第3章-卡诺图化简课件.ppt
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- 卡诺 图化简 课件
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1、3.3 卡 诺 图 化 简逻辑函数化简方法代数法图形法(卡诺(人)图法)卡诺图法形象直观,只要熟悉一些简单的规则,便可十分迅速地将函数化简为最简式。卡诺图法是逻辑设计中一种十分有用的工具,应用十分广泛,希望大家熟练掌握。卡 诺 图 化 简3.3.1 卡诺图化简的基本原理 在应用吸收律1(AB+AB=A)化简时已指出:凡是两逻辑相邻项,可合并成一顷,其合并结果保留相同变量,消去不同变量。逻辑相邻的概念:两个相同变量的逻辑项,只有一个变量取值不同,我们称它为逻辑相邻项。因此,如果一个逻辑函数我们能找到它的相邻关系,只要反复应用吸收律1就可化简。例_ _ _ _FABCABCABCABCABCABC
2、卡 诺 图 化 简例 20_ _ _ _FABCABCABCABCABCABC解_ABBCBC原式 上述化简过程十分简单,容易掌握。但是,有时逻辑函数的逻辑相邻关系不是十分直观,比如:各项变量就不相同,难于寻找相邻关系。为了寻找相邻关系,我们提出逻辑函数的标准式,从标准式我们可以很快找出函数各项之间的相邻关系。_ _FABCDABCBCABC 在介绍逻辑函数标准式之前,先说明一下最小项的基本概念。最小项:对于一个给定变量数目的逻辑函数,所有变量参加相“与”的项叫做最小项。在一个最小项中,每个变量只能以原变量或反变量出现一次。例如:3.3.2 逻辑函数的标准式最小项一个变量A有二个最小项:二个变
3、量AB有四个最小项:三个变量ABC有八个最小项:最小项 以此类推,四个变量ABCD共有24=16个最小项,n变量共有2n个最小项。1.最小项标准式定义 最小项标准式:全部是由最小项组成的“与或”式。(当然不一定由全部最小项组成)。例如最小项标准式_ _ _ _FABCABCABCABCABCABC_FABCABCABC 最小项标准式,它的相邻关系一目了然,而 不属于最小项标准式,而是属于一般式。_ _FABCDABBC 最小项标准式具有唯一性。任何逻辑函数的最小项标准式只有一个,它和逻辑函数的真值表有着严格的对应关系,而函数的一般式具有多样性,如 _FABCBCACABCABCABCAC 显然
4、,上面两等式形式不同,但它们均表示同一逻辑关系,功能是相同的。因此,为了找出逻辑函数的逻辑相邻关系,首先就要解决如何由函数的一般式得到最小项标准式。最小项标准式2.由一般式获得最小项标准式(1)代数法由上式可看出,第二项缺少变量A,第三项缺少变量B,我们可以分别用 和 乘第二项和第三项,其逻辑功能不变。对逻辑函数的一般式采用添项法,例如:_CABCCBAF)(_AA)(_BB _()()FABCBC AAAC BB_ABCABCABCABCABC这样我们就获得了具有同一逻辑功能的最小项标准式由一般式获得最小项标准式的方法 将原逻辑函数A、B、C取不同值组合起来,得其真值表,而该逻辑函数是将F=
5、1那些输入变量相或而成的,如表3-4所示。表 3 4 某逻辑函数的真值表(2)真值表法由一般式获得最小项标准式的方法从真值表上找得到ABCCABCBABCACBAF_表表 3 5 三变量最小项的编号三变量最小项的编号 为了方便,可对全部最小项进行编号。其编号与变量的取值组合对应,以便从它的编号联想到它的名称。当变量取值为“0”时,它以反变量形式出现在最小项中,当变量取值为“1”时,则以原变量的形式出现在最小项中。这样,变量取值组合所表示的十进制数,就是最小项编号的下标。ABCCABCBABCACBAF_上式可用 m1,m5,m6,m7 表示,可写为F(A,B,C)=m0+m3+m4+m6+m7
6、F(A,B,C)=m(0,3,4,6,7)F(A,B,C)=(0,3,4,6,7)(1)对于任意一种取值,全体最小项的和为1即1201niim(2)两个不同最小项之积为0,即0jimm)(ji(3)n变量有2n个最小项。3.最小项的性质 由最小项标准式可以较方便地找出相邻关系。但仍不直观,且有时容易漏掉一些相邻关系,并难于确定相邻项如何合并,使化简结果最简。为此提出了卡诺图化简法。卡诺图就是用图形将全部最小项巧妙地排列而构成的正方形或矩形的方格图,使逻辑相邻项在几何位置上相邻,图中分成若干个小方格,每个小方格填入一个最小项,按一定的规则把小方格中所有的最小项进行合并处理,就可得到最简的逻辑函数
