編碼器設計與應用的優化

曹穎超，王根義

（1.西安科技大學 計 算機學院，陜西 西 安 7 10054;2.陜西職業技術學院 陜 西 西 安 7 10100）

在現代智能化設備中，編碼器應用范圍越來越大，但由于社會中一般的應用型人才對編碼器知識的缺乏和和對編碼器掌握不牢靠，限制了編碼器的應用范圍。故寫此文讓基層一般的應用型人才深入掌握編碼器知識，提高編碼器的應用范圍。

1 編碼器的概念

一般來說，用文字、符號或者數字表示特定對象的過程都可以叫做編碼。日常生活中就經常遇到編碼的問題。例如，孩子出生時家長給取名字，在計算機中把一個字符用一個對應的二進制數來表示，給一個地域起一個名稱,在計算機中把一個英文字母、數字等字符用一個7位的二進制代碼即ASCII來表示，把一個十進制數用BCD來表示等等，都是編碼。由于十進制數用電路實現起來比較困難，所以在數字電路中不用它們編碼，而是用二進制數進行編碼，相應的二進制數叫做二進制代碼。編碼器就是實現編碼操作的電路。用n位二進制代碼可以對2n個信號進行編碼，把可以表示n位二進制代碼的編碼電路叫做n位二進制編碼器。

2 編碼器的設計

以一個2位的二進制編碼器的設計為例。

1)編碼真值表

一個2位編碼器，可以對22＝4個輸入變量I3、I2、I1和I0進行編碼。輸出函數為2位2進制數Y1Y0，這個編碼器的真值表如表1所示。

表1 2位編碼器編碼器真值表Tab1.The truth table of 2 bit encoder

2)輸出函數Y1的卡諾圖

根據2位的二進制編碼器的真值表，可以畫出輸出函數Y1的卡諾圖，如表2所示，其中“×”表示此處的約束行不存在。

表2 輸出函數Y1的卡諾圖Tab.2 The karnaugh map of output function Y1

3)輸出函數Y0的卡諾圖如表3所示。

根據2位的二進制編碼器的真值表，可以畫出輸出函數Y1的卡諾圖，如表3所示，其中“×”表示此處的約束行不存在。

表3 輸出函數Y0的卡諾圖Tab.3 The karnaugh map of output function Y0

3 編碼器的實現

根據輸出函數Y1的卡諾圖和輸出函數Y0的卡諾圖，分別化間得出Y1和Y0的最簡邏輯表達式如下：

根據Y1和Y0的最簡邏輯表達式，就可以用非門、與門和或門來實現這個2位的二進制編碼器，畫出如圖1所示的邏輯圖。

當然，實際用的編碼器還要解決區分I0～I3均為0、I0為1，I1～I3均為 0、I0～I3中不可能出現兩個 1 的情況與 I0～I中至少有兩個1這四種種情況。第一種情況，如果I0～I3均為0，即沒有任何輸入信號，這種情況是很容易區別的 ,只要再添加一個附加的輸出變量F，即用Y1的非、Y0的非和I0的非作為一個與門的輸出邏輯變量F的輸入變量，那么這個邏輯變量F只有在I0～I3均為0時方為1，其余任何情況均為0；第二種情況，如果I0為1，I,1～I3均為0，這種情況屬于一種正常普通情況，在這里不需要討論；第三種情況，I0～I3中不可能出現兩個1，即I0～I3這些輸入變量互相排斥，這種情況邏輯設計最簡單，只要將使邏輯函數值為1的邏輯變量進行邏輯或即可；第四種情況，如果I0～I中至少有兩個1，這種情況又可以分為兩種情況，一種情況是輸入變量出現異常錯誤情況，可以再添加一個輸出邏輯變量予以提示用戶，另一種情況是輸入變量有這種狀態，但要求編碼器按照它們的輕重緩急進行排隊編碼，這在中斷系統中是常見現象，這就要求編碼器設計者按照輸入邏輯變量的編碼優先級進行編碼設計另外一種編碼器，如我們熟悉的8259A芯片。文中如圖1所設計的編碼器就是針對I0～I中有可能出現兩個以上的1的異常錯誤情況設計的編碼器，但沒有畫出區別I0～I3均為0情況的輸出邏輯變量及提示出現異常錯誤情況的輸出邏輯變量的邏輯電路圖。

在智能化設備制造中，根據具體情況，如果要求使用的編碼器位數比較少，就可以直接用邏輯門來構成，這樣往往使用靈活，成本低廉，而且各個方面的性能容易滿足。另外一種情況，就是經常要用到的編碼器，把它設計好好后制作在一個芯片上，所得到的便是集成編碼器，使用非常方便。而且，也可以用位數較少的編碼器級聯成滿足需求的位數較多的編碼器。

圖1 4線－2線編碼器Fig.1 4-2line encoder

4 2位2進優先編碼器

1)優先編碼的概念

前面講的編碼器，輸入信號都是互相排斥的，也就是說在任何時刻,只能對一個輸入信號進行編碼,不允許有兩個和兩個以上輸入信號同時存在的情況出現,但在優先編碼器中則不同，允許幾個信號同時輸入，但是電路只對其中優先級別最高的進行編碼，不理睬級別低的信號，或者說級別低的信號不起作用，這樣的電路叫做優先編碼器。也就是說，在優先編碼器中是優先級別高的信號排斥級別低的，即具有單方面排斥的特性。至于優先級別的高低，則完全是由設計人員根據各個輸入信號輕重緩急情況決定的。例如，微機中的I/O接口芯片8259A就用到優先編碼器，各個中斷源的優先級別還可以由程序員編程規定。

下面以一個2位的二進制優先編碼器的設計為例。

2)優先編碼真值表

如果我們規定，下列輸入信號I3、I2、I1和I0的編碼優先級別是I3>I2>I1>I0，則優先編碼器的真值表如表4所示。

3)輸出函數Y1的卡諾圖

根據2位的二進制優先編碼器的真值表，可以畫出輸出函數Y1的卡諾圖，如表5所示。

化簡卡諾圖得，Y1=I3+I2

4)輸出函數Y0的卡諾圖如表6所示。

根據2位的二進制優先編碼器的真值表，可以畫出輸出函數Y0的卡諾圖如表6所示。

化簡卡諾圖得，Y0=I3+I1

5)優先編碼器的實現

根據優先編碼器的輸出函數Y1的卡諾圖和輸出函數Y0的卡諾圖，分別化間得出Y1和Y0的最簡邏輯表達式如下：

用與門很容易實現，畫出如圖2所示的邏輯圖。

表4 優先編碼器真值表Tab.4 The truth table of priority encoder

表5 輸出函數Y1的卡諾圖Tab.5.The karnaugh map of output function Y1

表6 輸出函數Y0的卡諾圖Tab.6 The karnaugh map of output function Y0

圖2 2位優先編碼器的邏輯圖Fig.2 The logical diagram of two-bit priority encoder

5 實驗

對直接用邏輯門設計制造的編碼器和優先編碼器，與用集成電路芯片設計制造的編碼器和優先編碼器進行實驗測試，發現在二進制數位相同的條件下，前者比后者成本降低30%，且速度提高1倍，但后者在應用較多，更換較多的場合卻比較方便。

6 結論

現在，社會中的智能化設備對編碼器的需求量越來越多，大部分編碼器的應用者往往因一個簡單的編碼器而不得不暫時中止手頭工作。本論文的創新點，就是提示相關工作人員在一定的條件下可以用幾個簡單的邏輯門來構成需要的編碼器，已解決實際問題。

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