摘要：針對顯示譯碼器設(shè)計(jì)時(shí)，輸入、輸出變量難以確定的問題，提出了功能解析和變量關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)法。顯示譯碼器輸出經(jīng)驅(qū)動(dòng)器使顯示器工作，輸出變量的多少和狀態(tài)取決于顯示器的種類，輸入變量的多少和狀態(tài)與輸出顯示結(jié)果有關(guān)。研究表明，顯示譯碼器輸入變量的位數(shù)，n與輸出顯示結(jié)果的個(gè)數(shù)N之間滿足2n=N或2n-1<N&le;2n，輸出變量的個(gè)數(shù)與顯示器的輸入相同，狀態(tài)相互對應(yīng)。

　　顯示譯碼器是數(shù)字電子技術(shù)組合邏輯電路中一個(gè)很重要的器件，在數(shù)字電子技術(shù)應(yīng)用中不可缺少，特別是在信息技術(shù)數(shù)字化的今天，其應(yīng)用越來越廣泛，但在組織開展科技創(chuàng)新和電子設(shè)計(jì)制作競賽活動(dòng)中，學(xué)生在設(shè)計(jì)制作搶答器、記分器、記時(shí)器等電子產(chǎn)品時(shí)，總是對如何準(zhǔn)確設(shè)計(jì)出符合功能要求的顯示譯碼器胸中無數(shù)，本文對此問題進(jìn)行了分析與研究。

　　1 顯示譯碼器的功能和種類

　　實(shí)現(xiàn)譯碼功能的邏輯電路就是譯碼器。譯碼是編碼的逆過程，數(shù)字化系統(tǒng)中，任何信息或數(shù)據(jù)，無論是文字、數(shù)字，還是符號或圖形，在監(jiān)測、控制、傳輸時(shí)都要轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼，這就是編碼；而在監(jiān)測、控制、傳輸過程中或結(jié)束時(shí)，都要顯示相應(yīng)的信息處理結(jié)果，這就必須將二進(jìn)制代碼還原為對應(yīng)的文字、數(shù)字、符號或圖形，這個(gè)過程就是譯碼。在數(shù)字電子技術(shù)中，譯碼器有兩種，即變量譯碼器和顯示譯碼器。

　　變量譯碼器分為二進(jìn)制和非二進(jìn)制兩種，二進(jìn)制譯碼器就是輸入的二進(jìn)制代碼的位數(shù)n與譯碼還原輸出信息的個(gè)數(shù)N之間為N=2n，非二進(jìn)制譯碼器就是不能滿足此種關(guān)系的譯碼器。

　　顯示譯碼器其顯示的內(nèi)容有文字、數(shù)字、符號等，其顯示用的材料有熒光、液晶、LED等，其顯示的形式有分段式、重疊式、點(diǎn)陣式等，其工作方式有共陰極和共陽極等等。

　　無論是變量譯碼器還是顯示譯碼器都有一些常用的定型產(chǎn)品，如二進(jìn)制的有三線-八線譯碼器，即輸入三位二進(jìn)制代碼，輸出八個(gè)信息，滿足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，顯示譯碼器最典型的是非二進(jìn)制的一種十進(jìn)制數(shù)譯碼器，型號是74LS48。但是在實(shí)際應(yīng)用和創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，這些產(chǎn)品不足以滿足不同功能的要求，必須設(shè)計(jì)新的顯示譯碼器，而在設(shè)計(jì)過程中問題最多的就是設(shè)計(jì)顯示譯碼器時(shí)，輸入、輸出變量的確定。

　　2 顯示譯碼器的設(shè)計(jì)步驟

　　顯示譯碼器是屬于數(shù)字電子技術(shù)中的組合邏輯電路，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，同樣應(yīng)該遵循組合邏輯電路的設(shè)計(jì)方法，共有四個(gè)步驟：一是根據(jù)功能要求確定所設(shè)計(jì)電路輸入、輸出變量及其狀態(tài)的含義；二是根據(jù)功能的要求列出真值表；三是用卡諾圖化簡，得出輸入、輸出變量的邏輯表達(dá)式；四是根據(jù)邏輯表達(dá)式畫出邏輯圖。

