数子电子技术实验指导书

07电子信息工程、通信工程（兴）：①4月19日下午②4月26日下午③5月9日上午④5月10日下午实验一集成“与非门”参数测试一、实验目的1、熟悉数字电路实验台；2、熟悉TTL和CMOS集成电路的特点及其使用方法；3、理解TTL和CMOS集成门参数的测试原理；4、掌握TTL和CMOS集成门参数和逻辑功能的测试方法。二、TTL与非门静态参数测试原理1、空载导通电源电流ICCL(或对应的空载导通功耗PON)ICCL是指输入端全部悬空（或输入端全部接高电平），与非门处于导通状态时，电源提供的电流。将空载导通电流ICCL乘以电源电压就得到空载导通功率PON，即PON＝ICCL*VCC测试电路，如图1-1所示。测试条件：输入端悬空或接高电平，输出空载，VCC=5V。通常对74LS系列每个与非门要求小于3mW。注意：所测电流为芯片中所有与非门的总电流。2、空载截止电源电流ICCH(或对应的空载截止功耗POFF)ICCH是指与非门至少有一个输入端接低电平，输出端开路时电源提供的电流。空载截止功耗POFF为空载截止时电源电流ICCH与电源电压之积，即POFF＝ICCH*VCC测试电路如图1－2所示。注意，被测量芯片的所有门均要有一个输入端接地。测试条件：输入端接低电平（或接地），输出空载，VCC=5V。通常对74LS系列每个与非门要求小于1mW。注意：所测电流为芯片中所有与非门的总电流。3、低电平输入电流IIL与非门的低电平输入电流IIL是指被测输入端接低电平，其余输入端悬空或接VCC，输出端空载时，由被测输入端流出的电流值。因为门电路的输入电流通常就是前级门电路的负载电流，其大小直接影响前级电路驱动负载的个数，所以这一参数非常重要。必要时要对门的每个输入端进行测试。＆mA图1-1ICCL测试电路ICCLVCC＆mAVCCICCH图1-2ICCH测试电路＆VCC=5VRW●1K●●VOVi测试电路如图1-3所示。测试条件：被测输入端通过电流表接地，其余输入端悬空或接VCC，输出空载，VCC=5V。74LS系列低电平输入电流IIL典型值为0.4mA。4、电压传输特性电压传输特性是指门电路输出电压Vo随输入电压Vi而变化的曲线。电压传输特性的测试电路如图1-4所示，调节Rw，使Vi从0v至5v变化，逐点测出Vo和Vi，填入表1-1中，再根据实测数据绘出电压传输特性曲线，从曲线上读出VOH(标准输出高电平)、VOL(标准输出低电平)、VIL(MAX)和VIH(MIN)。图1-4电压传输特性测试表1-1VI(V)0.30.51.01.21.31.41.52.02.4VO(V)通常对74LS系列要求VOH2.4V，VOL0.4V，VIL(MAX)0.8V,VIH(MIN)2V。5、扇出系数NO扇出系数NO是指输出端最多能带同类门的个数，它反映了与非门的最大负载能力。NO＝IOL（MAX）/IIL,其中IOL（MAX）为VOL0.3V时允许灌入的最大负载电流，IIL为低电平输入电流。测试电路如图1-5所示。其电路所有输入端悬空，负载RL可用一固定电阻和一个1KΏ电位器串接实现，串接固定电阻的目的主要是防止调整过程中电流过大而损坏器件。测试方法：按图1-5接好电路，调整RL值，使输出电压VOL=0.3V，测出此时的负载电流IOL（MAX），它就是允许灌入的最大负载电流，根据上面NO的公式即可算出扇出系数。一般，NO8。＆mAVCCIiL图1-3IIL测试电路三、CMOS与非门参数测试原理1、输出高电平VOH和输出低电平VOL一般CMOS门电路的供电电源可为3~18V（HCMOS的供电电源可为2～6V），因此CMOS门的高低电平和TTL门电路的高低电平（固定）不一样,它随供电电源而变。一般输出电平为：VOH＝0.9VDD,VOL=0.1VDD。测试电路如图1-6所示。测试方法：（1）供电电源VDD取5V，将与非门的两个输入端并接，并将其与VDD连接，测量其输出电压，即为VOL。