编码器

一、编码器的定义与功能

1.4线－2线编码器

　　在数字系统里，常常需要将某一信息（输入）变换为某一特定的代码（输出）。把二进制码按一定的规律编排，例如8421码、格雷码等，使每组代码具有一特定的含义（代表某个数或控制信号）称为编码。具有编码功能的逻辑电路称为编码器。编码器有若干个输入，在某一时刻只有一个输入信号被转换为二进制码。例如8线－3线编码器和10线－4线编码器分别有8输入、3位二进制码输出和10输入A位二进制码输出。下面分析4输入2位二进制码输出的编码器的工作原理。
　　4线－2线编码器的功能表如下：

　　由上表可知，该编码器为高电平输入有效，因而可由功能表得到如下逻辑表达式：

　　根据逻辑表达式画出的逻辑图，可实现功能表所列的功能：

4线－2线编码器逻辑图

　　这里还有一种情况需要注意：当I₀为1，I₁～I₃都为0时和I₀
～I₃均为0时Y₁Y₀都是00，而这两种情况在实际中是必须加以区分的，这个问题留待后面加以解决。当然，编码器也可以设计为低电平有效。

2.键盘输入8421BCD码编码器

　　计算机的键盘输入逻辑电路就是由编码器组成。

　　上图为一个用十个按键和门电路组成的8421码编码器，其功能表如下：

　　其中S₀～S₉代表十个按键，即对应十进制数0～9的输入键，它们对应的输出代码正好是8421BCD码,同时也把它们作为逻辑变量，ABCD为输出代码(A为最高位），GS为控制使能标志。
　　对功能表和逻辑电路进行分析，都可得知：①该编码器为输入低电平有效；②在按下S₀～S₉中任意一个键时，即输入信号中有一个为有效电平时GS＝1，代表有信号输入,而只有S₀～S₉均为高电平时GS=0
，代表无信号输入，此时的输出代码0000为无效代码。由此解决了前面提出的如何区分两种情况下输出都是全0的问题。

3.优先编码器

　　上述机械式按键编码电路虽然比较简单，但当同时按下两个或更多个键时，其输出将是混乱的。在数字系统中，特别是在计算机系统中，常常要控制几个工作对象，例如微型计算机主机要控制打印机、磁盘驱动器、输入键盘等。当某个部件需要实行操作时，必须先送一个信号给主机（称为服务请求），经主机识别后再发出允许操作信号（服务响应），并按事先编好的程序工作。这里会有几个部件同时发出服务请求的可能，而在同一时刻只能给其中1个部件发出允许操作信号。因此，必须根据轻重缓急，规定好这些控制对象允许操作的先后次序，即优先级别。识别这类请求信号的优先级别并进行编码的逻辑部件称为优先编码器。4线－2线优先编码器的功能表如下：

　　分析该表中的I₀～I₃的优先级别，可以发现，对于I₀，只有当I₁，I₂，I₃均为0，即均无有效电平输入，且I₀为1时，输出为00。对于I₃，无论其他3个输入是否为有效电平输入，输出均为11。由此可知I₃的优先级别高于I₀的优先级别，且这4个输入的优先级别的高低次序依次为I₃，I₂，I₁，I₀。
　　由该功能表可以导出该优先编码器的逻辑表达式为

　　由于这里包括了无关项，逻辑表达式比前面介绍的非优先编码器简单些。

二、集成电路编码器

　　这里介绍两种常用的集成电路优先编码器74147和74148，它们都有TTL和CMOS（ 74HC14、74HC148 ）的定型产品。74147和74HC147，74148和74HC148在逻辑功能上没有区别，只是电性能参数不同。以下只分析逻辑功能及介绍它们的应用方法。

1.8线－3线优先编码器74148

　　优先编码器74148的逻辑图和引脚图分别如下：

　　其功能表为：

　　该编码器有8个信号输入端，3个二进制码输出端。此外，电路还设置了输入使能端EI，输出使能端EO和优先编码工作状态标志GS。
　　当EI＝０时，编码器工作；而当EI＝1时、则不论8个输入端为何种状态，3个输出端均为高电平，且优先标志端和输出使能端均为高电平，编码器处于非工作状态。这种情况被称为输入低电平有效，输出也有低电平有效的情况。当EI为０，且至少有一个输入端有编码请求信号（逻辑０）时，优先编码工作状态标志GS为０，表明编码处于工作状态，否则为1。由功能表可知，在8个输入端均无低电平输入信号和只有输入０端（优先级别最低位）有低电平输入时，A₂A₁A₀均为111，出现了输入条件不同而输出代码相同的情况 ，这可由GS的状态加以区别，当GS＝1时，表示8个输入端均无低电平输入，此时A₂A₁A₀＝111为非编码输出；GS＝0时，A₂A₁A₀＝111表示响应输入０的输出代码，A₂A₁A₀＝111为编码输出。EO只有在EI为０，且所有输入端都为1时，输出为０，它可与另一片同样器件的EI连接，以便组成更多输入端的优先编码器。
　　从功能表不难看出，输入优先级别的次序依次为7，6，…，０
。输入有效信号为低电平，当某一输入端有低电平输入，且比它优先级别高的输入端无低电平输入时，输出端才输出相对应的输入端的代码。例如，输入5为０，且优先级别比它高的输入6和输入7均为1时，输出代码为010，这就是优先编码器的工作原理。
　　为了能够列出逻辑表达式，我们设输入０，1，…，7对应的变量为I₀，I₁，…，I₇，根据功能表，写出各输出端的逻辑表达式。

　　以A₂为例推导输出代码的逻辑表达式。

　　下面通过举例来了解74148的应用。

　　例1 用两片74148组成16位输入、4位二进制码输出的优先编码器，逻辑图如下图所示，试分析其工作原理。

　　解：根据74148的功能表对逻辑图进行分析，可以得出：
　　（1）当EI₂＝1时，EO₂＝Ｌ，从而使 EI₁＝1，这时74148（I）（II）均禁止编码,它们的输出端A₂A₁A₀都是111。由电路图可知，GS＝GS₁·GS₂＝1，表示此时整个电路的代码输出端 DCBA=1111是非编码输出。
　　（2）当EI₂＝０时，高位片（II）允许编码，但若I₁₅～I₈都是高电平，即均无编码请求，则EO₂＝０，从而EI₁＝０，允许低位片（I）编码。这时高位片的A₂A₁A₀＝111，使门C、B、A都打开，C、B、A取决于低位片的A₂A₁A₀，而Ｄ＝GS₂，总是等于1，所以输出代码在1111～1000之间变化。如果 I₀单独有效 ，输出为 1111；如果I₇及任意其他输入同时有效，则输出为1000，低位片以I₇的优先级别最高。
　　（3）当EI₂＝０且I₁₅～I₈中有编码请求（至少一个为低电平）时
，EO₂＝1，从而EI₁＝1，高位片编码，低位片禁止编码。显然 ，高位片的编码级别优先于低位片。此时D＝GS₂＝０，C、B、A 取决于高位片的A₂A₁A₀，输出代码在0111～0000之间变化 ，同理可知，高位片中I₁₅的优先级别最高。
　　整个电路实现了16位输入的优先编码，其中I₁₅。具有最高的优先级别，优先级别从I₁₅至I₀依次递减。

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