第二章逻辑函数及其化简.ppt

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1、第二章 逻辑函数及其化简,2.4 代数法化简逻辑函数,2.5 逻辑函数的卡诺图化简,2.1 基本概念,2.2 逻辑代数,2.3 逻辑函数的表示方法,2.1 基本概念,逻辑门电路：在数字电路中，实现逻辑运算功能的电路。如：与门、或门、非门。,逻辑状态：在数字电路中；把一个状态分为两种，一种状态叫逻辑1，另一种状态叫逻辑0 。 (注：“1”或“0”是表示两种不同的符号，没有数量意思。),高低电平：表示电压大小范围，分为高电压状态和低电压状态，不是一个固定的电压数值。,真值表：将输入、输出用0、1表示，完整地列出所有可能输入、输出逻辑关系的表格。,逻辑函数：如果输入逻辑变量A、B、C、D 的取值（1

2、或0）确定以后、输出逻辑变量 Z 的值也被唯一的确定。 称Z 是A、B、C、D 的逻辑函数。 Z = F（ A、B、C、D ）,逻辑函数相等： F（ A、B、C、D ）和G（ A、B、C、D ），如果输入变量A、B、C、D 的任意一组状态组合取值，使F 和G 输出状态相同。称F和G是相等。 F = G 它们的真值表相等,布尔代数中的变量往往用字母A、B、C表示。每个变量只取“0”或“1”两种情况，即变量不是取“0”，就是取“1”，不可能有第三种情况。它相当于信号的有或无，电平的高低，电路的导通或截止。这使布尔代数可以直接用于双值逻辑系统电路的研究。,2.2 逻辑代数,一、基本逻辑：与逻辑、或逻

3、辑、非逻辑,与逻辑：某事成立，必须是它成立的所有条件都满足要求时，才成立。,如：串联开关电路,P,逻辑符号和表达式,P = A B C=AB C = A B C,A B C,真值表：列出输入的所有状态和输出值。,逻辑1: 表示开关”闭”,灯的”亮”. 逻辑0: 表示开关”断”,灯的”灭”.,与逻辑也称逻辑乘运算，相当于集合中的交集，根据交集的概念，不难确定逻辑乘法的运算规则：,A B = P 0 0 = 0 0 1 = 0 1 0 = 0 1 1 = 1,或逻辑：要使某事成立，只要满足它至少成立的一个条件时，则成立。,如：并联开关电路,逻辑符号和表达式,P = A + B+ C,A B C,真

4、值表：,或逻辑也称逻辑加运算，相当于集合中的并集，根据并集的概念，不难确定逻辑加的运算规则：,A+B = P 0+ 0 = 0 0+ 1 = 1 1+ 0 = 1 1+ 1 = 1,小结 与逻辑：有低 出低 ；全高 出高 。 或逻辑：有高 出高；全低 出低 。,非运算非逻辑：当一事件的条件满足时，该事件不会发生，条件不满足时，才会发生，这样的因果关系称为“非”逻辑关系。,与非、或非逻辑,与非,或非,与非： 全高 出低 ；有低 出高 。 或非： 全低 出高 ；有高 出低 。,与或非,异或、同或逻辑,异或: 二个输入变量状态不同，输出为高；二个输入变量状态相同，输出为低 。,注：一次异或逻辑运算只

5、有二个输入变量，多个变量的异或运算，必须二个二个变量分别进行。,同或：二个输入变量状态相同，输出为高；二个输入变量状态不同，输出为低 。,各种逻辑符号图,二、逻辑代数的基本定律,1. 变量与常量之间的关系 ：变量与常量之间的关系又可分为与逻辑形式及或逻辑形式两种。实际上“与”和“或”之间是有对应关系的，我们将在稍后给予指出。,定理1 A0=0 ， A+1=1 定理2 A1=A ，A+0=A,2. 变量自身之间的关系： 变量自身之间的关系也有两对公式，它们之间也是互相对应的。,定理3 AA=A ， A+A=A 定理4 =0 ， A+ =1 定理5：还原律,3. 在对逻辑表达式进行变换时，可以使用

6、普通的交换律、结合律和分配律来变换其形式。,定理6 ：交换律,AB = BA A+B= B+A,定理7 ： 结合律,(A+B)+C =A+(B+C) (AB)C = A(BC),定理8 ：分配律,A(B+C) = AB+AC A+AC = (A+B)(A+C),4. 特殊公式和定理：,定理9 ：吸收律,A+AB = A ， A(A+B) = A A+ B = A+B，A( +B ) = AB,定理10：反演律,定理1 ：恒等式,在 “与或”逻辑式中，一个与项包含了另外两个含有互为反变量的与项的其余部分，则该与项是多余的（项）。,二、逻辑代数的基本定律,三、逻辑代数的基本规则,基本公式中的公式l

