数字电路实验讲义(2015_8实验+2选做实验)

《数字电子技术基础》实验指导手册首都师范大学信息工程学院2015年8月2目录第一章数字电路实验基本知识第二章基本实验实验一基本逻辑门特性实验二逻辑门电路的功能实验三基本触发器实验四译码器和多路数据选择器实验五全加器设计与实现实验六简单时序电路实验七减法计数器的设计与实现实验八集成计数器第三章选作实验选做实验一组合逻辑中的竞争冒险选做实验二秒计时显示器的制作37654321891011121314第一章数字电路实验基本知识一、数字集成电路芯片：中，小规模数字IC中最常用的是TTL（晶体三极管逻辑）电路和CMOS（互补场效应管逻辑）电路，TTL器件型号以74（或54）作为前缀，称为74/54系列，如74LS10，74F181，54S86等。中，小规模CMOS数字集成电路主要是4XXX/45XX（X代表0—9的数字）系列；高速CMOS电路为74HC/HCT系列。TTL电路与CMOS电路各有优缺点，一般来说TTL电路速度快，驱动能力强；CMOS电路功耗小，电源范围大，输入阻抗高。由于TTL在世界范围内应用极广，在数字电路教学实验中主要使用TTL电路的74系列作为实验用器件，采用单一的+5V作为供电电源。数字IC器件有多种封装形式。在实验教学中主要采用74系列的双列直插封装形式的IC芯片。双列直插封装芯片的正面示意图如右图所示,它有以下特点：1.双列直插封装器件的引脚从正面看，器件的一端有一个半圆的缺口，这是正方向的标志。缺口左边的引脚号为1，引脚号按逆时针方向增加。图中的数字表示引脚号。双列直插封装的IC引脚有8、14、16、20、24、28等若干种。2.双列直插封装器件有两种引脚。引脚之间的间距是2.54毫米。两列引脚之间的距离有宽（15.24毫米）有窄（7.62毫米）两种。将器件插入实验台相应的插座中去或从插座中拔出时要小心，不要将器件的引脚搞弯或折断。通常要借助小起子进行操作。特别注意：不要带电插拔器件！插拔器件只能在关断+5V电源的情况下进行。二、数字电路测试及故障查找、排除：1.数字电路测试数字电路测试大体分为静态测试和动态测试两部分。静态测试指的是：给定数字电路若干组静态输入值，测试其输出值是否正确。在静态测试的基础上按设计要求在输入端加动态脉冲信号，观察输出端波形是否符合设计要求，这是动态测试。有些数字电路只需进行静态测试即可，有些数字电路则必须进行动态测试。一般来说，时序电路应进行动态测试。2.数字电路故障查找和排除在数字电路实验中，出现问题是难免的。重要的是分析问题，找出出现问题的原因，从而解决它。一般来说，有四方面的原因产生问题：器件故障；接4线错误；设计错误；测试方法不正确。当实验中发现结果与预期不一致时，千万不要慌乱，应仔细观测现象，冷静思考问题所在。首先仪器仪表的使用是否正确。在正确使用仪器仪表的前提下，按逻辑图和接线图逐级查找问题出现在何处。通常从发现的地方，一级一级向前测试，直到找出故障的初始发生位置。在故障的初始位置处，首先检查连线是否正确。实验故障大部分是由于接线错误引起的，因此一定要认真、仔细。确认接线无误后，检查器件引脚是否全部正确插进插座中，有无引脚折断、弯曲、错插问题。确认若无上述问题，可取下器件测试，以检查器件好坏，或直接更换一个新的器件。如果器件和接线都正确，则需考虑电路的设计是否有问题。三、TDS数字电路实验台简介：TDS-1数字电路实验系统是一种通用的实验设备。在这个设备上既能够使用中小规模器件做简单数字电路实验，又可以用PLD、CPLD或ISPLD器件做较为复杂的数字系统实验。图1－1是TDS-2数字电路实验系统布局图。下面介绍它的基本组成部分。1.电源TDS数字电路实验系统自备一路+5V、1A电源。2.双列直插芯片插座为了适应数字电路实验不同阶段的要求，实验台上安排了11个双列直插芯片插座（14芯4个、16芯2个、20芯2个、24芯2个、28芯1个）3.