　　從以往的教學(xué)實(shí)踐、技能競賽以及課余活動(dòng)中發(fā)現(xiàn)，在組合邏輯電路設(shè)計(jì)的四個(gè)步驟中，對于每種類型電路設(shè)計(jì)難點(diǎn)是不一樣的。譬如，在設(shè)計(jì)輸入、輸出變量符合二進(jìn)制關(guān)系的組合邏輯電路時(shí)，最關(guān)鍵的是第二步根據(jù)功能要求列出真值表；而在設(shè)計(jì)具有非二進(jìn)制特征的組合邏輯電路時(shí)，重點(diǎn)是要把握住第三步具有約束項(xiàng)的卡諾圖化簡；當(dāng)設(shè)計(jì)要求用指定元器件實(shí)現(xiàn)組合邏輯電路時(shí)，其設(shè)計(jì)難點(diǎn)是第四步，必須把化簡出的邏輯表達(dá)式按設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)換為能用指定元器件實(shí)現(xiàn)的功能關(guān)系，再畫出邏輯圖；那么在設(shè)計(jì)顯示譯碼器時(shí)，最容易混淆和理不清的就是設(shè)計(jì)過程中的第一步。

　　3 顯示譯碼器的設(shè)計(jì)技巧

　　按照組合邏輯電路設(shè)計(jì)的方法，針對顯示譯碼器的特點(diǎn)，結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)踐中存在的突出問題，對顯示譯碼器設(shè)計(jì)過程中的第一步進(jìn)行了分析與研究，得出了如何準(zhǔn)確地確定所設(shè)計(jì)電路輸入、輸出變量的技巧和方法。

　　首先要了解顯示譯碼器在數(shù)字電路中的作用，確認(rèn)其在顯示電路中的功能關(guān)系，如圖1所示，從圖中得知數(shù)字顯示電路是由顯示譯碼器、顯示驅(qū)動(dòng)器和結(jié)果顯示器幾部分組成。顯示譯碼器就是將數(shù)字電路中經(jīng)過監(jiān)測、控制、傳輸后的二進(jìn)制代碼，進(jìn)行譯碼還原成相應(yīng)的文字、數(shù)字、符號等信息，并以不同的形式顯示出來；顯示驅(qū)動(dòng)器是確保結(jié)果顯示器正常工作的電路，根據(jù)結(jié)果顯示器的材料、功率、電路的不同，采用限流電阻驅(qū)動(dòng)、達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)、繼電器驅(qū)動(dòng)等多種方式；顯示器顯示的內(nèi)容、方式等種類很多，最常見的定型產(chǎn)品是七段數(shù)碼顯示管。所以設(shè)計(jì)顯示譯碼器時(shí)要兼顧譯碼器、驅(qū)動(dòng)器、顯示器三部分考慮。

　　3．1 根據(jù)顯示結(jié)果確定輸入變量

　　顯示譯碼器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)、難點(diǎn)都是確定輸入、輸出變量及其個(gè)數(shù)。通過實(shí)踐得知顯示譯碼器輸入變量要根據(jù)顯示譯碼器輸出結(jié)果的個(gè)數(shù)來確定。也就是說，無論顯示譯碼器選用何種形式（文字、數(shù)字、符號）、何種方式（共陰極還是共陽極）的顯示器，也不論其顯示什么樣的內(nèi)容，只要它顯示結(jié)果的個(gè)數(shù)相同（這兩者都是要顯示4個(gè)數(shù)字），那么所設(shè)計(jì)譯碼器輸入變量就一樣，即輸出結(jié)果N=4，4=22=2n，所以輸入變量為n=2。

　　如果要設(shè)計(jì)一個(gè)顯示字母&ldquo;E，L，H，F(xiàn)&rdquo;的譯碼器，顯然要輸出顯示的結(jié)果有4個(gè)，即N=4=22=2n，那么輸入變量也是n=2。

