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数字电路逻辑代数 | 运算 / 定律 / 公式 / 规则 / 例解

2025/3/12 17:34:08 来源:https://blog.csdn.net/u013669912/article/details/146180547  浏览:    关键词:数字电路逻辑代数 | 运算 / 定律 / 公式 / 规则 / 例解

注:本文为 “ 数字电路逻辑代数” 相关文章合辑。

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逻辑代数的逻辑运算、基本定律、常用公式、基本规则

bhlu 已于 2024-12-11 10:30:30 修改

1. 逻辑运算

常见逻辑运算规则,如与(AND)、或(OR)、非(NOT)运算的基本定义:

与运算:当且仅当两个输入都为 1 时,输出为 1;否则输出为 0,用符号 “・” 表示,例如 A ・ B A・B AB

或运算:只要有一个输入为 1,输出就为 1;只有两个输入都为 0 时,输出才为 0,用符号 “+” 表示,例如 A + B A + B A+B

非运算:将输入取反,输入为 0 时输出为 1,输入为 1 时输出为 0,用符号 “ ‾ \overline {} ” 表示,例如 A ‾ \overline {A} A

2. 基本定律

2.1 常量间的运算

  • 与运算基本定律
    0 ⋅ 0 = 0 0 \cdot 0 = 0 00=0
    0 ⋅ 1 = 0 0 \cdot 1 = 0 01=0
    1 ⋅ 0 = 0 1 \cdot 0 = 0 10=0
    1 ⋅ 1 = 1 1 \cdot 1 = 1 11=1
  • 或运算基本定律
    0 + 0 = 0 0 + 0 = 0 0+0=0
    0 + 1 = 1 0 + 1 = 1 0+1=1
    1 + 0 = 1 1 + 0 = 1 1+0=1
    1 + 1 = 1 1 + 1 = 1 1+1=1
  • 非运算基本定律
    0 ‾ = 1 \overline{0} = 1 0=1
    1 ‾ = 0 \overline{1} = 0 1=0
  • 变量和常量运算定律
    0 + A = A 0 + A = A 0+A=A
    1 + A = 1 1 + A = 1 1+A=1
    0 ⋅ A = 0 0 \cdot A = 0 0A=0
    1 ⋅ A = A 1 \cdot A = A 1A=A
    A + A = A A + A = A A+A=A
    A ⋅ A = A A \cdot A = A AA=A
    A + A ‾ = 1 A+\overline{A}= 1 A+A=1
    A ⋅ A ‾ = 0 A \cdot \overline{A}= 0 AA=0
    A ‾ ‾ = A \overline{\overline{A}} = A A=A

2.2 逻辑变量和常量的运算

  • 0 - 1 律
    0 + A = A 0 + A = A 0+A=A
    1 + A = 1 1 + A = 1 1+A=1
    0 ⋅ A = 0 0 \cdot A = 0 0A=0
    1 ⋅ A = A 1 \cdot A = A 1A=A
  • 同一律
    A + A = A A + A = A A+A=A
    A ⋅ A = A A \cdot A = A AA=A
  • 还原律 A ‾ ‾ = A \overline{\overline{A}} = A A=A

2.3 与普通代数相似的定律

  • 交换律
    A + B = B + A A + B = B + A A+B=B+A
    A ⋅ B = B ⋅ A A \cdot B = B \cdot A AB=BA
  • 结合律
    ( A + B ) + C = A + ( B + C ) (A + B)+C = A+(B + C) (A+B)+C=A+(B+C)
    ( A ⋅ B ) ⋅ C = A ⋅ ( B ⋅ C ) (A \cdot B) \cdot C = A \cdot (B \cdot C) (AB)C=A(BC)
  • 分配律
    A ( B + C ) = A B + A C A(B + C)=AB + AC A(B+C)=AB+AC
    A + B C = ( A + B ) ( A + C ) A + BC=(A + B)(A + C) A+BC=(A+B)(A+C),证明过程如下:
    ( A + B ) ( A + C ) = A A + A C + B A + B C = A + A C + B A + B C = A ( 1 + C + B ) + B C = A + B C \begin{align*} (A + B)(A + C)&=AA+AC+BA+BC\\ &=A+AC+BA+BC\\ &=A(1 + C + B)+BC\\ &=A+BC \end{align*} (A+B)(A+C)=AA+AC+BA+BC=A+AC+BA+BC=A(1+C+B)+BC=A+BC

2.4 摩尔定理(反演律)

A ⋅ B ‾ = A ‾ + B ‾ \overline{A \cdot B}=\overline{A}+\overline{B} AB=A+B
A ⋅ B ⋅ C ⋯ ‾ = A ‾ + B ‾ + C ‾ ⋯ \overline{A \cdot B \cdot C\cdots}=\overline{A}+\overline{B}+\overline{C}\cdots ABC=A+B+C