注意：为保证输出开路，测量用的电压表的内阻要足够大，最好用数字电压表；（2）供电电源VDD取5V，将与非门的两个输入端并接，并将其与地连接，测量其输出电压，即为VOH；(3)供电电源VDD取3V，重复步骤（1）、（2）测量，并将测量结果填入表1-2中。3V电源可由5V通过电阻分压取得。表1-2VDD(V)VOLVOH532、电压传输特性测试电路参考图1-4。测试方法与TTL与非门测试相同。3、CMOS门的静态功耗测试电路和方法及其它主要参数的测试与TTL与非门测试相同，所不同的是TTL与非门的多余端允许悬空，而CMOS门则不允许。另外、CMOS门是微功耗器件，其电流值要小得多，实验室给定的仪器难以测出。四、实验内容1、逻辑功能测试；2、TTL与非门主要参数测试（ICCL、ICCH、IIL、电压传输特性及扇出系数NO）；＆VDDV+-图1-6VOL、VOH测试电路＆mA图1-5NO测试电路VVCC=5V●●●●+-+-270Ώ1KΏ3、CMOS与非门参数测试（输出高电平VOH和输出低电平VOL及电压传输特性）。五、实验预习要求1、复习门电路的工作原理，了解与非门主要参数的定义及意义；2、熟悉各测试电路，了解测试原理和测试方法；3、熟悉74LS00和74HC00的引脚排列。六、实验报告1、记录、整理实验结果，并对结果进行分析；2、画出实测的电压传输特性曲线，确定VON、VOFF、VOL、VOH、VNL、VNH等参数值；3、将实测的CMOS与非门各参数及电压传输特性曲线与TTL与非门各参数及电压传输特性曲线进行比较分析。七、实验器材1、数字电路实验台2、数字万用表3、器件74HC00四二输入与非门1片74LS00四二输入与非门1片实验2组合逻辑电路设计（一）一、实验目的1、掌握用基本逻辑门设计组合逻辑电路的方法；2、熟悉各种逻辑门电路的应用及其应用电路功能的测试方法。二、用SSI设计组合电路的一般方法根据给出的实际逻辑问题，求出实现这一逻辑功能的最简逻辑电路。用SSI设计组合逻辑电路的一般步骤如图２-1所示。用小规模集成门电路设计组合逻辑电路时，通常要先根据具体设计任务的要求列出逻辑真值表，将真值表转化为对应的逻辑函数式，再根据所选器件的类型（如“与门”、“或门”、“非门”、“与非门”等），将函数式化简，最后根据化简的逻辑函数式，画出逻辑电路的连接图。至此，原理性设计基本完成。实际上，工程设计还必须考虑带载能力和抗干扰问题等，这些已超出了本实验要求范围，故不予以讨论。三、设计举例1.题目设计一个监视交通灯工作状态的逻辑电路。交通灯每组信号由红、黄、绿三盏灯组成。正常工作情况下，任何时刻必有一盏灯亮，而且只允许有一盏灯亮。若某一时刻无一盏灯亮或两盏以上同时点灯亮，则表示电路发生了故障。监视交通灯工作状态的逻辑电路的功能就是要求能检测出这一故障信号。2.设计步骤1）逻辑抽象。取红、黄、绿三盏灯的状态为输入变量，分别用R、Y、G表示，并规定灯亮时为“1”，不亮时为“0”。取故障信号为输出变量，以F表示，并规定正常工作状态下F为“0”，发生故障时F为“1”。在作出以上规定后，根据题意可列出真值表如表２-1所示。2）写出逻辑表达式。由真值表可求得：RYGGRYGYRYGRGYRF表２-1真值表逻辑抽象逻辑真值表逻辑函数式选定器件类型化简逻辑函数逻辑电路图图２-1用SSI设计组合电路的一般步骤RYGF000001010011100101110111100101113）选定器件类型。用小规模数字集成逻辑门电路：74LS00、74LS20实现。4）化简逻辑函数。用卡诺图方法将函数化为最简“与-或”形式，并变换成“与非-与非”形式。图２-2F的卡诺图RYRGYGYRRYRGYGGYRRYRGYGGYRFG5）根据最简“与非-与非”表达式画出逻辑电路图，如图２-3所示。图２-3逻辑电路图6）实验验证。前面几步完成了基本的逻辑设计任务，但是否正确、稳定可靠，需要进行静态测试，也就是按真值表改变输入变量，测量相应的输出值，验证其逻辑功能。