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译码器变量组合数字电路中显示译码器设计的分析与研究

显示译码器是数字电子技术组合逻辑电路中一个很重要的器件,在数字电子技术应用中不可缺少,特别是在信息技术数字化的今天,其应用越来越广泛,但在组织开展科技创新和电子设计制作竞赛活动中,学生在设计制作抢答器、记分器、记时器等电子产品时,总是对如何准确设计出符合功能要求的显示译码器胸中无数,本文对此问题进行了分析与研究。

1 显示译码器的功能和种类
实现译码功能的逻辑电路就是译码器。译码是编码的逆过程,数字化系统中,任何信息或数据,无论是文字、数字,还是符号或图形,在监测、控制、传输时都要转换为二进制代码,这就是编码;而在监测、控制、传输过程中或结束时,都要显示相应的信息处理结果,这就必须将二进制代码还原为对应的文字、数字、符号或图形,这个过程就是译码。在数字电子技术中,译码器有两种,即变量译码器和显示译码器。
变量译码器分为二进制和非二进制两种,二进制译码器就是输入的二进制代码的位数n与译码还原输出信息的个数N之间为N=2n,非二进制译码器就是不能满足此种关系的译码器。
显示译码器其显示的内容有文字、数字、符号等,其显示用的材料有荧光、液晶、LED等,其显示的形式有分段式、重叠式、点阵式等,其工作方式有共阴极和共阳极等等。
无论是变量译码器还是显示译码器都有一些常用的定型产品,如二进制的有三线-八线译码器,即输入三位二进制代码,输出八个信息,满足23=8。常用的集成芯片是74系列和54系列,最典型的芯片是74LS138,显示译码器最典型的是非二进制的一种十进制数译码器,型号是74LS48。但是在实际应用和创新设计中,这些产品不足以满足不同功能的要求,必须设计新的显示译码器,而在设计过程中问题最多的就是设计显示译码器时,输入、输出变量的确定。

2 显示译码器的设计步骤
显示译码器是属于数字电子技术中的组合逻辑电路,所以在设计时,同样应该遵循组合逻辑电路的设计方法,共有四个步骤:一是根据功能要求确定所设计电路输入、输出变量及其状态的含义;二是根据功能的要求列出真值表;三是用卡诺图化简,得出输入、输出变量的逻辑表达式;四是根据逻辑表达式画出逻辑图。
从以往的教学实践、技能竞赛以及课余活动中发现,在组合逻辑电路设计的四个步骤中,对于每种类型电路设计难点是不一样的。譬如,在设计输入、输出变量符合二进制关系的组合逻辑电路时,最关键的是第二步根据功能要求列出真值表;而在设计具有非二进制特征的组合逻辑电路时,重点是要把握住第三步具有约束项的卡诺图化简;当设计要求用指定元器件实现组合逻辑电路时,其设计难点是第四步,必须把化简出的逻辑表达式按设计要求转换为能用指定元器件实现的功能关系,再画出逻辑图;那么在设计显示译码器时,最容易混淆和理不清的就是设计过程中的第一步。

3 显示译码器的设计技巧
按照组合逻辑电路设计的方法,针对显示译码器的特点,结合设计实践中存在的突出问题,对显示译码器设计过程中的第一步进行了分析与研究,得出了如何准确地确定所设计电路输入、输出变量的技巧和方法。

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首先要了解显示译码器在数字电路中的作用,确认其在显示电路中的功能关系,如图1所示,从图中得知数字显示电路是由显示译码器、显示驱动器和结果显示器几部分组成。显示译码器就是将数字电路中经过监测、控制、传输后的二进制代码,进行译码还原成相应的文字、数字、符号等信息,并以不同的形式显示出来;显示驱动器是确保结果显示器正常工作的电路,根据结果显示器的材料、功率、电路的不同,采用限流电阻驱动、达林顿驱动、继电器驱动等多种方式;显示器显示的内容、方式等种类很多,最常见的定型产品是七段数码显示管。所以设计显示译码器时要兼顾译码器、驱动器、显示器三部分考虑。

3.1 根据显示结果确定输入变量
显示译码器设计的重点、难点都是确定输入、输出变量及其个数。通过实践得知显示译码器输入变量要根据显示译码器输出结果的个数来确定。也就是说,无论显示译码器选用何种形式(文字、数字、符号)、何种方式(共阴极还是共阳极)的显示器,也不论其显示什么样的内容,只要它显示结果的个数相同(这两者都是要显示4个数字),那么所设计译码器输入变量就一样,即输出结果N=4,4=22=2n,所以输入变量为n=2。
如果要设计一个显示字母“E,L,H,F”的译码器,显然要输出显示的结果有4个,即N=4=22=2n,那么输入变量也是n=2。
如果输出显示结果与输入之间不满足N=2n,如有一个电视节目“星光大道”每一关都能听到主持人说倒数五个数出结果,如果在观众齐声说5、4、3、2、1的同时,加上电子显示岂不更加科学、直观,因为输出结果有五个,N=5≠2n,在这个关系中输出变量N与输入变量n之间不满足N=2n,则具有非二进制的特点,按照组合逻辑电路输入、输出的对应关系,这个显示译码器输出结果N与输入变量n之间应该满足2n-1<N≤2n,即23-1<5≤23,所以输入变量为n=3。
从上述分析得出,显示译码器输入变量的多少,取决于输出结果的多少,即输出结果的个数N与输入变量的位数n之间满足N=2n或2n-1<N≤2n,而与输出采用何种显示器没有关系,如表1,表2所示。