7、表达式。3.3.3 最小项的卡诺图 一变量卡诺图:有21=2个最小项,因此有两个方格。外标的“0”表示取A的反变量,“1”表示取A的原变量。其图如图3-5(a)所示。最小项卡诺图又称为最小项方格图。对于有n个变量的逻辑函数,其最小项有2n个,因此该逻辑函数的卡诺图由2n个小方格构成。(1)一变量的卡诺图)一变量的卡诺图一变量的卡诺图二变量的卡诺图有2=4个最小项,因此有四个方格。外标的“0”、“1”的含义与前一样。其图如图所示。(2)二变量的卡诺图)二变量的卡诺图二变量的卡诺图三变量卡诺图有23=8个最小项,其卡诺图如图所示。(3)三变量的卡诺图)三变量的卡诺图三变量的卡诺图 四变量卡诺图有2
8、4=16个最小项,其卡诺图如图所示。(4)四变量的卡诺图)四变量的卡诺图四变量的卡诺图 五变量卡诺图有25=32个最小项,其卡诺图如图所示。(5)五变量的卡诺图)五变量的卡诺图随着输入逻辑变量个数的增加,图形变得十分复杂,所以卡诺图一般多用于六变量以内。从卡诺图上可以十分容易地找出逻辑相邻关系。凡是几何位置相邻,其对应的最小项均是逻辑相邻项。由于卡诺图是平面结构,因此在反映逻辑相邻项时,除了几何位置相邻外,还应考虑对折原理-即上下左右的最小项都具有相邻关系。例:3.3.4 用卡诺图表示逻辑函数1567_mmmmCBACBACABABCF 对表达式中出现的最小项,在其对应的小方格内填上“1”;对
9、表达式中不出现的最小项,在其对应的小方格内填上“0”或者什么都不填。例:具体做法(1)若逻辑函数式是最小项表达式0ABC00011110011010011图 3 6 逻辑函数用卡诺图表示1567_mmmmCBACBACABABCF 展开成最小项标准式,在其对应的方格内填上“1”或“0”或者什么都不填。也可以直接填卡诺图。(2)若逻辑函数式是一般式例:将ABCDDCACDBDCCBF_用卡诺图表示。解:展开成最小项标准式_()()()()()()FBC AA DDC D AA BBBCD AAAC D BBABCD很麻烦,可以直接填卡诺图解:我们逐项用卡诺图表示,然后再合起来即可。:在B=1,C
10、=0对应的方格(不管A,D取值),得m4、m5、m12、m13,在对应位置填1;:在C=1,D=0所对应的方格中填1,即m2、m6、m10、m14;_CB_DC 直接填卡诺图ABCDDCACDBDCCBF_图 3 7 逻辑函数直接用卡诺图表示 :在A=C=0,D=1对应方格中填1,即m1、m5;即m15。DCA_CCBBAADD111111111111ABCD0001111000011110 :在B=0,C=D=1对应方格中填1,即m3、m11;CDB_ ABCD:学会了用卡诺图表示逻辑函数,就可以用卡诺图化简逻辑函数了用卡诺图化简逻辑函数用卡诺图化简逻辑函数 利用卡诺图化简逻辑函数,其原理是
11、利用卡诺图利用卡诺图化简逻辑函数,其原理是利用卡诺图各项的相邻性,对相邻最小项进行合并,消去互反各项的相邻性,对相邻最小项进行合并,消去互反量,以达到化简的目的。量,以达到化简的目的。2个个相邻最小项合并,可以消去一个变量,相邻最小项合并,可以消去一个变量,4个个相相邻最小项合并,可以消去邻最小项合并,可以消去2个变量,个变量,2n个个相邻最小项相邻最小项合并,可以消去合并,可以消去n个变量,个变量,(1)两相邻项可合并为一项,消去一个取值不同的变量,保留取值相同的变量;(2)四相邻项可合并为一项,消去两个取值不同的变量,保留取值相同的变量。标注为“1”表示原变量,“0”表示反变量;(3)八相
12、邻项可合并为一项,消去三个取值不同的变量,保留取值相同的变量。(4)16个相邻项可合并为一项,消去四个取值不同的变量,保留取值相同的变量。3.3.5 相邻最小项合并规律注意:2n个最小项的相邻项才可合并,不满足2n关系的最小项不可合并。如21、22 4、23 8、24 16项 相邻项可合并,3、5、6、7、9 项 均不能合并。而且相邻关系应是封闭的,如m0、m1、m3、m2四个最小项,m0与m1,m1与m3,m3与m2均相邻,且m2和m0还相邻。这样的2n个相邻的最小项可合并。图 3 8 相邻最小项合并规律1111ABCD0001111000011110ABDACD(a)11111111ABC
13、D0001111000011110BDCD(b)11111111ABCD0001111000011110BDBD11111111ABCD0001111000011110B(c)(d)FABDACDFBDCDFBDBDFBFABCDABCDABCDABCDFABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDF ABCD ABCDABCD ABCDABCD ABCDABCD ABCDF A B C D A B C DA B C D A B C DA B C D A B C DA B C D A B C D相同变量留下,不同变量消掉3.3.6 与或逻辑化简 运用最小项标准式,在卡诺图上