2.5 吸收律

A B + A B ‾ = A ( B + B ‾ ) = A AB+A\overline{B}=A(B+\overline{B}) = A AB+AB=A(B+B)=A
A + A B = A ( 1 + B ) = A A + AB=A(1 + B)=A A+AB=A(1+B)=A
A + A ‾ B = ( A + A ‾ ) ( A + B ) = A + B A+\overline{A}B=(A+\overline{A})(A + B)=A + B A+AB=(A+A)(A+B)=A+B
推广公式: A ‾ + A B = A ‾ + B \overline{A}+AB=\overline{A}+B A+AB=A+B

2.6 冗余律

A B + A ‾ C + B C = A B + A ‾ C AB+\overline{A}C+BC = AB+\overline{A}C AB+AC+BC=AB+AC,推导过程如下:

A B + A ‾ C + B C = A B + A ‾ C + B C ( A + A ‾ ) = A B + A ‾ C + A B C + A ‾ B C = A B ( 1 + C + C ‾ ) + A ‾ C = A B + A ‾ C \begin{align*} AB+\overline{A}C+BC&=AB+\overline{A}C+BC(A+\overline{A})\\ &=AB+\overline{A}C+ABC+\overline{A}BC\\ &=AB(1 + C+\overline{C})+\overline{A}C\\ &=AB+\overline{A}C \end{align*} AB+AC+BC=AB+AC+BC(A+A)=AB+AC+ABC+ABC=AB(1+C+C)+AC=AB+AC
推广公式: A B + A ‾ C + B C D ⋯ = A B + A ‾ C AB+\overline{A}C+BCD\cdots = AB+\overline{A}C AB+AC+BCD=AB+AC

3. 常用公式

A B ‾ + A ‾ B ‾ = A ‾ ⋅ B ‾ + A B \overline{A\overline{B}+\overline{A}B}=\overline{A} \cdot \overline{B}+AB AB+AB=AB+AB,推导过程如下:
A B ‾ + A ‾ B ‾ = A B ‾ ‾ ⋅ A ‾ B ‾ = ( A ‾ + B ) ( A + B ‾ ) = A ‾ A + A ‾ ⋅ B ‾ + B A + B B ‾ = A ‾ ⋅ B ‾ + B A \begin{align*} \overline{A\overline{B}+\overline{A}B}&=\overline{A\overline{B}} \cdot \overline{\overline{A}B}\\ &=(\overline{A}+B)(A+\overline{B})\\ &=\overline{A}A+\overline{A} \cdot \overline{B}+BA+B\overline{B}\\ &=\overline{A} \cdot \overline{B}+BA \end{align*} AB+AB=ABAB=(A+B)(A+B)=AA+AB+BA+BB=AB+BA
实质: A B ‾ + A ‾ B ‾ = A ⊕ B ‾ = A ⊙ B = A ‾ ⋅ B ‾ + A B \overline{A\overline{B}+\overline{A}B}=\overline{A \oplus B}=A \odot B=\overline{A} \cdot \overline{B}+AB AB+AB=AB=AB=AB+AB

推广公式:如果前面有原变量 A A A,后面有变量 A ‾ \overline{A} A,那就可以将剩余的变量取反,例如 A B + A ‾ C ‾ = A B ‾ + A ‾ ⋅ C ‾ \overline{AB+\overline{A}C}=A\overline{B}+\overline{A} \cdot \overline{C} AB+AC=AB+AC

  • 异或运算的一些公式
    交换律: A ⊕ B = B ⊕ A A \oplus B = B \oplus A AB=BA
    结合律: ( A ⊕ B ) ⊕ C = A ⊕ ( B ⊕ C ) (A \oplus B)\oplus C = A\oplus(B\oplus C) (AB)C=A(BC)
    分配律: A ⋅ ( B ⊕ C ) = A B ⊕ A C A \cdot (B \oplus C)=AB \oplus AC A(BC)=ABAC
    变量和常量的异或运算:
    A ⊕ 1 = A ‾ A \oplus 1=\overline{A} A1=A
    A ⊕ 0 = A A \oplus 0 = A A0=A
    A ⊕ A = 0 A \oplus A = 0 AA=0
    因果互换律:若 A ⊕ B = C A \oplus B = C AB=C,则 { A ⊕ C = B B ⊕ C = A \begin{cases}A \oplus C = B\\B \oplus C = A\end{cases} {AC=BBC=A

4. 基本规则

4.1 代入规则

例如 A + A ‾ B = A + B A+\overline{A}B = A + B A+AB=A+B

A A A 均用 A ‾ \overline{A} A 代替得到 A ‾ + A B \overline{A}+AB A+AB,再用吸收律得到 A ‾ + B \overline{A}+B A+B
B B B 均用 C C C 代替得到 A + A ‾ C A+\overline{A}C A+AC,再用吸收律得到 A + C A + C A+C

又如 A + B ‾ = A ‾ ⋅ B ‾ \overline{A + B}=\overline{A} \cdot \overline{B} A+B=AB
B B B 均用 B + C B + C B+C 代替得到 A + ( B + C ) ‾ = A ‾ ⋅ B + C ‾ \overline{A+(B + C)}=\overline{A} \cdot \overline{B + C} A+(B+C)=AB+C,再使用摩尔定理得到 A + ( B + C ) ‾ = A ‾ ⋅ B ‾ ⋅ C ‾ \overline{A+(B + C)}=\overline{A} \cdot \overline{B} \cdot \overline{C} A+(B+C)=ABC

