数字电子学 - 组合电路

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组合电路，也称为组合逻辑电路，是一种数字电子电路，其输出仅由当前输入决定。

组合逻辑电路的输出不依赖于电路操作的历史。换句话说，组合电路是一种数字逻辑电路，其输出仅取决于当前的输入值，而不依赖于任何反馈或先前的输入或输出值。

在本章中，我们将解释组合电路的基础知识，以及它的框图、类型和应用。所以，让我们从组合电路的基本定义开始。

什么是组合电路？

组合电路是一种数字逻辑电路，其输出仅取决于当前的输入值，而不依赖于过去的输入和输出值。因此，组合电路被认为在其电路中不包含存储先前输入和输出的存储单元。相反，它包含一定数量的输入线以应用当前输入值，以及一定数量的输出线。

组合电路最重要的特征是它在输入和输出之间没有任何反馈路径。因此，组合电路可以归类为开环系统。

组合电路的框图

下图描述了组合逻辑电路的框图。

在这里，我们可以看到组合电路的电路图中只有三个关键元素，它们是 -

• 输入线 - 输入线用于将输入值输入到组合电路中。
• 处理单元 - 它是根据电路类型处理输入值的主要元素。例如，全加器对三个二进制位进行加法运算。
• 输出线 - 输出线用于获取电路生成的输出结果。

组合电路的特性

以下是组合电路的主要特性 -

• 组合电路的输出在任何时间点都仅取决于该时间点的当前输入值。
• 组合电路在其电路中不使用任何类型的存储单元。因此，输入和输出值的先前状态对电路的当前操作没有任何影响。
• 组合电路的输出可以使用其逻辑运算和输入值完全预测。
• 组合电路对任何输入值的改变都会产生瞬时输出。

组合电路的类型

在数字电子学中，组合电路是数字系统的重要组成部分。根据执行的功能，组合电路有多种类型。下面解释了一些常见的组合电路类型及其功能 -

• 二进制加法器
• 二进制减法器
• 多路复用器（MUX）
• 多路分解器（DEMUX）
• 编码器
• 译码器
• 比较器

在本章的后续部分，我们将简要讨论每种组合电路及其功能。

二进制加法器

二进制加法器是一种组合电路，用于执行二进制数字或位的加法运算。根据设计和配置，二进制加法器有两种类型：半加器和全加器。

半加器

半加器是一种组合逻辑电路，有两个输入和两个输出。半加器电路设计用于添加两个单比特二进制数A和B。它是两个单比特数加法的基本构建块。该电路有两个输出，分别是和与进位。

全加器

全加器旨在克服半加器的缺点，即只能添加两个比特。因此，全加器是一个三输入和两个输出的组合电路。其中，输入是两个一位数A和B，以及来自先前加法的进位C。输出是和与进位输出。

二进制减法器

二进制减法器是一种组合逻辑电路，用于从另一个二进制数中减去一个二进制数。与二进制加法器类似，二进制减法器也有两种类型：半减器和全减器。

半减器

半减器是一个组合电路，有两个输入（A和B）和两个输出（差和借位）。它产生两个输入二进制位之间的差，并产生一个输出（借位）以指示是否已借用1。在二进制减法（A-B）中，A称为被减数位，B称为减数位。

全减器

全减器也是一个组合电路，具有三个输入A、B和B_in，以及两个输出D和B_out。

这里，A是被减数位，B是减数位，B_in是前一级的借位，D是差输出，B_out是借位输出。

多路复用器（MUX）

多路复用器是一种特殊的组合逻辑电路。它由n个数据输入线、一个输出和m个选择线组成。对于多路复用器，n = 2^m。

多路复用器是一种数字电路，它选择n个数据输入中的一个并将它路由到输出线。n个数据输入中的一个的选择是由选择线完成的。根据施加到选择线的数字代码，选择“n”个数据输入中的一个并将其传输到输出线。

在某些多路复用器中，还有一个使能输入E，它在级联多个多路复用器时非常有用。

根据输入线的数量，可以有多种类型多路复用器。一些常见的多路复用器类型包括2:1多路复用器、4:1多路复用器、16:1多路复用器和32:1多路复用器。

多路分解器（DEMUX）

多路分解器执行分配操作，即它接收一个数据输入并将其分配到多个输出线上。

多路分解器只有一个输入线，“n”个输出线和“m”个选择线。在任何时间，只有一个输出线被施加到选择线的数字代码选择，并且数据输入被传输到选定的输出线。

多路分配器可以根据输出线的数量分为多种类型。一些常用的多路分配器类型包括：1:2 多路分配器、1:4 多路分配器、1:16 多路分配器和 1:32 多路分配器。

编码器

编码器是一种组合逻辑电路，旨在将信息转换为二进制代码。编码器具有n条输入线和m条输出线，其中n = 2^m。

编码器根据施加在其上的数字输入生成一个 m 位二进制代码。换句话说，编码器接收一个 n 位数字字并将其转换为另一个 m 位数字字。

编码器的例子包括 4-2 编码器、八进制-二进制编码器、十六进制-二进制编码器、优先编码器等。

译码器

译码器是一种组合逻辑电路，它将二进制代码转换为普通字，例如十进制数字。译码器通常由n条输入线和m条输出线组成，其中m = 2ⁿ。

译码器广泛应用于显示驱动器、数据分配系统等。

一些常用的译码器类型有 2 到 4 译码器、3 到 8 译码器、4 到 16 译码器、BCD 到七段译码器等。

比较器

比较器是一种组合逻辑电路，用于比较两个二进制数。比较器主要用于算术和控制电路中执行比较或逻辑运算。

顾名思义，比较器比较输入值并检查它们是否相等，或者一个输入是否大于/小于另一个输入。

组合逻辑电路的局限性

组合逻辑电路具有多个优点，例如运行速度快、电路简单、操作可预测等。但是，它们也有一些局限性，其中一些列在下面 -

• 组合逻辑电路没有任何存储单元。它们无法存储电路操作的历史记录。
• 组合逻辑电路不能用于实现某些高度复杂的逻辑功能。
• 组合逻辑电路没有任何反馈机制。这使得组合逻辑电路的功能有限。
• 在大型规模下，组合逻辑电路存在一些设计复杂性，可能导致性能下降和资源利用效率低下。

组合逻辑电路的应用

组合逻辑电路是各种数字设备和系统中的基本构建块。它们广泛应用于多种数字设备中，其中使用了组合逻辑电路 -

• 微处理器和微控制器
• 数字计算机
• 计算器
• 数字通信系统
• 键盘
• 智能手机和数字手表等

结论

组合逻辑电路是各种数字设备和系统中的关键组件。它可以定义为一个互连的数字组件系统，其输出仅取决于输入的当前状态，而不依赖于过去的输入和输出值。

在本章中，我们解释了组合逻辑电路的特性、局限性和应用。