7、 和公式2 就互为对偶 式。,1 .代入规则 对于任何一个逻辑等式，以某个逻辑变量或逻辑函数同时取代等式两端任何一个逻辑变量后，等式依然成立。 例如，在反演律中用BC去代替等式中的B，则新的等式仍成立：,2 .对偶规则 将一个逻辑函数L进行下列变换： ： ， ： 0 1 ， 1 0,所得新函数表达式叫做L 的对偶式，用 表示。,3 .反演规则,在应用反演规则求反函数时要注意以下两点： （1）保持运算的优先顺序不变，必要时加括号表明； （2）变换中，几个变量（一个以上）的公共非号保持不变。,利用反演规则，可以非常方便地求得一个函数的反函数,解：,解：,将一个逻辑函数L进行下列变换： ： ， ；

8、： 0 1 ， 1 0 ； ：原变量 反变量， 反变量 原变量。,所得新函数表达式叫做L的反函数，用 表示。,例 求函数 的反函数：,例 求函数 的反函数：,展开规则： 展开规则也叫展开定理，主要有二个公式。,展开规则二：,展开规则一：,上述两个展开规则可以看成下列四个等式：,四、异或、同或的运算规则,异或：F=AB,A+B=A B AB,A B=A B （A+B）,A（BC）= AB AC,等式两边可以相互交换： 如 AB= C；则AC= B,同或：F=AB,A+B =A B AB,A B=A B (A+B）,等式两边可以相互交换： 如 A B= C；则A C= B,A+(BC)=(A+B)

9、 ( A+C),如常量1 的个数为奇数，则输出为 1 。,如常量0 的个数为偶数，则输出为 1 。,公式的证明方法：,（1）用简单的公式证明略为复杂的公式。,例 证明吸收律,证：,例3.1.2 用真值表证明反演律,1 1 1 0,1 1 1 0,（2）用真值表证明，即检验等式两边函数的真值表是否一致。,证: (1),(2),所以 x = y,2.3 逻辑函数的表示方法,描述逻辑问题时，经常使用真值表、逻辑函数的表达式、逻辑图或卡诺图等方法来研究、处理逻辑问题。并且它们之间完全等价的,一真值表：其特点为：,直观明瞭； 由实际问题抽象成数学问题时，使用真值表最方便； 变量较多时，真值表过于繁琐。,

10、例如： 设计三个不同地点的开关控制一盏灯的电路。,解：首先分析题意，令A、B、C 表示三个开关 ，F 为灯；1 和 0 表示开关或灯的两个状态。然后列出真值表如下：,二逻辑函数的表达式 Z = F（A，B，C，）,1 . 由真值表求函数表达式的方法,标准“与-或”式（“积之和”式）,把真值表中函数为1 的输入变量取值组合选出； 输入变量为1的写成原变量；为0 的写成反变量，然后写成一个乘积项（与项）； 将所有函数值为1的乘积项相加 标准“与-或”式。,例：根据上例子的真值表得到函数的表达式如下：,由真值表得到的函数的表达式是标准的“与-或”式。,标准“或-与”式（“和之积”式）,选真值表中函数

11、为0 的输入变量取值组合； 输入变量为1的写成反变量；为0 的写成原变量，然后写成一个和项； 将这些和项相乘 标准“ 或- 与” 式。,2 . 最小项、最大项,最小项：包含全部输入变量，每个输入变量或以原变量或以反变量形式出现，并仅仅出现一次，这样的乘积项。,标准“与-或”式：由最小项相加而成的函数表达式。,n个变量的最小项的数目是2n 个，最小项用 mi 表示。下标用最小项对应的二进制码相应的十进制数表示。例如,A B 0 0 0 1 1 0 1 1,最大项：包含全部输入变量的和项。最大项用MJ表示。最大项的下标与对应的最小项下标之间有一定关系:,I 是最小项的下标数； j 是最大项的下标数

12、。,A B C 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1,最小项,非标准“与-或”式 标准“与-或”式,解：,例： 将函数 转换成最小项表达式。,= m7+m6+m3+m1 = m（1,3,6,7）,解：,=m7+m6+m3+m5=m（3,5,6,7）,例： 将函数 转换成标准“与-或”式 。,最小项和最大项的性质：P96,1. 最小项的反是最大项, 最大项的反是最小项;,2. 全部最小项之和恒等于“1” ;,3.全部最大项之积恒等于“0” ;,4. 一部分最小项之和的反等于另外那些最小项之和;,5. 两最小项之积恒等于“0” ;,6. 两