动态测试已超出了本实验要求，故不再赘述。＆＆＆＆＆111RYGFR000111100111111YG四、实验内容1、完成上述实验举例的实验验证。2、设计一个三变量多数表决电路。如举重比赛有三个裁判，运动员试举是否成功的裁决，由每个裁判按下自己面前的按钮来决定。只有两个以上裁判裁定成功，表示“成功”的灯才亮。试用与非门设计并实现该组合逻辑电路。3、试用与非门和三态门设计一个频率选择电路。频率选择电路的框图如图4所示。图中虚线框内为三态门74LS126，其中数字为74LS126的引脚示意。各三态门控制端分别受2-4译码器输出B3、B2、B1、B0控制，各三态门的输入端分别接不同频率的输入信号，输出端均接在同一总线上。将总线接到示波器输入端。若译码器B0=1，TS0三态门选通，1KHz频率信号传送到总线上，而此时B3、B2、B1均为0，TS3、TS2、TS1三态门输出均为高阻态，所以示波器上只观察到1KHz频率信号，依次类推，总线实现了频率信号的选择。设计要求：先用与非门设计2-4译码器，然后按图2-4连接，通过实验台上的逻辑电平改变译码器的输入A0和A1组合观察示波器的显示波形，并填入（如1KHZ）自制的数据表中。图２-4频率选择电路框图五、选做实验1、设计一个四位原码/反码转换器电路。要求用异或门实现。2、设计一个全加器电路。要求用与非门实现。3、某工厂有三个车间A、B、C和一个自备电站，站内有两台发电机F1、F2。F1的额定输出功率为800KW，F2的额定输出功率为500KW。A车间单独生产时需要用电550KW，B车间单独生产需要用电350KW，C车间单独生产时需要用电200KW。试用与非门和反相器设计一个控制电路控制电机的起停。要求只需启动一台电机时，不同时启动两台，只需启动功率小的电机时，不启动功率大的。六、预习要求及思考题1、复习基本逻辑门电路及组合电路设计等相关内容；2、仔细阅读设计举例及设计题目，着实弄懂其原理与要求；3、根据题目要求实验前作好理论设计，即对要求设计的题目要列出真值表、写出逻辑表达式、画出逻辑图及芯片连接图等。2-4译码器示波器A0A110KHz100KHz500KHz1KHzB3B2B1B02TS33569812TS01174LS126141013七、实验报告要求1、根据各题的题意，列出相应真值表，写出化简过程及电路实现的最简逻辑表达式和画出逻辑电路图。2、将各测试结果填入自画的表格中。3、分析、讨论得出相应结论。八、实验仪器与器材1、仪器：数字实验台、三用表、双踪示波器。2、器材：74LS00（四-2输入与非门）、74LS20（二-4输入与非门）、74LS126（三态门）。74LS86（四-2输入异或门）、74LS04（反相器）。实验3组合逻辑电路设计（二）一、实验目的1、熟悉各种常用MSI组合逻辑电路的功能与使用方法；2、掌握多片MSI组合逻辑电路的级联、功能扩展及综合应用技术；3、学会组装和调试各种MSI组合逻辑电路。二、MSI组合逻辑电路设计原则和步骤MSI组合逻辑电路的设计是以所用MSI个数最少、品种最少，同时MSI间的连线也最少作为最基本的原则，其设计步骤如下：1）逻辑抽象，列出真值表；2）写出逻辑函数表达式；3）将逻辑函数化简或变换成MSI所需要形式的函数式；4）画出逻辑电路图。三、设计举例1、用一片8-3优先编码器74LS148组成8-3二进制输出的编码器，其输出为8421BCD码。表３-１74LS148的功能表优先编码器74LS148是8线输入3线输出的二进制编码器,其作用是将输入I0’~I7’8个状态分别编成8个二进制输出。其功能表如表2所示。由表可看出74LS148的输入为低电平有效。优先级别从I7’至I0’递降。另外它有输入使能ST'，输出使能YS’和YEX’。ST'=0允许编码，ST'=1禁止编码，输出Y2’Y1’Y0’=111。输入输出ST’I0＇I1＇I2＇I3＇