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OhmPedia数字逻辑布尔代数

布尔代数

Boolean Algebra Y = A·B + Ā·C

符号
Y = A·B + Ā·C
单位
operands ∈ {0, 1} · operators AND, OR, NOT, XOR
所属节
数字逻辑
发布
2026-09-05
作者

布尔代数是定义在只能取 0 与 1 的变量上的运算体系。与运算类似乘法,或运算类似加法,非运算类似取补,并有 A·Ā = 0 与 A + Ā = 1 这类普通算术中没有的恒等式。

以二值变量为对象、支撑所有数字电路的代数体系。

把各项看作相交区域,化简就是合并面积。
把各项看作相交区域,化简就是合并面积。
支配关系式 Y = A·B + Ā·C A + A·B = A AB + ĀC + BC = AB + ĀC operands ∈ {0, 1} · operators AND, OR, NOT, XOR

值得记住的恒等式

大部分化简只是把少数几条规则按对的顺序套用。吸收律与分配律承担了主要工作;冗余项定理(也称一致定理)则用来去掉引起毛刺的那一项。

名称形式作用
同一律A + 0 = A · 1 = A消去常量
幂等律A + A = A · A = A合并重复项
互补律A + Ā = 1 · A·Ā = 0整个变量被消去
吸收律A + A·B = A · A(A + B) = A去掉冗余项
分配律A(B + C) = AB + AC在两种形式间转换
一致律AB + ĀC + BC = AB + ĀC去掉易生毛刺的 BC 项

SOP、POS 以及为何两者都要有

任何函数都可以写成积之和(若干与项再取或)或和之积(若干或项再取与)。两级与非-与非网络直接实现积之和;或非-或非网络直接实现和之积。哪种更省取决于真值表中 1 多还是 0 多,因此两种形式都要留在工具箱里。

  • 标准积之和:真值表中输出为 1 的每一行对应一个与项。
  • 标准和之积:输出为 0 的每一行对应一个或项。
  • 最小项的编号是输出为 1 那一行的输入二进制值;最大项的编号对应输出为 0 的行。
  • n 变量函数最多有 2ⁿ 个最小项,其反函数恰好拥有它没有的那些最小项。

无关项与实际化简

实际设计中常有不可能出现或输出无所谓的输入组合。在真值表中把它们标为 X,化简时便可按 0 或按 1 处理,取项数更少的那种。驱动七段数码管的译码器是经典例子:输入码 10 到 15 永不出现,因此各段的化简逻辑可以充分利用它们。

代数与物理相遇的地方

布尔代数假定门是瞬时且同时翻转的。当通往同一个门的两条路径延迟不同时,代数上被判为冗余的那一项——上表中的 BC——恰恰就是抑制毛刺的那一项。这里存在真实的张力:化简后的表达式更省更小,未化简的那个在特定情形下反而无毛刺。

算例

化简 Y = ĀB̄C + ĀBC + AB̄C + ABC。前两项合并:ĀC(B̄ + B) = ĀC;后两项合并:AC(B̄ + B) = AC。于是 Y = ĀC + AC = C。八行真值表可验证:凡 C 为 1 的行输出均为 1。若设计停在四项形式,需要四个三输入与门加一个四输入或门;化简后连门都不需要。再看毛刺:若原电路真的用门实现 Y = ĀC + AC,当 C 保持高、A 发生变化时,两项可能同时短暂为 0,输出会因反相器延迟产生低电平毛刺——这正是一致定理存在的意义。

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架外延伸

Sources · 参考出处

  • Physics LibreTexts https://phys.libretexts.org/Bookshelves/University_Physics/University_Physics_(OpenStax)/University_Physics_II_-_Thermodynamics_Electricity_and_Magnetism_(OpenStax)
  • NIST https://www.nist.gov/pml/owm/si-units-electric-current