《数字电路分析》实验指导书与报告册

《数字电路分析》实验指导书与报告册《数字电路分析》课程包开发项目组2013年8月《数字电路分析》课程包实验指导书与报告册《数字电路分析》课程包开发项目组2目录实验一基本逻辑门电路的测试...........................................3实验二组合逻辑电路设计...................................................6实验三555集成电路的应用................................................9实验四触发器功能测试.....................................................16实验五循环彩灯控制电路的制作.....................................21实验六计数器的测试与运用.............................................26实验七综合性实验——数字译码与显示电路制作..........31《数字电路分析》课程包实验指导书与报告册《数字电路分析》课程包开发项目组3实验一基本逻辑门电路的测试一、实验原理集成逻辑门电路是最简单、最基本的数字集成元件。任何复杂的组合电路和时序逻辑电路都可通过门电路适当的组合连接起来。常用的有TTL门电路和CMOS门电路。在数字电路中，所谓“门”就是实现一些基本逻辑关系的电路。最基本的逻辑关系有与、或、非三种，所以最基本的逻辑门有与门、或门和非门。与门是执行与功能的逻辑部件，其逻辑关系的特点是：只有当全部输入端都是高电平时，输出才是高电平；只要有一个输人端为低电平，输出端就为低电平。例如逻辑表达式可写为：Y=A•B。或门是执行或功能的逻辑部件。其逻辑关系的特点是：只要有一个输入为高电平，输出就是高电平；只有全部输入为低电平，输出才是低电平。逻辑表达式可写为：Y=A+B。非门是执行非功能的逻辑部件。其逻辑关系的特点是：输入端为高电平，输出才是低电平；输入为低电平时，输出端为高电平。逻辑表达式为：Y=A。在门电路中，应用最广泛的是与非门，把与门和非门连接起来就是与非门。其逻辑关系的特点是：只有当全部的输入端都为高电平时，输出才是低电平。只要有一个输入为低电平，输出就是高电平。2输入端与非门的逻辑表达式可写成：Y=BA.，其逻辑功能如表9-1。同理，将或门同非门连接起来，就可构成或非门，其逻辑关系特点是：只有当全部的输入为低电平时，输出才是高电平，只要有一个输入为高电平，输出就是低电平。2输入端或门的逻辑表达式可写成：Y=BA。说明：在数字电子技术里面，常常要遇到高电平、低电平这一术语，高电平指电压为2.4V以上的输入输出，低电平常为低于0.8V，但由于器件件制造中的差异，输出高、低电平略有不同。表1-12输入端与非门功能表输入A0011B0101输出Y1110二、实验目的1．掌握真值表的查阅方法；2．掌握数字电子技术实验箱的基本使用方法；3．掌握数字集成电路的基本使用；4．熟悉并掌握门电路逻辑功能的测试、功能转换及测试方法；5．学会用与非门构成其他门电路逻辑功能的方法。《数字电路分析》课程包实验指导书与报告册《数字电路分析》课程包开发项目组4三、实验仪器及设备序号名称及型号数量序号名称及型号数量1数字电路实验箱1474LS00若干2万用表174LS021四、实验内容及步骤1.教师先介绍数字电路实验箱的使用方法。2.与非门逻辑功能的测试任选74LS00中一个独立的与非门，输入分别接高、低电平（在本实验教材中，输入高、低电平由数据逻辑开关的输出提供）。输出接电平显示器发光二极管，当光二极管发光时，表示输出为高电平；如果发光二极管不亮则表示输出为低电平。并用万用表测试输出端的电压，并将结果填入表1-2中：表1-274LS00功能测试表输入A0011B0101输出状态（Y）电压（V）3．或非门功能测试任选取74LS02中的一个独立的或非门，其输入端分别输入高低电平，输出接发光二极管，测试其功能并填入表1-3中。表1-3或非门功能测试输入A0011B0101输出Y4．用与非门构成其它功能逻辑门(1)用二输入与非门构成二输入与门电路，并将结果填入表1-4中：表1-4与门功能测试表输入A0011B0101输出Y(2)用二输入与非门构成或非门电路，将其结果填入表1-5中。表1-5或非门功能测试表输入A0011B0101输出Y(3)组成异或门电路，将其结果填入表1-6中。《数字电路分析》课程包实验指导书与报告册《数字电路分析》课程包开发项目组5表1-6异或门功能测试表输入A0011B0101输出Y五、实验问题与分析1.在什么情况下与非门输出高电平或低电平？其电压值分别是多少？2.在什么情况下或非门输出高电平或低电平？其电压值分别是多少？3.若用或非门实现本次实验要求的逻辑关系，应该如何完成功能转换？作出转换的逻辑电路图。指导老师签字：实验日期：《数字电路分析》课程包实验指导书与报告册《数字电路分析》课程包开发项目组6实验二组合逻辑电路设计一、实验原理组合逻辑电路的设计，就是如何根据文字描述的逻辑功能要求，设计出能实现该功能而采用器件最少的最佳电路。组合逻辑电路是最常见的逻辑电路，其特点是任何时刻的输出信号（状态）仅取决于该时刻的输入状态，而与信号作用前电路原来状态无关。组合逻辑电路的设计步骤真值表如图2-1所示，先根据设计任务要求，列出真值表，然后利用卡诺图或代数法求出最简逻辑表达式卡诺图的逻辑表达式，进而画出逻辑电路图，并用逻辑门或组件构成实际电路，最后由测试验证简化的逻辑表达式实际电路其逻辑功能，如符合要求，即完成了设计。逻辑图图2-1组合逻辑电路设计的步骤组合逻辑电路设计步骤：（1）根据设计任务设定开关变量。（2）列真值表（3）化简，用卡洛图或代数化简方法化简。（4）对应每一个输出写出逻辑函数最小项之和的表达式（与非项之和）。列出表达式后，接着进行化简，然后根据最简的逻辑表达式画出逻辑图。最后，还要根据使用场合和技术要求等多方面因素，如对电路的速度、功耗、成本、可靠性、逻辑功能的灵活性合理地选取器件，才算完成设计任务。