数值比较器的应用
数值比较器电路的仿真分析及应用
程勇 陈素 陈淑平
(机电信息工程系 实训中心 450008)
摘要:数值比较器是数字电路中经常用到的典型电路,传统的教学模式中,对数值比较器的学习及应用设计,离不开在实验室中的电路调试,学习方式较为枯燥抽象,又耗时费力,学习效果也不尽理想。现代电子设计中,由于仿真软件的出现,变抽象的知识为直观的展示,既可以通过仿真学习数值比较器的工作原理,又可以通过仿真进行数值比较器的应用设计,学习及应用效果事半功倍。
关键词:数值比较器、仿真分析、应用
在各种数字系统尤其是在数字电子计算机中,经常需要对两个二进制数进行大小判别,然后根据判别结果转向执行某种操作。用来完成两个二进制数的大小比较的逻辑电路称为数值比较器,简称比较器。在数字电路中,数值比较器的输入是要进行比较的两个二进制数,输出是比较的结果。
一.电路设计分析
首先讨论1位数值比较器。1位数值比较器是多位比较器的基础。当A和B都是1位二进制数时,它们的取值和比较结果可由1位数值比较器的真值表表示,如表1所示。
表1 1位数值比较器的真值表
由真值表可得如下逻辑表达式 FA>B=AB
FA
FA=B=AB+AB=A⊕B
由逻辑表达式可以画出如图1所示的逻辑图。
图1 1位数值比较器逻辑图
二.比较器电路的仿真分析
(一)元件选取及电路组成
打开仿真软件Multisim 10,根据图1所示的1位数值比较器逻辑图,可以在仿真软件Multisim 10中构建仿真电路,如
图3所示。
1.元件选取
(1)指示灯的选取
1位数值比较器逻辑运算完后,输出结果处
接一指示灯作为指示,灯亮表示运算结果成立,
灯灭表示运算结果不成立。单击元件栏的Place
Indicator→PROBE,选取PROBE_RED指示灯。
为了观察清晰明白,将指示灯PROBE连击打开其 图2 指示灯的Label设置 设置对话框,在其Label中的标号由默认的X1改为“A等于B”、“A大于B”、“A小于B”等。如图2所示。
(2)其他元器件可参照以下说明取用。
电源VCC:Place Source→POWER_SOURCES→VCC
接地:Place Source→POWER_SOURCES→GROUND,选取电路中的接地。 或非门U1A的选取:Place TTL→74LS→74LS02D
与门U3A、U5A的选取:Place TTL→74LS→74LS08D
非门U2 A、U4A的选取:Place TTL→74LS→74LS04N
2.电路组成
参照图3放置元件并进行连接,构成1位数值比较器的仿真测试电路。
(二)仿真分析
打开仿真开关,开关A、B上下表示不同的输入数值,接高电平VCC表示输入为1,接低电平地表示输入为0,输出结果灯亮为1,表示该结果成立。可按表1的真值表进行仿真测试,观察输出结果的灯亮指示,这样就明白比较器工作的含义了,图3所示电路的状态,表示数值A等于B。
图3 1位数值比较器仿真电路
三.仿真分析总结
实际工作中,不需要自己组合数值比较器,已有现成的集成芯片供用户使用。下面介绍集成数值比较器74LS85的使用。
集成数值比较器74LS85是4位数值比较器。两个4位数的比较是从A的最高位A3和B的最高位B3进行比较,如果它们不相等,则该位的比较结果可以作
为两数的比较结果。若最高位A3=B3,则再比较次高位A2和B2,以此类推。显然,
如果两数相等,那么比较步骤必须进行到最低位才能得到结果。74LS85功能如表2所示。
表2 74LS85功能表
真值表中的输入变量包括两个4位二进制数人:A3A2A1A0与B3B2B1B0,以及IA>B、IA<B、IA=B,其中IA>B、IA<B、IA=B是低位数的比较结果,由级联低位芯片送来,
用于与其他数值比较器连接,以便组成位数更多的数值比较器。
当2个数值比较器级联时,若高位比较器的两数相等,则比较结果由级联输入信号IA>B、IA<B、IA=B而定。为了简化比较过程,可先看级联输入IA=B是否为1。若IA=B=l,即低位比较器的两数相等,则比较结果为
FA=B=1。若IA=B=0,则再看级联输入IA>B和IA<B,如果IA
>B=l,即低位比较器的A>B,则比较结果为FA>B=1;如
果IA<B=1,即低位比较器的A
74LS85的引脚图如图4所示。实际使用时,若仅对
4位数进行比较,需对IA>B、IA<B、IA=B进行处理,即IA>B=IA
<B=0,IA=B=1。 图4 74LS85的引脚图
四.数值比较器的应用(温度报警器电路)
通过仿真学习,了解掌握了数值比较器的工作原理以后,即可将数值比较器应用于实用电路中,下面以温度报警器电路为例,介绍数值比较器在应用设计中的过程。如图5所示为温度报警器电路的逻辑图,温度检测电路已检测出温度数值,并以8位二进制数输出,8位二进制数的范围为0~255,表示温度数值为0℃~255℃,其中温度检测电路可由温度传感器组成。
温度报警器电路采用了两片级联的74LS85用作8位数值比较。数据输入端A连接输入的温度数据,而数据输入端B接报警数值。B输入端连接状态为“01100010”。二进制数01100010转换为十进制数为98。
当A输入端数值大于B输入端的设定值时。IC2的A>B.输出端输出为“1”,
晶体管9013饱和导通,蜂呜器发出报警声音,即当检测温度大于98℃时报警器报警。
图5 温度报警器电路逻辑图
明白了该电路的工作原理以后,就可以自行设计检测温度在0℃~255℃间的任一温度的报警电路了,只需改变B输入端的二进制数设定值。
图6 温度报警器的仿真电路
温度报警器的仿真电路如图6所示,温度输入端用8个开关模拟输入温度的
8位二进制数,温度设置端已设置为“01100010”,二进制数01100010转换为十进制数为98,所以温度设置端设置的报警温度为98℃,温度输入端此时的输入代码为01100100 ,01100100转换为十进制数为100,表示此时的输入温度为100℃,所以报警指示灯亮。仿真电路中为了观察方便,以指示灯代替了实际电路的报警器,工作原理是完全一样的。
以往的电路设计往往需要在实验室进行芯片线路的搭接、调试,费时又费力。仿真软件的出现,极大的提高了电路设计的效率,通过数值比较器的仿真应用设计,可以看出,仿真软件不仅是学习数字电路的好帮手,也是电路开发设计的利器。
参考文献
[1] 潘明,潘松. 数字电子技术基础. 北京:科学出版社,2008
[2] 阎石. 数字电子技术基本教程. 北京:清华大学出版社,2007
[3] 曹林根. 数字逻辑. 上海:上海交通大学出版社,2007
[4] 陈志武. 数字电子技术基础辅导教案. 西安:西北工业大学出版社,2007
[5] 潘松、黄继业. EDA技术实用教程(第三版). 北京:科学出版社,2007