4.2 反演规则

对任意一个逻辑函数式 Y Y Y,将式中所有“·”换成“+”,“+”换成“·”,“0”换成“1”,“1”换成“0”,原变量换成反变量,反变量换成原变量,则得到原逻辑函数的反函数 Y ‾ \overline{Y} Y

  • 变换时需注意:

    • 不能改变原来的运算顺序;

    • 原变量换成反变量,反变量换成原变量,只针对单个变量有效,而对长非号保持不变。

    示例:

    Y = A ⋅ B + C ‾ + C D Y = A \cdot \overline{B + C}+CD Y=AB+C+CD,则 Y ‾ = ( A ‾ + B ‾ ⋅ C ‾ ‾ ) ⋅ ( C ‾ + D ‾ ) \overline{Y}=(\overline{A}+\overline{\overline{B} \cdot \overline{C}}) \cdot (\overline{C}+\overline{D}) Y=(A+BC)(C+D)

    Y = A B ‾ + C ‾ + D + E Y=\overline{\overline{AB}+C}+D+E Y=AB+C+D+E,则 Y ‾ = ( A ‾ + B ) ⋅ C ‾ ⋅ D ‾ ‾ ⋅ E ‾ \overline{Y}=\overline{(\overline{A}+B) \cdot \overline{C} \cdot \overline{D}} \cdot \overline{E} Y=(A+B)CDE

4.3 对偶规则

对任意一个逻辑函数式 Y Y Y,将式中所有“·”换成“+”,“+”换成“·”,“0”换成“1”,“1”换成“0”,则得到原逻辑函数的对偶函数 Y ′ Y' Y

  • 交换时需注意:

    • 不能改变原来的运算顺序;

    • 变量上的非号均不变。

    示例:

    0 ⋅ 0 = 0 0 \cdot 0 = 0 00=0 对偶式为 1 + 1 = 1 1 + 1 = 1 1+1=1

    A + A ‾ = 1 A+\overline{A}=1 A+A=1 对偶式为 A ⋅ A ‾ = 0 A \cdot \overline{A}=0 AA=0

    A ( B + C ) = A B + A C A(B + C)=AB + AC A(B+C)=AB+AC 对偶式为 A + B C = ( A + B ) ( A + C ) A + BC=(A + B)(A + C) A+BC=(A+B)(A+C)

    Y = A B ‾ + C ‾ + D + E Y=\overline{\overline{AB}+C}+D+E Y=AB+C+D+E,则 Y ′ = ( A + B ‾ ) ⋅ C ‾ ⋅ D ‾ ⋅ E Y'=\overline{\overline{(A+\overline{B}) \cdot C} \cdot D} \cdot E Y=(A+B)CDE


逻辑代数的规律规则(公式集)

楼店八先生已于 2023-12-23 14:51:21 修改

逻辑代数是进行逻辑运算的数学方法和工具,跟普通代数一样遵循一定的运算规则。

掌握逻辑代数的规律规则是进行逻辑电路的化简、变换、分析和设计的基础。

1. 基本运算律

⑴ 常量与变量的关系

① 0-1 律:

A ⋅ 0 = 0 ; A + 0 = A A\cdot 0 = 0 ; \quad \textcolor{#FF0000}{A + 0 = A} A0=0;A+0=A

A ⋅ 1 = A ; A + 1 = 1 A\cdot 1 = A ; \quad A + 1 = 1 A1=A;A+1=1

② 重叠律:

A + A = A ; A ⋅ A = A A + A = A ; \quad A\cdot A = A A+A=A;AA=A

③ 互补律:

A + A ˉ = 1 ; A ⋅ A ˉ = 0 \textcolor{#FF0000}{A + \bar{A} = 1} ; \quad A\cdot \bar{A} = 0 A+Aˉ=1;AAˉ=0

④ 还原律:

A ‾ ‾ = A \overline{\overline{A}} = A A=A

⑵ 交换律和结合律

① 交换律:

A + B = B + A A + B = B + A A+B=B+A

A ⋅ B = B ⋅ A A \cdot B = B \cdot A AB=BA

② 结合律

( A + B ) + C = A + ( B + C ) (A + B) + C = A + (B + C) (A+B)+C=A+(B+C)

( A ⋅ B ) ⋅ C = A ⋅ ( B ⋅ C ) (A \cdot B) \cdot C = A \cdot (B \cdot C) (AB)C=A(BC)

⑶ 分配律

A ( B + C ) = A B + A C A (B + C) = AB + AC A(B+C)=AB+AC

A + B C = ( A + B ) ( A + C ) \textcolor{#FF0000}{A + BC = (A + B)(A + C)} A+BC=(A+B)(A+C)

2. 其他常用公式

⑴ 吸收律

A + A ‾ B = A + B \textcolor{#FF0000}{A + \overline{A} B = A + B} A+AB=A+B

⑵ 摩根定律(反演律)