二、实验目的1．掌握组合逻辑电路的设计原理与步骤和功能测试的基本方法；2．验证所设计的组合逻辑电路（如三人表决器等）的功能；3．了解数字电路的合理布线方法；4．学习数字电路简单故障的检测方法。三、实验设备与器材序号名称及型号数量序号名称及型号数量1数字电路实验箱1374LS00若干2万用表1《数字电路分析》课程包实验指导书与报告册《数字电路分析》课程包开发项目组7四、实验内容及步骤以下列出的实验课题共五个，1.三人多数表决电路，表决结果用指示灯显示，当多数赞成则指示灯亮，反之则不亮。要求：用74LS00实现。2.最少的与非门组成半加器电路。要求：用74LS00实现。3.某车间有三台机器，用红、绿二个故障指示灯表示机器的工作情况。当只有一台机器有故障时，绿灯亮；若有二台机器有故障时，红灯亮；只有当三台机器都发生故障时，才使红、绿两灯都亮；设计一个控制电路实现对上述控制。要求：用74LS00实现。使用的集成电路器件的片数最少。4.设计一个能判别一位二进制数A和B大小的比较电路。画出逻辑电路图用L1、L2、L3分别表示三种状态，即L1（AB），L2（AB），L（A=B）。要求：用74LS00实现。5.设计一个字符显器，要求输入为A、B，输出用共阴极数码管的各段显示L、H、E、F，见表2-1所示：表2-1字符显示器输入A0011B0101输出YLHEF所设计电路逻辑表达式及电路图（要求用直尺、铅笔画图）：《数字电路分析》课程包实验指导书与报告册《数字电路分析》课程包开发项目组8五、实验问题与分析1．总结设计组合逻辑电路的方法。2．若用或非门实现实验所设计的电路，比用与非门实现的电路，哪一种简单？试画出电路图。3．总结本次实验过程中所遇到的问题，分析其原因，以及最后解决的方案。指导老师签字：实验日期：《数字电路分析》课程包实验指导书与报告册《数字电路分析》课程包开发项目组9实验三555集成电路的应用一、实验原理1．555电路的工作原理555电路的内部电路方框图如图3-1所示。它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关管T，比较器的参考电压由三只5K的电阻器构成分压器提供。它们分别使高电平比较器A1的同相输入端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为2/3VcC和1/3VCC。A1与A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号自6脚，即高电平触发输入并超过参考电平2/3VCC时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3VCC时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电开关管截止。RD复位端，当RD＝0，555输出低电平。平时RD端开路或接VCC。Vc是控制电压端(5脚)，平时输出2/3VCC作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01μF的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。图3-1555定时器内部框图及引脚排列T为放电管，当T导通时，将给接于7脚的电容器提供低阻放电通路。555定时器主要是与电阻、电容构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容器上的电压，以确定输出电平的高低和放电开关的通断。这就很方便地构成从微秒到数十分针的延时电路，可方便地构成单稳态触发器，多谐振荡器，施密特触发器等脉冲产生或波形变换电路。TH-高电平触发端：当TH端电平大于2/3V，输出端OUT呈低电平，CC端导通。《数字电路分析》课程包实验指导书与报告册《数字电路分析》课程包开发项目组10TL-低电平触发端：当TL端电平小于1/3V时，OUT端呈现高电平，CC端关断。RD-复位端：RD＝0，OUT端输出低电平，CC端导通。VC-控制电压端：VC接不同的电压值可以改变TH，TR的触发电平值。Ci-放电端：其导通或关断为RC回路提供了放电或充电的通路。OUT-输出端。VCC-接正电源端。GND-接地端。表3-1555功能表THTLRDOUTTXXLL导通ccV32ccV31HL导通ccV32ccV31H原状态原状态ccV32ccV31HH关断2．555定时器的典型应用(1)构成多谐振荡器如图3-2(a)所示由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外加触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端CC放电，使电路产生振荡。电容C在1/3VCC和2/3VCC之间充电和放电，其波形如图17-2(b)所示。输出信号的时间参数是T＝twl+tw2，twl＝0.7(R1十R2)C，tw2＝0.7R2C。图3-2多谐振荡器《数字电路分析》课程包实验指导书与报告册《数字电路分析》课程包开发项目组11555电路要求Rl与R2均应大于或等于1KΩ，但R1+R2应小于或等于3.3MΩ。占空比q=twl/(tw1+tw2)外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。因此这种形式的多谐振荡器应用很广泛。(2)组成占空比可调的多诸振荡器图3-3占空比可调的多荡器电路如图3-3所示，它比图3-2所示电路增如了一个电位器和两个导引二极管。D1、D2用来决定电容充、放电电流流经电阻的途径(充电时D1导通，D2截止；放电时D2导通，D1截止)。占空比q=twl/(tw1+tw2)≈0.7RAC/0.7C(RA+RB)=RA/(RA+RB)可见，若取RA＝RB电路即可输出占空比为50％的方波信号。（3）构成单稳态触发器图3-4(a)为由555定时器和外接定时元件R、C构成的单稳态触发器。触发电路由C1、Rl、D构成，其中D为嵌位二极管，