　　如果輸出顯示結(jié)果與輸入之間不滿足N=2n，如有一個(gè)電視節(jié)目&ldquo;星光大道&rdquo;每一關(guān)都能聽到主持人說倒數(shù)五個(gè)數(shù)出結(jié)果，如果在觀眾齊聲說5、4、3、2、1的同時(shí)，加上電子顯示豈不更加科學(xué)、直觀，因?yàn)檩敵鼋Y(jié)果有五個(gè)，N=5&ne;2n，在這個(gè)關(guān)系中輸出變量N與輸入變量n之間不滿足N=2n，則具有非二進(jìn)制的特點(diǎn)，按照組合邏輯電路輸入、輸出的對應(yīng)關(guān)系，這個(gè)顯示譯碼器輸出結(jié)果N與輸入變量n之間應(yīng)該滿足2n-1<N&le;2n，即23-1<5&le;23，所以輸入變量為n=3。

　　從上述分析得出，顯示譯碼器輸入變量的多少，取決于輸出結(jié)果的多少，即輸出結(jié)果的個(gè)數(shù)N與輸入變量的位數(shù)n之間滿足N=2n或2n-1<N&le;2n，而與輸出采用何種顯示器沒有關(guān)系，如表1，表2所示。

　　3．2 根據(jù)顯示形式確定輸出變量

　　設(shè)計(jì)顯示譯碼器在確定了輸入變量后，就要根據(jù)功能要求設(shè)計(jì)輸出變量。究竟需要幾個(gè)輸出變量呢？ 經(jīng)過反復(fù)研究得出其輸出變量是由所選擇顯示器的種類來確定。比如要設(shè)計(jì)一個(gè)顯示數(shù)字5，4，3，2，1，一個(gè)顯示字母E，L，H，F(xiàn)的顯示譯碼器，雖然兩個(gè)顯示結(jié)果的內(nèi)容和個(gè)數(shù)都不相同，但是如果兩種電路都選用七段數(shù)碼管，那么兩種譯碼電路輸出變量的個(gè)數(shù)都是7個(gè)。如果顯示字母E，L，H，F(xiàn)的電路，選擇五筆劃的顯示器，那么它的輸出變量就只有5個(gè)。

　　可見顯示譯碼器輸出變量的個(gè)數(shù)，只取決于所選顯示器的形式，至于是文字、符號、數(shù)碼，還是分段、重疊、點(diǎn)陣顯示器就是設(shè)計(jì)者要確定的，如果選分段顯示E，L，H，F(xiàn)，那么譯碼器輸出變量的個(gè)數(shù)就是顯示器的分段數(shù)，而與輸出顯示的內(nèi)容，以及顯示結(jié)果的多少無關(guān)，如圖2，圖3所示。

　　3．3 根據(jù)顯示方式確定變量狀態(tài)

　　確定了設(shè)計(jì)顯示譯碼器的輸入、輸出變量，要準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)出真值表，還必須明確每個(gè)變量的狀態(tài)和譯碼還原的對應(yīng)關(guān)系，這決定著設(shè)計(jì)的全過程。

　　對于輸入變量可以把n位二進(jìn)制代碼組合值按遞增或遞減的順序與輸出結(jié)果N一一對應(yīng)設(shè)計(jì)，如表1，表2所示。

　　如果輸入符合二進(jìn)制的特點(diǎn)，只要將所有代碼組合與輸出確定出對應(yīng)關(guān)系即可，若不符合二進(jìn)制對應(yīng)關(guān)系，就要將多余的輸入組合進(jìn)行約束，確保功能的實(shí)現(xiàn)。如：設(shè)計(jì)顯示字母E，L，H，F(xiàn)的譯碼器，其輸入的兩位二進(jìn)制代碼有四種組合，分別是00，01，10，11，讓其與輸出顯示結(jié)果E，L，H，F(xiàn)一一順序（或逆序）對應(yīng)譯碼還原即可，如表1所示。而設(shè)計(jì)顯示數(shù)字5，4，3，2，1，輸入是三位二進(jìn)制代碼，其組合分別是000，001，010，011，100，101，110，111，而輸出結(jié)果顯示只用五個(gè)組合，究竟選用哪五個(gè)組合，則由設(shè)計(jì)者自行確定，是選用前五個(gè)還是后五個(gè)，或選用二進(jìn)制代碼組合值與十進(jìn)制數(shù)值相一致的五個(gè)組合，如表2所示。