摩根定律(也称摩根定理)由英国数学家德・摩根(1806~1871)提出(布尔是摩根的坚定支持者),涉及两个逻辑等式:

( A + B ) ‾ = A ‾ ⋅ B ‾ \textcolor{#FF0000}{\overline{(A + B)} = \overline{A}\cdot \overline{B}} (A+B)=AB

A B ‾ = A ‾ + B ‾ \textcolor{#FF0000}{\overline{AB} = \overline{A} + \overline{B}} AB=A+B

多变量扩展:

A + B + C + ⋯ ‾ = A ‾ ⋅ B ‾ ⋅ C ‾ ⋯ \overline{A + B + C + \cdots} = \overline{A}\cdot \overline{B}\cdot \overline{C} \cdots A+B+C+=ABC

A B C ⋯ ‾ = A ‾ + B ‾ + C ‾ + ⋯ \overline{ABC \cdots} = \overline{A} + \overline{B} + \overline{C} + \cdots ABC=A+B+C+

以上两式可通过定律的二变量形式自证,例如:

A + B + C ‾ = ( A + B ) + C ‾ = A + B ‾ ⋅ C ‾ = A ‾ ⋅ B ‾ ⋅ C ‾ \overline{A + B + C} = \overline{(A + B) + C} = \overline{A + B}\cdot \overline{C} = \overline{A}\cdot \overline{B}\cdot \overline{C} A+B+C=(A+B)+C=A+BC=ABC

⑶ 常用恒等式

A B + A ‾ C + B C = A B + A ‾ C \textcolor{#FF0000}{AB + \overline{A} C + BC = AB + \overline{A} C} AB+AC+BC=AB+AC

可扩展为:

A B + A ‾ C + B C D ⋯ = A B + A ‾ C AB + \overline{A} C + BCD \cdots = AB + \overline{A} C AB+AC+BCD=AB+AC

3. 三个定理(规则)

⑴ 代入定理

在任何一个包含变量 A A A 的逻辑等式中,若以另外一个逻辑式代入式中所有 A A A 的位置,则等式仍然成立。

代入定理可用于逻辑等式证明,例如:

对等式 A B ‾ = A ‾ + B ‾ \overline{AB} = \overline{A} + \overline{B} AB=A+B,以 B C BC BC 代替 B B B,可得

A ⋅ B C ‾ = A ‾ + B C ‾ = A ‾ + B ‾ + C ‾ \overline{A\cdot \textcolor{#FF0000}{BC}} = \overline{A} + \overline{\textcolor{#FF0000}{BC}} = \overline{A} + \overline{\textcolor{#FF0000}{B}} + \overline{\textcolor{#FF0000}{C}} ABC=A+BC=A+B+C

代入定理更大的意义在于电路设计,它体现了数字电路设计的基本特点和根本优势,一个数字电路(系统)的输出信号品质不会因为电路的复杂而变差。

⑵ 反演定理

对于任一逻辑式 Y Y Y,若将其中所有的 “与”、“或”,“0”、“1”,原、反变量互换,那么得到的结果即为 Y ‾ \overline{Y} Y

反演定理用于对逻辑式求反,是求解逻辑函数的反函数的重要方法。例如:已知

Y = A B ˉ + C + D ˉ ‾ Y = A\bar{B} + \overline{C + \bar{D}} Y=ABˉ+C+Dˉ

则由反演定理和摩根定律

Y ‾ = ( A ˉ + B ) C ˉ D ‾ = ( A ˉ + B ) ( C + D ˉ ) \overline{Y} = (\bar{A} + B) \textcolor{#FF0000}{\overline{\bar{C} D}} = (\bar{A} + B)(C + \bar{D}) Y=(Aˉ+B)CˉD=(Aˉ+B)(C+Dˉ)

注意:使用反演定理时,多变量上的反号(即所谓长非号)不变,原表达式的运算优先级不变。

⑶ 对偶定理

逻辑式的 对偶式 定义为:对任一逻辑式 Y Y Y,将其中的 “与”、“或”,“0”、“1” 互换,即得到 Y Y Y 的对偶式 Y D Y^D YD。例如:

Y = A B + C ‾ + C D Y = A\overline{B + C} + CD Y=AB+C+CD

Y D = ( A + B C ‾ ) ( C + D ) Y^D = (A + \overline{BC})(C + D) YD=(A+BC)(C+D)

对偶定理:若两逻辑式相等,则它们的对偶式也相等。

对偶定理主要用于逻辑等式证明。例如:已知分配律第一个公式

A ( B + C ) = A B + A C A (B + C) = AB + AC A(B+C)=AB+AC

则将等式左右两边变换为对偶式,得分配律第二个公式

A + B C = ( A + B ) ( A + C ) A + BC = (A + B)(A + C) A+BC=(A+B)(A+C)

