工作原理及使用方法。

2.3.2 实验仪器与器件

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 仪器或器件名称 逻辑实验箱 双踪示波器 指针式万用表 8线-3线编码器 3线－8线译码器 七段译码驱动器 4输入二与非门 3输入三与非门 PC机和仿真软件 型号或规格 数量 2.3.3 实验原理

在数字系统中，编码器和译码器都是常用的组合逻辑电路。编码器其功能就是实现编码操作的电路，即将输入的高、低电平信号编成一个对应的二进制代码。按照被编码信号的不同特点和要求，编码器也可以分为二进制编码器、二—十进制编码器和优先编码器。译码器是编码的逆过程，其功能是将每个输入的代码进行“翻译”，译成对应的输出高、低电平信号。按用途分类可以分为变量译码器、码制变换译码器和显示译码器。 （一）编码器

由门电路来设计一个编码器。例如设计一个4线－2线编码器。

第一步，根据题意列真值表如表2.3.1所示。 表2.3.1 4线-2线编码器真值表 第二步,由真值表写出逻辑表达式。 输入输出 Y1?I3I2I1I0?I3I2I1I0 Y0?I3I2I1I0?I3I2I1I0

Y1Y0I3 I2 I1 I0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 00110101第三步，画出逻辑图。

最后把函数变换为与非门和非门形式的表达式， 得到4线－2线编码器的电路如图2.3.1所示。

典型集成芯片74LS148是8线－3线优先编码器，其管脚图如图2.3.2所示。

I3I2I1I0...1。1。1。1。.....&VCCYS15OYES14OI313OI212OI111OI010OY09。。。

16&.&。Y1OYSI4I5OYESI3I2I1I0Y0O&。Y01I6OI7OS(E)OY2OY1O&2345678I4I5I6I7SY2Y1GND

图2.3.1 4线-2线编码器电路图 图2.3.2 74LS148管脚管脚排列及逻辑符号

表2.3.2 8线-3线优先编码器的真值表

输入端 输出端 ST IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 Y2 Y1 Y0 YS YEX 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 × 1 × × × × × × × 0 × 1 × × × × × × 0 1 × 1 × × × × × 0 1 1 × 1 × × × × 0 1 1 1 × 1 × × × 0 1 1 1 1 × 1 × × 0 1 1 1 1 1 × 1 × 0 1 1 1 1 1 1 × 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 （二）译码器

译码器是一个多输入、多输出的组合逻辑电路。它的作用是对输入代码进行“翻译”，使输出通道中相应的一路或多路有信号输出。有效电平可以是高电平(称为高电平译码)，也可以是低电平(称为低电平译码)。一般有以下几类：1）二进制译码器，一般具有n个输入

n

端、2个输出端和一个(或多个)使能输入端；2）码制变换器，用于一个数据的不同代码之间的相互转换，如BCD码二－十进制译码器、格雷码与二进制码之间的转换的译码器等；3）显示译码器，是用来驱动各种数字、文字或符号的显示器，如共阴极BCD-七段显示译码器和共阳极BCD-七段显示译码器等。常见的有2线-4线译码器、3线-8线译码器和4线-16线译码器等。图2.3.3、图2.3.4所示分别是3线-8线译码器74LS138的管脚排列图和逻辑符号。

A0012BIN/OCT0123Y6A2S1OOVCC16Y015OY114OY213OY312OY411OY510OY69OOOOOOOOY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7A1A2Y0A0A1Y1Y2Y3Y4Y54S1OOS2OS3Y7O&EN56712345678S2S3

图2.3.3 74LS138译码器管脚排列及逻辑符号 图2.3.4 74LS138逻辑符号

译码器典型应用之一是实现组合逻辑电路。例如用3线－8线译码器74LS138和门电路

A0A1A2S1S2S3Y7GND设计1位二进制全减器电路。输入为被减数、减数和来自低位的借位，输出为两数之差D和本位向高位的借位信号CO。

分析题意可得真值表，如表2.3.3所示，从真值表可以得到D和CO的表达式：

D?ABCI?ABCI?ABCI?ABCI?ABCI?ABCI?ABCI?ABCI?Y7Y4Y2Y1 CO?ABCI?ABCI?ABCI?ABCI?ABCI?ABCI?ABCI?ABCI?Y7Y3Y2Y1

由此可见用3线－8线译码器可以实现上述电路，如图2.3.5所示，从上例中可以看出3线－8线译码器可以实现多输出函数。

表2.3.3 全减器真值表

输 入A00001111B00110011CI01010101输 出D01101001CO01110001ABCI012BIN/OCT01234OOOOOOOO...&DO.

“1”OO&5EN67&COO

图2.3.5 74LS138实现全减器电路

（三）数码显示译码器

在一些数字系统中，不仅需要译码，而且需要把译码的结果显示出来。例如，在计数系统中，需要显示计数结果，在测量仪表中，需要显示测量结果。用显示译码器驱动显示器件，就可以达到显示数据的目的。目前广泛使用的显示器件是七段数码显示器，七段数码显示器由a～g七段可发光的线段拼合而成，控制各段的亮或灭，即可以显示不同的字符或数字。七段数码显示器有半导体数码显示器和液晶显示器两种。 １．七段发光二极管（LED）数码管 图2.3.6、图2.3.7是半导体七段数码管BS201A的内部结构和外形图及编码规则，这种数码管的每个段都是一个发光二极管LED（Light Emitting Diode）。二极管LED的正极称为阳极，负极称为阴极。当LED加上正向电压时，发光二极管发光。有的数码管的右下角还增设了一个小数点，形成八段显示。由BS201A的等效电路可见，构成数码管的七只LED的阴极是连接在一起的，属于共阴结构。如果把七只LED的阳极连接在一起，则属于共阳结构。