时钟源TDS-2数字电路实验系统提供5路时钟（10MHz、5MHz、1MHz、500KHz、100KHz）和1路可调频率的时钟（从1KHz～100KHz的可调方波信号）。4.单脉冲及相位滞后脉冲TDS-2数字电路实验系统安排了4个单脉冲按钮（AK1、AK2、AK3、AK4），可分别可产生4路脉冲信号，按键上方的上排插孔连续输出1～4个窄脉冲，下排插孔输出一个宽脉冲。按AK1产生4个窄脉冲和一个宽脉冲，AK2产生3个和一个宽脉冲，……，按AK4产生1个窄脉冲和一个宽脉冲，见图1－2所示。5.逻辑电平开关及发光二极管LED逻辑电平开关由12个拨动开关组成，（向上为1，向下为0）。12只发光二极管LED用来指示信号电平的高低（接高电平时亮，接低电平时灭）。6.数码管及驱动电路实验系统上安装了6个共阳极数码管。每个数码管由1片BCD七段显示译码器（74LS47）驱动。只需在各数码管的4个输入插孔（D为高位，A为低位）5图1－1是TDS-2数字电路实验系统布局图6AK2上方窄脉冲AK4上方窄脉冲宽脉冲和4个窄脉冲示意图AK3上方窄脉冲宽脉冲AK1上方窄脉冲时钟入接入BCD码，数码管就能显示出相应的数字。当TEST接低电平时，所有数码管显示“8”。图1－2宽脉冲和四个窄脉冲7.喇叭及驱动电路（说明省略）可用于发声，时钟报时、音乐发声装置。8.EPROM和GAL编程器（说明省略）9.ISP器件下载及实验电路（说明省略）7第二章基本实验实验一（一）基本逻辑门的逻辑特性一、实验目的1.掌握TTL与非门、与或非门和异或门输入与输出之间的逻辑关系。2.熟悉TTL中、小规模集成电路的外型、管脚和使用方法。3.熟悉数字逻辑实验台的操作方法二、实验所用器件和仪表1．二输入四与非门74LS001片2．二输入四或非门74LS02（28）1片3．二输入四异或门74LS861片4．数字万用表，镊子等三、实验内容1．测试二输入四与非门74LS00一个与非门的输入和输出之间的逻辑关系。2．测试二输入四或非门74LS02一个或非门的输入和输出之间的逻辑关系。3．测试二输入四异或门74LS86一个异或门的输入和输出之间的逻辑关系。四、预习要求1．复习门电路工作原理及相应逻辑表达式。2．熟悉所用集成电路的引脚位置和用途。3．准备好实验报告纸，预先写好实验内容、实验步骤。五、实验提示1．选择实验用的芯片，确定其引脚个数后插在实验板上合适的位置，通常芯片的半圆缺口朝左。2．查阅附录，了解所用芯片引脚的排列及输入输出定义。3．将被测器件插入实验台上的14芯插座中。插拔集成电路芯片时要仔细认真，管脚一定要对准插座孔，正确无误地插入，避免管脚插歪引起管脚折断。4．将器件的引脚7与实验台的“地（GND）”连接，将器件的引脚14与实验台的+5V连接。注意不要接反，否则芯片会烧毁损坏。5．用实验台的电平开关输出作为被测器件的信号输入。拨动开关向上，输出高电平，向下则输出低电平。6．将被测器件的输出引脚与实验台上的电平指示灯（LED）连接，LED由非门驱动，当输入端接高电平时LED灯亮，即指示灯亮表示被测电路输出为1（高电平），指示灯灭表示被测电路输出为0（低电平）。7．实验电路的连线全部接好并检查无误，并仔细检查后，方可打开电源开关。8．若有不确定或不明白之处请问实验指导教师。六、实验接线图74LS00中包含4个二与非门，74LS02（28）中包含4个二或非门，74LS86中包含4个异或门，下面各画出测试第一个逻辑门逻辑关系的接线图。测试其他逻辑门时的接线图与之类似。测试时各器件的引脚7接地，引脚14接+5V。图中的K1、K2是电平开关输出，LED0是电平指示灯。81．测试74LS00的逻辑关系接线图2．测试74LS02（28）的逻辑关系接线图3.测试74LS86的逻辑关系接线图参考：74LS0074LS2874LS86引脚定义与非门74LS00或非门74LS02(28)异或门74LS864．分别测试上述逻辑电路（00，02，86）的逻辑关系，将测试输出结果填入下面的表格中。