4. 逻辑函数不同形式之间的转换

逻辑函数的表达式有与或式、或与式、与或非式、与非与非式、或非或非式等五种形式,其实际意义在于:电路设计时可根据实际条件或要求选择不同类型集成逻辑门电路。

我们可以将上述五种表达式分为两类,同一类内的逻辑式都可以通过摩根定律快速转换,第一类包括与或式、与非与非式;第二类包括或与式、或非或非式和与或非式。

① 与或式、与非与非式,形如:

A B + C D = A B ‾ ⋅ C D ‾ ‾ AB + CD = \overline{\overline{AB}\cdot \overline{CD}} AB+CD=ABCD

② 或与式、或非或非式、与或非式,形如:

( A + B ) ( C + D ) = A + B ‾ + C + D ‾ ‾ = A ˉ ⋅ B ˉ + C ˉ ⋅ D ˉ ‾ (A + B)(C + D) = \overline{\overline{A + B} + \overline{C + D}} = \overline{\bar{A}\cdot \bar{B} + \bar{C}\cdot \bar{D}} (A+B)(C+D)=A+B+C+D=AˉBˉ+CˉDˉ

那么,两类之间如何转换呢?

我们将与或式和或与式作为两类的代表,来分析二者之间的转换。显然,从或与式到与或式,只需要直接按普通分配律展开即可。从与或式到或与式,从逻辑代数的角度,至少可以有两种方法(还可以通过真值表、卡诺图等方法转换):

方法一:(对不太复杂的逻辑函数)直接利用分配律第二个公式,即

Y = A + B C = ( A + B ) ( A + C ) Y = A + BC = (A + B)(A + C) Y=A+BC=(A+B)(A+C)

方法二:先求与或表达式的反函数(表示成与或式),然后再求反,继续以上式为例:

Y ‾ = A + B C ‾ = A ˉ ⋅ B ˉ + A ˉ ⋅ C ˉ \overline{Y} = \overline{A + BC} = \textcolor{blue}{\bar{A}\cdot \bar{B} + \bar{A}\cdot \bar{C}} Y=A+BC=AˉBˉ+AˉCˉ

∴ Y = A ˉ ⋅ B ˉ + A ˉ ⋅ C ˉ ‾ = ( A + B ) ( A + C ) \therefore Y = \overline{\bar{A}\cdot \bar{B} + \bar{A}\cdot \bar{C}} = (A + B)(A + C) Y=AˉBˉ+AˉCˉ=(A+B)(A+C)

基础题★★

题 1 将 Y = A C + B C ‾ Y = AC + B\overline{C} Y=AC+BC 用与或非式表示。

解析:

Y ‾ = A C + B C ‾ ‾ = ( A ‾ + C ‾ ) ( B ‾ + C ) = A ‾ ⋅ B ‾ + A ‾ C + B ‾ ⋅ C ‾ = A ‾ C + B ‾ ⋅ C ‾ \overline{Y} = \overline{AC + B\overline{C}} = \left(\overline{A} + \overline{C}\right)\left(\overline{B} + C\right) = \overline{A}\cdot \overline{B} + \overline{A} C + \overline{B}\cdot \overline{C} = \overline{A} C + \overline{B}\cdot \overline{C} Y=AC+BC=(A+C)(B+C)=AB+AC+BC=AC+BC

∴ Y = A ‾ C + B ‾ ⋅ C ‾ ‾ \therefore Y = \overline{\overline{A} C + \overline{B}\cdot \overline{C}} Y=AC+BC

题 2 已知函数 F = A B ‾ + B ‾ C + C ‾ ( A ‾ + D ) F = A\overline{B} + \overline{B} C + \overline{C}(\overline{A} + D) F=AB+BC+C(A+D),求反函数。

解析:运用反演定理和分配律

F ‾ = ( A ‾ + B ) ( B + C ‾ ) ( C + A D ‾ ) = ( B + A ‾ ⋅ C ‾ ) ( C + A D ‾ ) = B C + A B D ‾ \overline{F} = (\overline{A} + B)(B + \overline{C})(C + A\overline{D}) = (B + \overline{A}\cdot \overline{C})(C + A\overline{D}) = BC + AB\overline{D} F=(A+B)(B+C)(C+AD)=(B+AC)(C+AD)=BC+ABD


数字电路基础知识 —— 数字逻辑代数(逻辑代数基本定理及常用公式,最大项、 最小项,公式法、 卡洛图法及 Q - M 法化简逻辑函数)

摆渡沧桑 于 2019 - 09 - 05 16:51:15 发布

数字电路基础知识 —— 数字逻辑代数(逻辑代数公式、 卡洛图的运用、 Q - M 法化简(列表法))

本节主要介绍逻辑代数的公式及逻辑函数的化简,包括公式法化简、 卡洛图化简、 Q - M 列表法化简。重点需要掌握前两种方法,第三种可以了解,能够帮助深入理解 逻辑相邻项

一、逻辑代数的三个基本运算

逻辑代数中最基本的三个运算 : 与、 或、 非 。

基本的函数关系如下 :

基本运算

二、逻辑代数的基本定律

1. 基本公式

基本公式

基本公式

比较重要的是后面三个定律

  1. 反演律(德摩根律)