。。。。。。。。。abcdefgDP.......阳极。。。。。。。。a( a )。阴极bcdefgDP( b )

图2.3.6 半导体数码显示器外形图及等效电路

LED数码管可用来显示一位0～9十进制数和一个小数点，如图2.3.7所示。每段发光

二极管的正向压降通常约为2V～2.5V，每个发光二极管的点亮电流在5mA~10mA。LED数码管要显示BCD码所表示的十进制数字就需要有一个专门的译码器，该译码器不但要完成译码功能，还要有相当的驱动能力。

feagdbafebcdbceddagbagbcfgbcdfagcfedagcabcfedagbcdfagbc.cDP图2.3.7 数码显示器

2．BCD码七段译码驱动器

BCD码七段译码驱动器型号有74LS47（共阳结构），74LS48（共阴结构），CC4511（共

阴结构）等。本实验采用74LS48BCD七段译码、驱动器，驱动共阴极LED数码管。A3~A0是8421BCD码输入端，Ya~Yg是输出端，为七段显示器件提供驱动信号。显示器件根据输入的数据，可以分别显示数字0～9。

74LS48除了完成译码驱动的功能外，还附加了灯测试输入LT、消隐输入BI，灭零输入RBI和灭零输出RBO等控制信号。由功能表2.3.4可见，当灯测试输入LT＝0时，无论输入A3~A0的状态如何，输出Ya~Yg全部为高电平，使被驱动的数码管七段全部点亮。因此，LT＝0信号可以检查数码能否正常发光。

当消隐输入BI＝0时，无论输入A3～A0的状态如何，输出Ya~Yg全部为低电平，使被驱动的数码管七段全部熄灭。

当A3A2A1A0=0000时，本应显示数码0，如果此时灭零输入RBI＝0，则使显示的0熄灭。设置灭零输入信号的目的是为了能将不希望显示的0熄灭。例如，对于十进制数来说，整数部分不代表数值的高位0和小数部分不代表数值的低位0,都是不希望显示的，可以用灭零输入信号将它们熄灭掉。将灭零输出RBO与灭零输入RBI配合使用，可以实现多位数码显示的灭零控制。

表2.3.4 共阴极七段显示译码器74LS48 0-9的译码表

输入数字012345678LT RBI1111111111××××××××××0×A3A2A1A00 0 0 00 0 0 10 0 1 0 0 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 1××××0 0 0 0××××BI/RBO1111111111011输出YaYbYcYdYeYfYg1 1 1 1 1 1 00 1 1 0 0 0 01 1 0 1 1 0 11 1 1 1 0 0 10 1 1 0 0 1 11 0 1 1 0 1 11 0 1 1 1 1 11 1 1 0 0 0 01 1 1 1 1 1 11 1 1 1 0 1 10 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 01 1 1 1 1 1 1字型91消隐×脉冲消隐10灯测试 2.3.4 实验内容

（一）基础实验部分

1. 测试8线－3线优先编码器74LS148的逻辑功能。

表2.3.5 验证8线－3线优先编码器74LS148的逻辑功能表

输入端 输出端 IN4 IN5 IN6 IN7 ST 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 IN0 IN1 IN2 IN3 Y2 Y1 Y0 YS YEX × 1 × × × × × × × 0 × 1 × × × × × × 0 1 × 1 × × × × × 0 1 1 × 1 × × × × 0 1 1 1 × 1 × × × 0 1 1 1 1 × 1 × × 0 1 1 1 1 1 × 1 × 0 1 1 1 1 1 1 × 1 0 1 1 1 1 1 1 1 2. 病房优先呼叫器

每一个病房有一个按键，当1＃键按下时，1灯亮，且其它按键不起作用；当1＃键没按下时，2＃键按下，2灯亮，且不响应3＃键；只有1＃、2＃键均没有按下，3＃键按下，3灯亮。要求用门电路或者译码器等中规模器件设计电路并验证其功能。

3．用译码器实现多输出函数

用1片74LS138和1片74LS20设计A、B、C三变量的两组输出函数Z1和Z2.即当A、B、C中有奇数个1时，输出Z1＝1,否则Z1＝0；当A、B、C的值（十进数）为偶数（不含0）时，输出Z2＝1,否则Z2＝0。要求列出Z1、Z2的逻辑表达式，用74LS138和74LS20实现其功能。

4．用74LS153构成2线-4线译码器，要求写出设计过程，画出电路图。 （二）提高部分

5．用74LS138设计判决电路。判决电路由一名主裁判和两名副裁判来决定比赛成绩，在主裁判同意并且两名副裁判中至少有一名同意的条件下，比赛成绩才被认可。

6．用门电路设计四位格雷码到四位二进制码的转换电路，要求写出设计过程，画出电路图。

7．用Multsim软件来设计和仿真实验6。

2.3.5 思考题

1．用于驱动共阳极数码管的译码驱动器，它的输出是高电平有效，还是低电平有效？驱动共阴极的呢？

2．如何将两个3线－8线译码器扩展成一个4线－16线的译码器？ 3．写出共阴极七段数码显示管的0-9、A-F对应的译码。

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