基本门电路的逻辑关系表输入A输入B00输出Y102输出Y286输出Y3LL110LH101HL101HH000逻辑表达式七、实验报告要求：1．实验名称（题目），班级、学号、姓名2．实验目的3．实验仪器4．实验内容（1）画出三个实验的接线图。（2）用真值表表示出实验结果。LED0LED0K2K1K1K2K1K2LED09实验一（二）逻辑门电路的功能一、实验目的1．熟悉门电路的逻辑功能2．学习逻辑门电路的应用二、实验所用器件和仪表1．根据实验要求在74LS00，74LS02，74LS04，74LS86中选择可用的芯片2．示波器三、实验内容1．用与非门组成或非门并测试验证：（或者用非门加与非门）画出电路图，连线，测试并填写真值表2．利用与非、或非门控制输出⑴或非门一输入端接500KHZ信号源，另一端接电平控制开关K1，输出端接示波器，观察K1对输出脉冲的控制作用并列写实验结果。⑵将或非门换成与非门，重复实验步骤⑴。四、实验预习要求1．正确选择实验用芯片，2．根据实验要求画出完整的逻辑电路图，标注出引脚编号3．准备好实验报告纸，完成实验预习报告（实验目的，实验仪器、材料，实验原理图、表格等）五、实验报告1．按测试步骤和内容要求列写实验结果，填写相应表格；2．用理论分析实验内容2的实验结果。参考：74LS00、74LS28、74LS86的管脚定义参考实验一。下图是74LS04的管脚定义。74LS04（六反相器）BABABAY10实验二TTL、HC和HCT器件的电压传输特性一、实验目的掌握TTL、HC和HCT器件的传输特性。二、实验所用器件和仪表1．六反相器74LS041片2．六反相器74HC041片3．六反相器74HCT041片4．数字万用表等三、实验说明与非门的输出电压VO与输入电压VI的关系VO=f（VI）叫做电压传输特性，也称电压转移特性。它可以用一条曲线表示，叫做电压传输特性曲线。从传输特性曲线可以求出非门的下列有用参数：●输入高电平（VIH），输入低电平（VIL）●输出高电平（VOH），输出低电平（VOL）●门槛电压（VT）四、实验内容1．测试TTL器件74LS04一个非门的传输特性。2．测试HC器件74HC04一个非门的传输特性。3．测试HCT器件74HCT04一个非门的传输特性（选做实验）。五、实验提示1．注意被测器件的引脚7和引脚14分别接地和+5V。2．将实验台上4.7K电位器的一端接地，另一端接+5V。电位器的中端接非门输入端，作为被测非门的输入电压。旋转电位器可改变电压值。3．万用表放在测电压挡，接好连线，确认无误后，打开电源开关。4．从输入电压为0V开始测量，电位器旋转要缓慢。曲线变化较慢的地方按步长0.5V，变化较大的地方按0.05V调整非门输入电压。先用万用表监测非门的输入电压，调好以后，再用万用表测量非门的输出电压，并记录下来。5．重复步骤4，直到测至输入电压为5V。六、实验接线图及实验结果1．实验接线图由于74LS04、74HC04和74HCT04的逻辑功能相同，因此三个实验的接线图是一样的。下面以第一个逻辑门为例，画出实验接线图（电压表表示电压测试点）如下：112．填写输出无负载时74LS04、74HC04和74HCT04电压传输特性测试结果表2－2电压传输特性测试表输入VI（V）输出V0（V）74LS0474HC047474HCT0403．画出输出无负载时74LS04、74HC04和74HCT04电压传输特性曲线。4．求出74LS04、74HC04和74HCT04的VIL，VIH，VOL，VOH和VT。5．从VIL，VIH和VOL几方面比较三条电压传输特性曲线，说明各自的特点。七、实验报告要求1．实验目的2．实验仪器3．实验内容：（1）用表格形式记录74LS04、74HC04和74HCT04的电压传输特性。（2）画出74LS04、74HC04和74HCT04的电压传输特性曲线。（3）比较三条电压传输特性曲线，说明各自的特点。4．总结对本次实验的收获。12实验三三态门实