    使用此定律可以将 乘积项和项 打开。
    具体规则是 × 变 ++ 变 ×原变量变反变量,反变量变原变量

  2. 吸收律

    重点掌握以下公式 :

    A + A ′ B = A + B A + A'B = A + B A+AB=A+B
    A + A B = A A + AB = A A+AB=A
    A ( A + B ) = A A(A + B) = A A(A+B)=A

    推导过程 :

    A + A ′ B = A + A B + A ′ B = A + B ( A + A ′ ) = A + B A + A'B = A + AB + A'B = A + B(A + A') = A + B A+AB=A+AB+AB=A+B(A+A)=A+B

  3. 冗余律

    A B + A ′ C + B C = A B + A ′ C AB + A'C + BC = AB + A'C AB+AC+BC=AB+AC

    推导过程 :

    A B + A ′ C + B C = A B + A ′ C + ( A + A ′ ) B C = A B + A ′ C + A B C + A ′ B C = A B ( 1 + C ) + A ′ C ( 1 + B ) = A B + A ′ C AB + A'C + BC = AB + A'C + (A + A')BC = AB + A'C + ABC + A'BC = AB(1 + C)+A'C(1 + B)= AB + A'C AB+AC+BC=AB+AC+(A+A)BC=AB+AC+ABC+ABC=AB(1+C)+AC(1+B)=AB+AC

2. 基本定理

  1. 代入定理
    任何一个逻辑式代入原来式中所有相同的变量位置,等式仍然成立。

  2. 反演定理

  3. 对偶定理

    若两逻辑等式相等,则它们的对偶式也相等

    在某些情况下,证明某式成立时,可以通过对偶定理证明其对偶式成立来简化证明。例如 :

    Y = A ( B + C ) Y = A(B + C) Y=A(B+C),则 Y D = A + B C Y_D = A + BC YD=A+BC

    Y = ( A B + C D ) ′ Y = (AB + CD)' Y=(AB+CD),则 Y D = ( ( A + B ) ( C + D ) ) ′ Y_D = ((A + B)(C + D))' YD=((A+B)(C+D))

    Y = A B + ( C + D ) ′ Y = AB + (C + D)' Y=AB+(C+D),则 Y D = ( A + B ) ( C D ) ′ Y_D = (A + B)(CD)' YD=(A+B)(CD)

对偶定理

三、逻辑函数的两种标准式

1. 最小项

n n n 个变量的 最小项 是含 n n n 个变量的 与项,其中每个变量都是以原变量或反变量的形式出现一次。通常用 m i m_i mi 表示各项。

最小项

最小项

例如,对于下面的逻辑表达式 :

逻辑表达式

2. 最大项

n n n 个变量的 最大项 是含 n n n 个变量的 或项,其中每个变量都是以原变量或反变量的形式出现一次。通常用 M i M_i Mi 表示各项。

3. 最大项和最小项的性质

  • n n n 变量的全部最小项之和恒为 1 1 1,全部最大项之积恒为 0 0 0

  • 任意两个最小项之积恒为 0 0 0,任意两个最大项之和恒为 1 1 1

  • n n n 变量的每一个最小项或最大项有 n n n 个相邻项(相邻项是指两个最小项只有一个因子互为反变量,其余因子均相同,又称 逻辑相邻项)。

四、逻辑函数的卡洛图化简

公式法化简逻辑函数其实就是用上面的公式来化简。主要介绍一下卡洛图化简。

1. 相邻项

首先需要了解 相邻项 的概念,即两个最小项只有一个因子互为反变量,其余因子均相同,又称 逻辑相邻项

2. 卡洛图

把任意两个逻辑上相邻的最小项变为几何中的相邻,做到逻辑相邻和几何相邻。
2 变量卡洛图 : 由代表四个最小项的四个方格组成 :

2变量卡洛图

三变量卡洛图由 8 8 8 个最小项组成, 需要注意的是最小项编码和格雷码的编码类似,即相邻位置或者首尾是逻辑相邻

3变量卡洛图

四变量如下(一般卡洛图的化简至多四 - 五个变量) :

4变量卡洛图

3. 逻辑函数在卡洛图的表示

在这里插入图片描述

例如 :

在这里插入图片描述

4. 卡洛图最小项合并规则

  • 任何两个为一的相邻最小项可以合并为一项,并消去一个变量(消去的是互为反变量的因子,保留公因子) :

合并规则

  • 任何四个为一的相邻最小项(可以是循环相邻)可以合并为一项,并消去两个变量 :

合并规则
在这里插入图片描述

5. 图形法化简的基本步骤

  1. 将函数化为最小项之和的形式,然后做函数的卡洛图,确定卡洛图方格矩阵。

  2. 画卡洛圈(要遵循卡洛圈最少、 最大的原则)。

  3. 写逻辑表达式(相同变量留下,不同变量去掉)。

五、Q - M 法化简逻辑函数(奎恩 - 麦克拉斯基),也叫列表化简法

卡洛图法化简虽然比较直观、简单,但当逻辑变量大于五个之后,会变得很困难。而公式法化简虽然不受变量数量的影响,但化简过程并没有固定、通用的步骤,也很难借助计算机辅助进行化简。因此,本节介绍 Q - M 法化简,本质上也是通过相邻最小项消去多余因子,来求逻辑函数的最简形式。