13、最大项之和恒等于“1” ;,7. 与或标准型 Y=mi = m(0,1,4,6,7)= m0 +m1 +m4 +m6 +m7,8. 或与标准型 Y=Mi = M (0,1,4,6,7)= M0 M1 M4 M6 M7,3 . 函数表达式的特点,简洁方便，高度抽象概括地表示逻辑问题； 便于进行运算、变换和化简； 便于逻辑图实现。,三逻辑图： 用逻辑符号表示基本单元电路已及由这些基本单元电路组成的部件之后，所得到的图。它具有比较接近工程实际的突出优点和信号流电路接口清晰等特点。,2.4 代数法化简逻辑函数,1逻辑函数式的常见形式: 一个逻辑函数的表达式不是唯一的，除了与或式外，还有或与式、与非与非

14、式、或非或非及与或非式。可以有多种形式，并且能互相转换。例如：,与或表达式,或与表达式,与非与非表达式,或非或非表达式,与或非表达式,其中，与或表达式是逻辑函数的最基本表达形式。,2逻辑函数的最简“与或表达式” 的标准,3用代数法化简逻辑函数: 即运用形式定理和基本规则进行化简。所以必须熟练掌握这些定理和规则，否则十分容易与一般代数相混。,并项法：运用公式 将两项合并为一项，消去一个变量。,例：,与项最少，即表达式中乘积项最少。 每个乘积项中的变量数最少。,吸收法：运用吸收律 A+AB=A，消去多余的与项。,例：,例：,消去法：运用吸收律 消去多余因子。,例：,配项法：先通过乘以 或加上 ，

15、增加必要的乘积项，再用以上方法化简。,在化简逻辑函数时，要灵活运用上述方法，才能将逻辑函数化为最简。逻辑函数的化简结果不是唯一的。,例 化简,解：,（利用A+AB=A）,（利用 ）,例 化简：,（消去一个多余项 ）,（再消去一个多余项 ）,（消去一个多余项 ）,（再消去一个多余项 ）,例：化简,（利用A+AB=A）,（配项法）,（利用A+AB=A）,代数化简法： 优点：不受变量数目的限制。 缺点：没有固定的步骤可循；需要熟练运用各种公式和定理；需要一定的技巧和经验；不易判定化简结果是否最简。,2.5 逻辑函数的卡诺图化简,一、卡诺图 ：把真值表形式变换成方格图的形式，并按循环码来排列变量的取值

16、组合。,卡诺图建立：,把输入变量分为两组，并写出每组变量的所有可能取值；,每组变量的取值按循环码来排列；,0 0 0 1 1 1 1 0,000 001 011 010 110 111 101 100,两变量,四变量,三变量,卡诺图是最小项按一定规律排列的方格图，每一个最小项占有一个小方格。因为最小项的数目与变量数有关，设变量数为n，则最小项的数目为2n,小方格数目也为2n 。,这两组变量组合构成2n个方格，每个方格代表个最小项。,0,四变量卡诺图,卡诺图具有很强的相邻性： 直观相邻性，只要小方格在几何位置上相邻（不管上下左右），它代表的最小项在逻辑上一定是相邻的。 对边相邻性，即与中心轴对称

17、的左右两边和上下两边的小方格也具有相邻性。,卡诺图的特点几何相邻必逻辑相邻,一个小方格代表一个最小项，用小方格几何位置上的相邻性来表示最小项逻辑上的相邻性。,卡诺图性质和运算：,卡诺图中所有小方格均为0时，其输出函数F=0 。,卡诺图中所有小方格均为1时，其输出函数F=1 。,两卡诺图中相加（或），对应每小方格中的0、1按逻辑加运算。,两卡诺图中相乘（与），对应每小方格中的0、1按逻辑乘运算。,用卡诺图反演求反函数：将原函数卡诺图中的01、1 0；即可得到反函数的卡诺图。,卡诺图的对偶, 求对偶函数F* ，其方法：,由F函数的最小项，求反函数F ；,如 F（A，B，C ） = m（i ） 则

18、（A，B，C ） = m（j ）,其中j 为2n 个号码中除去 i 以外的所有最小项号码。,由反函数，求对F*偶函数= m（k）；,那么 k=（ 2n 1） j ； （k 的个数与 j 相同 ）,如 n = 3，k=（ 23 1） j = 7 j n= 4，k=（ 24 1） j = 15 j,例: F（A，B，C ） = m（0，2，6 ） （A，B，C ） = m（1，3，4，5，7 ）,F* (A，B，C) = m（0，2，3，4，6 ）,二、用卡诺图表示逻辑函数,1从真值表到卡诺图 例 已知某逻辑函数的真值表，用卡诺图表示该逻辑函数。,解： 该函数为三变量，先画出三变量卡诺图，然后根据

