数值比较器的应用.doc

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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

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<B，则比较结果为FA<B＝1。
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

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