Q - M法

例如,对于以下函数表达式 :

  1. Y = ∑ m ( 0 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 10 , 11 ) Y = \sum m(0, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 10, 11) Y=m(0,3,4,5,6,7,8,10,11)

  2. 将其按照一个个数一次排列分组 :
    在这里插入图片描述

  3. 合并相邻的最小项

将上表中每一组的每一个最小项与相邻组所有的最小项逐一比较,若仅有一个因子不同,则可以合并,并消去不同的因子。例如, m 0 m_0 m0 m 4 m_4 m4 仅有一位不一样,所以这一位可以合并为 0 - 00,同时将上表中可以合并的用“对号”表示,不能合并的用 P i P_i Pi 表示。

按照同样的方法,可以再次合并下面左边的一列,可以合并的用“对号”表示,不能合并的用 P i P_i Pi 表示。

合并

经过以上合并,留下了没有合并过的最小项 P i P_i Pi,因此可以表示为 :
Y = P 1 + P 2 + P 3 + P 4 + P 5 + P 6 + P 7 Y = P_1 + P_2 + P_3 + P_4 + P_5 + P_6 + P_7 Y=P1+P2+P3+P4+P5+P6+P7

需要注意的是,上面的表达式并不一定是最简结果。将所有 P i P_i Pi 列成如下表格 :

表格

上表格中的 m 5 m_5 m5 m 6 m_6 m6 m 8 m_8 m8 都是只在 P i P_i Pi 中只出现了一次,所以最小项一定包含 P 1 P_1 P1 P 4 P_4 P4。选取这两项之后,已经包含了 m 4 m_4 m4 m 5 m_5 m5 m 6 m_6 m6 m 7 m_7 m7 m 8 m_8 m8 m 10 m_{10} m10 这六个,除去之后剩下的 m 0 m_0 m0 m 3 m_3 m3 m 11 m_{11} m11 如下表所示 :

m i m_i mi 0 0 0 3 3 3 11 11 11
P 2 P_2 P2×
P 3 P_3 P3×
P 5 P_5 P5×
P 6 P_6 P6××
P 7 P_7 P7×

现在化简上面的结果。因为 P 2 P_2 P2 P 3 P_3 P3 都有 m 0 m_0 m0,因此可以取任意一项作为最简项。对于 P 5 P_5 P5 P 6 P_6 P6 P 7 P_7 P7,由于 P 5 P_5 P5 P 7 P_7 P7 行的所有项均包含在 P 6 P_6 P6 中,因此 P 6 P_6 P6 包含了 P 5 P_5 P5 P 7 P_7 P7 的所有最小项,故将 P 5 P_5 P5 P 7 P_7 P7 删掉。因此最终的结果是 :

Y = P 1 + P 4 + P 3 + P 6 Y = P_1 + P_4 + P_3 + P_6 Y=P1+P4+P3+P6


数电笔记(逻辑代数)

无一 _zhihu 编辑于 2022-05-19 10:29

注:本文部分图片重截,图中公式已文本化

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一些常用公式和定律

基本定律:0,1 律;互补律;重叠律;交换律;结合律;分配律;反演律(摩根定律);吸收律;其他常用恒等式。

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2A 不用管

分配律的验证

在这里插入图片描述
证明 A + B C = ( A + B ) ( A + C ) A + BC=(A + B)(A + C) A+BC=(A+B)(A+C)

证明:
( A + B ) ( A + C ) = A ⋅ A + A ⋅ B + A ⋅ C + B ⋅ C = A ⋅ ( 1 + B + C ) + B ⋅ C = A + B C \begin{align*} (A + B)(A + C)&=A\cdot A+A\cdot B+A\cdot C+B\cdot C\\ &=A\cdot(1 + B + C)+B\cdot C\\ &=A + BC \end{align*} (A+B)(A+C)=AA+AB+AC+BC=A(1+B+C)+BC=A+BC

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吸收律验证

在这里插入图片描述

证明 A + A ‾ ⋅ B = A + B A+\overline{A}\cdot B=A + B A+AB=A+B

证明:

已知 A + A ⋅ B = A A + A ⋅ B + A ‾ ⋅ B = A + B ( A + A ‾ ) = A + B \begin{align*} 已知 A+A\cdot B &= A\\ A+A\cdot B+\overline{A}\cdot B&=A + B(A+\overline{A})\\ &=A + B \end{align*} 已知A+ABA+AB+AB=A=A+B(A+A)=A+B
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恒等式验证

在这里插入图片描述

证明 A B + A ‾ C + B C = A B + A ‾ C AB+\overline{A}C + BC=AB+\overline{A}C AB+AC+BC=AB+AC