14、进行逻辑函数化简,得到的基本形式是与或逻辑。其步骤如下:(1)将原始函数用卡诺图表示;(2)画卡诺圈,圈住全部“”方格 卡诺圈有多种圈法,根据最小项合并规律,要注意如何使卡诺圈数目最少,同时又要尽可能地使卡诺圈大,因为它少一个卡诺圈,逻辑表达式就少一项,组成电路就少用一个与门。(3)将上述全部卡诺圈的结果,“或”起来即得化简后的新函数;(4)由逻辑门电路,组成逻辑电路图。例 22 化简。CBADCACBCDBF_解:第一步:用卡诺图表示该逻辑函数。CDB_:对应m3、m11:DCA_对应m1、m5ABC:对应m10、m11:_CB对应m4、m5、m12、m1311111111ABCD00011
15、11000011110图 3-9 例22函数的卡诺图表示 第二步:画卡诺圈,圈住全部“”方格。具体化简过程见图:相同变量留下,不同变量消掉11111111ABCD0001111000011110ABDABCBC图 3 10 例22的化简过程第三步:组成新函数。每一个卡诺圈对应一个与项,然后再将各与项“或”起来得新函数。故化简结果为DBACBACBF_&AB&1F&BCCABD图 3 11 例22化简后的逻辑图第四步:根据新函数,画出 的逻辑电路。DBACBACBF_例 23 化简)15,13,12,7,6,5,2,1,0(F用卡诺图表示该逻辑函数。画卡诺圈,圈住全部“”方格写出化简后的逻辑函数
16、表达式比较图(a)、(b)两种圈法,显然图(b)圈法优于图(a)圈法,因为它少一个卡诺圈,组成电路就少用一个与门。故化简结果应为图(b),其化简函数为_DCABDCABCBAF图 3 12 例23化简过程解:&AB&1F&ACCBD&ACDB图 3 13 例23逻辑图_DCABDCABCBAF 画 的逻辑图例例 2424 化简)14,13,12,11,7,6,5,4,2,1(F化简方法如图(b)、(c)所示。图(b)是初学者常圈成的结果,图(c)是正确结果,即1111111111ABCD0001111000011110ACDABCDBCABACDBCD1111111111ABCD0001111
17、000011110(a)(b)(c)1111111111ABCD0001111000011110ACDABCDBDBCACDAB用卡诺图表示该逻辑函数。画卡诺圈,圈住全部“”方格解:写出化简后的逻辑函数表达式_CFABCDBCABAC DBDAC D这二者的差别在于图(b)将m6和m14圈为二单元圈。图(c)将m4、m6、m12、m14圈成四单元圈。前者化简结果为BCD,而后者为BD,少了一个变量。1111111111ABCD0001111000011110ACDABCDBCABACDBCD1111111111ABCD0001111000011110(a)(b)(c)1111111111ABC
18、D0001111000011110ACDABCDBDBCACDAB_bCFABCDBCABAC DBC DAC DFABCDBCABAC DBDAC D例 25 化简)15,14,11,10,9,8,7,6,5,2,0(FBCBDABADBF_ 解:用卡诺图表示该逻辑函数 画卡诺圈,圈住全部“”方格 写出化简后的逻辑函数表达式此例在圈的过程中注意四个角m0、m2、m8、m10可以圈成四单元圈图 3 15 例25化简过程图 3 15 例25逻辑图 画 逻辑图BCBDABADBF_例 26 化简。)15,14,13,9,7,5,4,3(FCDAABCDCACBAF_ 用卡诺图表示该逻辑函数 画卡诺
19、圈,圈住全部“”方格(a)中出现了多余圈。m5、m7、m13、m15虽然可圈成四单元圈,但它的每一个最小项均被别的卡诺圈圈过,是多余圈,此时最佳结果应如图(b)所示。写出化简后的逻辑函数表达式 解:图 3 16 例26化简过程图 3 16 例26逻辑图 画 的逻辑图CDAABCDCACBAF_3.3.7 其它逻辑形式的化简 将与或式两次求反即得与非式。其化简步骤如下:第一步:在卡诺图上圈“”方格,求得最简与或式;第二步:将最简与或式两次求反,用求反律展开一次,得到与非表示式;第三步:根据与非式,用与非门组成逻辑电路。1.与非逻辑形式 例 27 将例2226用与非门实现。解:例22与或结果为DB
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