　　對于輸出變量是高電平還是低電平有效，主要取決于采用的顯示器是共陰極還是共陽極。如果輸出選用共陰極顯示器，輸出就是高電平有效；如果設(shè)計(jì)輸出低電平有效，就應(yīng)該選用共陽極顯示器。

　　由此可見，對于輸入、輸出變量的狀態(tài)和譯碼還原的對應(yīng)關(guān)系，完全由設(shè)計(jì)者根據(jù)習(xí)慣和顯示器的工作方式而定，這就為設(shè)計(jì)者提供了靈活、自主、創(chuàng)新設(shè)計(jì)和制作的平臺(tái)及條件。

　　4 顯示譯碼器的設(shè)計(jì)案例

　　4．1 設(shè)計(jì)一個(gè)用五筆劃顯示器顯示字母E，L，H，F(xiàn)的顯示譯碼器

　　這是一個(gè)指定了顯示形式（五筆劃如圖2所示），并未限定其工作方式是共陰極還是共陽極的設(shè)計(jì)任務(wù)。按照設(shè)計(jì)步驟及上述分析，首先確定該設(shè)計(jì)電路有兩個(gè)輸入變量A，B，輸入四個(gè)組合與輸出四個(gè)顯示字母相對應(yīng)，五個(gè)輸出變量，選共陽極顯示器，故輸出低電平有效。其次按功能要求列出相應(yīng)的真值表，如表1所示。然后利用卡諾圖化簡得出表達(dá)式。從真值表中可知，這個(gè)設(shè)計(jì)電路輸入采用的是正邏輯，輸出是負(fù)邏輯，因此卡諾圖化簡得到的輸出是反變量，如圖4所示，其余輸出化簡相同。最后根據(jù)表達(dá)式畫出邏輯圖，這與其他設(shè)計(jì)相同，就不再贅述。

　　4．2 設(shè)計(jì)一個(gè)用共陰極七段數(shù)碼管顯示數(shù)字5，4，3，2，1的顯示譯碼器

　　在這個(gè)設(shè)計(jì)中不僅限定了顯示器的形式是七段數(shù)碼顯示管（如圖3所示），而且顯示器的工作方式是共陰極，即輸出是高電平有效。同時(shí)，輸入輸出不滿足2n=N，輸入組合就有一些為多余，需要選擇和設(shè)定，這給設(shè)計(jì)者提供了極大的靈活性和創(chuàng)新性。

　　依據(jù)本文所述設(shè)計(jì)顯示譯碼器的技巧及其設(shè)定，這個(gè)顯示譯碼器有三個(gè)輸入A，B，C，七個(gè)輸出Ya，Yb，Yc，Yd，Ye，Yf，Yg，其真值表如表2所示，表中多余項(xiàng)輸出不顯示，或把它們作為功能擴(kuò)展控制端（讀者自行研究）。隨后卡諾圖化簡要注意約束項(xiàng)的處理，畫邏輯圖也不再贅述。

　　特別強(qiáng)調(diào)，當(dāng)顯示譯碼器設(shè)計(jì)完成，通過仿真確認(rèn)能夠?qū)崿F(xiàn)其功能要求，與顯示器實(shí)際連接時(shí)，一定要根據(jù)顯示器的種類、功率等技術(shù)指標(biāo)選擇合適的驅(qū)動(dòng)器作為橋梁和紐帶，來確保顯示器正常工作。

　　5 結(jié)語

　　顯示譯碼器在數(shù)字電子技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，準(zhǔn)確并靈活掌握其設(shè)計(jì)方法，為綜合運(yùn)用EDA技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、嵌入式技術(shù)，開發(fā)新的電子產(chǎn)品奠定了扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，為培養(yǎng)提升創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力提供了有效的參考和鋪墊。