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3.2 根据显示形式确定输出变量
设计显示译码器在确定了输入变量后,就要根据功能要求设计输出变量。究竟需要几个输出变量呢? 经过反复研究得出其输出变量是由所选择显示器的种类来确定。比如要设计一个显示数字5,4,3,2,1,一个显示字母E,L,H,F的显示译码器,虽然两个显示结果的内容和个数都不相同,但是如果两种电路都选用七段数码管,那么两种译码电路输出变量的个数都是7个。如果显示字母E,L,H,F的电路,选择五笔划的显示器,那么它的输出变量就只有5个。

可见显示译码器输出变量的个数,只取决于所选显示器的形式,至于是文字、符号、数码,还是分段、重叠、点阵显示器就是设计者要确定的,如果选分段显示E,L,H,F,那么译码器输出变量的个数就是显示器的分段数,而与输出显示的内容,以及显示结果的多少无关,如图2,图3所示。

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3.3 根据显示方式确定变量状态
确定了设计显示译码器的输入、输出变量,要准确地设计出真值表,还必须明确每个变量的状态和译码还原的对应关系,这决定着设计的全过程。
对于输入变量可以把n位二进制代码组合值按递增或递减的顺序与输出结果N一一对应设计,如表1,表2所示。
如果输入符合二进制的特点,只要将所有代码组合与输出确定出对应关系即可,若不符合二进制对应关系,就要将多余的输入组合进行约束,确保功能的实现。如:设计显示字母E,L,H,F的译码器,其输入的两位二进制代码有四种组合,分别是00,01,10,11,让其与输出显示结果E,L,H,F一一顺序(或逆序)对应译码还原即可,如表1所示。而设计显示数字5,4,3,2,1,输入是三位二进制代码,其组合分别是000,001,010,011,100,101,110,111,而输出结果显示只用五个组合,究竟选用哪五个组合,则由设计者自行确定,是选用前五个还是后五个,或选用二进制代码组合值与十进制数值相一致的五个组合,如表2所示。
对于输出变量是高电平还是低电平有效,主要取决于采用的显示器是共阴极还是共阳极。如果输出选用共阴极显示器,输出就是高电平有效;如果设计输出低电平有效,就应该选用共阳极显示器。
由此可见,对于输入、输出变量的状态和译码还原的对应关系,完全由设计者根据习惯和显示器的工作方式而定,这就为设计者提供了灵活、自主、创新设计和制作的平台及条件。

4 显示译码器的设计案例
4.1 设计一个用五笔划显示器显示字母E,L,H,F的显示译码器
这是一个指定了显示形式(五笔划如图2所示),并未限定其工作方式是共阴极还是共阳极的设计任务。按照设计步骤及上述分析,首先确定该设计电路有两个输入变量A,B,输入四个组合与输出四个显示字母相对应,五个输出变量,选共阳极显示器,故输出低电平有效。其次按功能要求列出相应的真值表,如表1所示。然后利用卡诺图化简得出表达式。从真值表中可知,这个设计电路输入采用的是正逻辑,输出是负逻辑,因此卡诺图化简得到的输出是反变量,如图4所示,其余输出化简相同。最后根据表达式画出逻辑图,这与其他设计相同,就不再赘述。

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4.2 设计一个用共阴极七段数码管显示数字5,4,3,2,1的显示译码器
在这个设计中不仅限定了显示器的形式是七段数码显示管(如图3所示),而且显示器的工作方式是共阴极,即输出是高电平有效。同时,输入输出不满足2n=N,输入组合就有一些为多余,需要选择和设定,这给设计者提供了极大的灵活性和创新性。
依据本文所述设计显示译码器的技巧及其设定,这个显示译码器有三个输入A,B,C,七个输出Ya,Yb,Yc,Yd,Ye,Yf,Yg,其真值表如表2所示,表中多余项输出不显示,或把它们作为功能扩展控制端(读者自行研究)。随后卡诺图化简要注意约束项的处理,画逻辑图也不再赘述。
特别强调,当显示译码器设计完成,通过仿真确认能够实现其功能要求,与显示器实际连接时,一定要根据显示器的种类、功率等技术指标选择合适的驱动器作为桥梁和纽带,来确保显示器正常工作。

5 结语
显示译码器在数字电子技术领域应用越来越广泛,准确并灵活掌握其设计方法,为综合运用EDA技术、单片机技术、嵌入式技术,开发新的电子产品奠定了扎实的理论基础,为培养提升创新设计能力提供了有效的参考和铺垫。


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