证明:
A B + A ‾ C + B C ⋅ 1 = A B + A ‾ C + B C ( A + A ‾ ) = A B + A ‾ C + A B C + A ‾ B C = A B ( 1 + C ) + A ‾ C ( 1 + B ) = A B + A ‾ C \begin{align*} AB+\overline{A}C+BC\cdot1&=AB+\overline{A}C+BC(A + \overline{A})\\ &=AB+\overline{A}C+ABC+\overline{A}BC\\ &=AB(1 + C)+\overline{A}C(1 + B)\\ &=AB+\overline{A}C \end{align*} AB+AC+BC1=AB+AC+BC(A+A)=AB+AC+ABC+ABC=AB(1+C)+AC(1+B)=AB+AC

第二个恒等式与该方法相同

逻辑代数的基本规则

代入规则:在任何一个逻辑等式中,如果用一个函数代替等式两边出现的某变量 A,则等式依然成立。

反演规则:求 非函数 时:与或互换,原变量换为非变量,并将 1 与 0 互换,所得的就是非函数。(保持原来的运算顺序,先与后或,可以用括号;非变量以外的非不变)

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对偶规则:求 对偶式 时,与或互换,0,1 互换(保持顺序与反演一样)。

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逻辑函数表达形式

  • 与或:若干与项进行或逻辑

    L = A ⋅ C + C ‾ ⋅ D L=A\cdot C+\overline{C}\cdot D L=AC+CD

  • 或与:若干或项进行与逻辑

    L = ( A + C ) ⋅ ( B + C ‾ ) ⋅ D L=\left( A+C \right)\cdot \left( B+\overline{C} \right)\cdot D L=(A+C)(B+C)D

最小项:一个乘积项包含了全部的变量(每个变量及其非都只出现一次)。最小项中 0 为非,1 为原。

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性质:每一组最小项,都只有一组取值为 1,其余全为 0(全部最小项积为 0,和为 1)。

最小项表达式(标准与或表达式):最小项进行或逻辑运算

最大项:一个或项包含了全部的变量(每个变量及其非都只出现一次),最大项中 0 为原,1 为非。

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性质:任意一个最大项,只有一组取值为 0。所有最大项和为 1,积为 0。

最大项表达式(标准或与表达式):最大项的乘积。下标相同的最大项和最小项互补。

逻辑函数的形式:与或,与非 - 与非,或与,或非 - 或非,与或非

逻辑函数的化简(化简的原因:实现函数只需要一种规格的逻辑门,给电路设计带来方便):在若干逻辑关系相同的与或表达式中,将其中包含的与项数最少,且每个与项中变量数最少的表达式称为是最简与或表达式。

逻辑函数的代数化简方法:

  • 并项法
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  • 吸收法
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  • 消去法
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  • 德摩根定律化简(A 非或 B 非)

  • 配项法
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逻辑函数形式的变换:通常化简为与或表达式再转换形式。

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卡诺图化简法

  • 卡诺图定义:此函数的最小项表达式中的各最小项相应的填入一个特定的方格内,此方格为卡诺图(一般用于 3,4 个变量的逻辑函数化简,原因是卡诺图的个数为 2 的 n 次方,太多不方便)(最简式为与或形式的为最小项,为或与形式的为最大项)。

  • 卡诺图的特点:几何位置相邻的最小项在逻辑上也是相邻的(只有一位变量不同,类似格雷码,画图的时候可以根据格雷码最小位镜像对称的特点标号),具有上下左右封闭性(即最左边和最右边,最上边和最下边,四个角都是相邻的)。

  • 卡诺图画法:当逻辑函数为最小项表达式时,在卡诺图对应最小项的方格中填入 1,其余方格用 0 或者空格表达。
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  • 化简依据:代数化简验证(化简时,不变的变量留下,变化的变量去除)。

  • 化简方法(一次只能圈 2 的次方个,可以两次圈同一个,但必须要有新的):

    1. 写出最小项表达式。
    2. 画出卡诺图。
    3. 将无相邻的项单独圈出来。
    4. 将只有一种圈法的圈起来。
    5. 将剩余的圈出来(尽可能的圈大,圈出来的数多)。
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无关项:取值无法取到的项为无关项,例如用 8421BCD 码表示 0—9,则剩下的就为无关项。

化简:无关项可以取 0 或者 1,视情况定,原则上是怎样化简简单怎么取。


via:

  • 逻辑运算律公式大全 - CSDN 博客
    https://blog.csdn.net/m0_57104353/article/details/124774678

  • 逻辑代数的逻辑运算、基本定律、常用公式、基本规则_逻辑运算律公式大全 - CSDN 博客
    https://blog.csdn.net/lubuhan/article/details/144393066

  • 逻辑代数的规律规则(公式集)-CSDN博客
    https://blog.csdn.net/hiworld2014/article/details/135165045

  • 数字电路基础知识 —— 数字逻辑代数 (逻辑代数基本定理及常用公式,最大项、最小项,公式法、卡洛图法及 Q-M 法化简(列表法)化简逻辑函数)_数电逻辑运算公式 - CSDN 博客
    https://blog.csdn.net/vivid117/article/details/100547649

  • 数电笔记(逻辑代数) - 知乎
    https://zhuanlan.zhihu.com/p/473625059

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