19、真值表将8个最小项L的取值0或者1填入卡诺图中对应的8个小方格中即可。,2从逻辑表达式到卡诺图,如不是最小项表达式，应先将其先化成最小项表达式，再填入卡诺图。也可由“与或”表达式直接填入。,如果表达式为最小项表达式，则可直接填入卡诺图。,解： 写成简化形式：,解：直接填入：,例 用卡诺图表示逻辑函数:,然后填入卡诺图：,例 用卡诺图表示逻辑函数：,三、逻辑函数的卡诺图化简法,1卡诺图合并最小项的规律 : 在卡诺图中处于相邻位置的最小项均可以合并为一项，而合并后的乘积项由没有0、1变化的变量组成，消去了有变化的变量。,4个相邻的最小项可以合并，消去2个取值不同的变量。,2个相邻的最小项可以合并，

20、消去1个取值不同的变量。,8个相邻的最小项可以合并，消去3个取值不同的变量。,总之，2n个相邻的最小项可以合并，消去n个取值不同的变量。,16个相邻的最小项可以合并，消去4个取值不同的变量。,2卡诺图化简逻辑函数（画圈合并最小项）,化简最简“与-或”式方法：（圈 1） 找出最小项为1的相邻项进行合并； 尽量画大圈，即乘积项中变量最少。 圈的个数尽量少，即乘积项少； 在每一个新画的圈组中至少要含有一个末被圈过的1方格（函数值为1的最小项），否则该圈组是多余的； 卡诺图中所有取值为1的方格均要被圈过（圈完）。,最简“与-或”式为,乘积项个数 = 合并圈的数目（圈少）,乘积项中含变量因子的多少取决于

21、合并圈大小（圈大）,例 化简逻辑函数： F（A,B,C,D）=m（0,1, 7,8,9,10,11,12,13,14,15）,解：a. 由表达式画出卡诺图。,b. 画圈， 合并最小项， 得简化的 与或表达式:,解：由表达式画出卡诺图。,注意：图中的绿色圈是多余的，应去掉 。,例 用卡诺图化简逻辑函数：,合并最小项，得简化的“与或”表达式:,例 已知某逻辑函数的真值表，用卡诺图化简该函数。,解：由真值表画出卡诺图; 画合并最小项。有两种画圈的方法,由此可见，一个逻辑函数的真值表是唯一的，卡诺图也是唯一的，但化简结果有时不是唯一的。,（a）：写出表达式：,（b）：写出表达式：,4卡诺图化简逻辑函数

22、的另一种方法圈0法,例 已知逻辑函数的卡诺图如图示，分别用“圈1法”和“圈0法”写出其最简与或式。,b. 用圈0法，得：,解：a. 用圈1 法，得：,对F取非得：,四、具有无关项的逻辑函数的化简,1无关项: 在有些逻辑函数中，输入变量的某些取值组合不会出现，或者一旦出现，逻辑值可以是任意的。这样的取值组合所对应的最小项称为无关项、任意项或约束项。,解：设控制旋转方向开关分别用A、B 表示，右 左旋转用 L 、R 表示 列出该函数的真值表。,带有无关项的逻辑函数的最小项表达式为： F=m（ ）+d（ ） 如本例函数可写成 L=m（1）+d（3）； R=m（1）+d（3）,显而易见，在这个函数中，

23、有一个最小项为无关项。,例：设计电动机旋转的控制电路。,2具有无关项的逻辑函数的化简,化简具有无关项的逻辑函数时，要充分利用无关项可以当 0 也可以当1 的特点，尽量扩大卡诺圈，使逻辑函数更简。,考虑无关项时， 表达式为: F = B,例,不考虑无关项时， 表达式为：,例：某逻辑函数输入是8421BCD码，其逻辑表达式为： L（A,B,C,D）=m（1,4,5,6,7,9）+d（10,11,12,13,14,15） 用卡诺图法化简该逻辑函数。,解：a. 画出4变量卡诺图。将1、4、5、6、7、9号小方格填入1； 将10、11、12、13、14、15号小方格填入。,如果不考虑无关项，写出表达式为：,c. 写出逻辑函数的最简与或表达式:,b. 合并最小项。注意，1方格不能漏。方格根据需要，可以圈入，也可以放弃。,这是一个五变量的逻辑函数，先看五变量卡诺图的构成，五变量卡诺图是在四变量卡诺图的基础上翻转构成的。,例:化简逻辑函数,最小项编号变量按EABCD顺序,轴,我们将逻辑函数中带有 的与项填入轴左侧的 四变量卡诺图中；将带有E 的与项填入轴右侧的E 四变量卡诺图中；不带变量E 的与项填入以轴为对称的二个四变量卡诺图中。,