数字电路与逻辑电路设计第9章实验.ppt

第9章 实 验,本章要点,实验是进行科学研究、创新的重要方法。开设实验课的目的就是培养探索科学精神，掌握科学研究的正确方法，提高实验能力。数字电路与逻辑设计实验是电类专业学生培养逻辑思维，建立工程应用思维重要的一环,本章实验以一完整课题的形式，分离出几个相对独立又有联系的基础实验项目，最后合而为一成为系统。既对基本理论知识进行验证与强化，又建立系统设计的概念；既通过集成元器件构成的功能电路进行了基础训练，又从功能电路之间的构成关系中达到理论知识的全面贯通，同时加强了系统总体调试的方法训练。做好本课程实验也为后续课程的学习奠定良好基础。,实验中重点注意系统的逻辑构思，正确选用搭配元器件，分析逻辑时序关系，逻辑概念；以工程应用的要求来对待实验。,设计项目： 多路巡回显示数据采集系统的设计,实验一 TTL门电路逻辑功能 测试及三态输出门应用,实验二 中规模组合逻辑芯片的 应用及组合逻辑设计,实验四 存储器的应用,扩展电路,实验五 模数转换器的应用,实验三 中规模时序逻辑芯片的 应用及时序电路设计,1、实验基础及方法 2、门电路及分时控制,1、译码器及数据选择器 2、组合逻辑芯片数据手册 3、组合逻辑电路的设计,1、MSI计数器及分频器 2、时序电路芯片数据手册 3、计数器的应用及其级联,功能完善扩展设计,1、时序图及其控制关系 2、AD转换器的转换关系 及其使用,1、数码管及其动态显示 2、存储器及其编程文件 3、存储器设计复杂译码器,实验六： 多路巡回显示数据采集系统的设计,实验体系整体说明,实验 一 TTL门电路逻辑功能测试及三态输出门应用,一、 实验目的,1、熟悉和掌握综合实验箱的基本操作功能,2、掌握与或非门逻辑功能及多余输入端的处 理方法,3、掌握三态输出门的逻辑功能及典型应用,4、掌握简单组合逻辑电路的设计,二、实验设备及用具,1、数字逻辑实验箱 一台,2、双踪示波器 一台,3、万用表 一只,4、74LS00 2片;74LS54、74LS125各1片; 连接导线若干,三、实验的基本原理,集成逻辑门电路是最简单和最基本的数字集成元件。任何复杂的组合电路和时序电路都可用逻辑门通过适当的组合连接而成。基本逻辑运算有与、或、非运算，相应的基本逻辑门有与、或、非门。目前已有门类齐全的集成门电路，如与非门、或非门、与或非门、异或门等。虽然大、中规模集成电路相继问世，但组成某一个系统时，仍少不了各种门电路。TTL集成电路由于工作速度快、输出幅度较大、种类多、不易损坏等特点而使用较广。,1、4路（2-3-3-2）输入的与或非门74LS54,逻辑表达式：,74LS54的逻辑符号和引脚图如图9-1所示,（1）三种状态：高电平、低电平和高阻态。 （2）控制端EN(使能端)： 两种使能方式-低电平使能和高电平 使能端无效时-输出门处于高阻态，相当于电路与负载断开。,逻辑符号、引脚图及功能表如图9-2所示,2、 三态输出门 - 74LS125,3、三态输出门实现多路信息的分时采集,注意：不允许有两个或两个以上三态门的控制端同 时处于使能状态，因此操作本实验时，我们设计一个2-4译码器分时控制使能端 ！,电路如图9-3所示,四、实验内容及要求,1、熟悉综合实验箱的基本功能；,2、与或非门逻辑功能的测试及多余输入端的处理,以与或非门74LS54作为测试器件，正确处理多余输入端（C、D、E、H、I、J），最终实现逻辑表达式,表9-3 74LS54逻辑功能测试,3、应用三态输出门实现多路信号分时传输（总线传输）,（1）使能控制器的设计（2-4译码器）,如前所述，总线传输中三态门的使能端只能一个有效（即只允许一个EN=0），因此需要设计一个“使能控制器”。要求：,A：“使能控制器”由两个输入端（A、B）和四个选通输出端（E0、E1、E2和E3）组成。其真值表如表9-2。,B、应用2输入与非门完成“使能控制器”的电路设计，其中74LS00含四个2输入与非门，2输入与非门逻辑符号及74LS00引脚图如图9-4。,（2）实现多路信号分时传输的测试,结合图9-3及前面设计的“使能控制器”电路完成多路信号分时传输的电路图，在通道输入端（1A、2A、3A和4A）分别输入不同的四组连续脉冲信号，通过改变通道选择端（、）的端口状态，观察总线输出（Y）的变化。,五、实验步骤,1、测试与或非门逻辑的功能,根据实验内容的要求画出实验逻辑接线图并连接电路；,确认电路电源连接正确后，闭合实验箱的总电源和+5V电源开关;,合理设置多余输入端C、D、H、I及J的状态，按照表9-3所列的输入变量，分别测试的相应的输出电平；,将C、D、H、I及J的处理状态，测试结果一并记入表9-3中；,测试完毕，关闭实验箱的电源。,六、实验报告要求,1、预习实验内容涉及的相关知识，写出预习报告；,2、在预习报告中设计实验要求的电路及完成实验的逻辑接线图；,3、整理测试所得数据，总结逻辑门多余输入端的处理方法及三态输出门的应用；,4、总结逻辑电路输入输出波形观察及记录的注意事项；,5、通过修改分析图9-3（将1A4A连接在一起作为输入总线，1Y4Y独立输出）的功能，了解多位数码管的动态显示原理。,实验 二 中规模组合逻辑芯片的应用及组合逻辑设计,一、实验目的,二、实验设备及用具,4、74LS 20、74LS138、74LS153各1片连接导线若干。,1、掌握组合逻辑电路的设计与测试方法;,2、掌握MSI二进制译码器、数据选择器的逻辑功能及使用方法;,3、学习并掌握用二进制译码器及数据选择器进行逻辑设计的方法;,1、数字逻辑实验箱 一台;,2、双踪示波器 一台;,3、万用表 一只;,三、实验的基本原理,1、组合逻辑电路设计的基本步骤,（1）根据设计任务的要求，列出真值表；,（2）用代数式或卡诺图求出最简的逻辑表达式；,（3）根据提供的器件类型变换逻辑表达式，画出逻辑电路图；,（4）用提供的器件构成电路，并用实验来验证设计的正确性。,2、实验元器件,（1）74LS20 4输入2与非门,（2）74LS138 3-8译码器,（3）74LS153 4选1数据选择器,二进制译码器输出项与非关系,(2)二进制译码器的输出:,3、二进制译码器设计组合逻辑电路的基本原理,最小项取反（译码器输出0有效）,(1)逻辑函数标准形式：最小项之和,(3)逻辑函数表达式转换,（4）可以用多个与非门对同一个二进制译码器输出进行不同的组合实现多输出组合逻辑函数，如,如图所示,4、数据选择器设计单个输出逻辑电路的基本原理,四、实验内容及要求,数据选择器可以很方便地实现单个输出逻辑函数，即具有n位地址输入的数据选择器，可以产生任何形式输入变量数不大于n1的组合逻辑函数。将选择端A0An-1作为n个输入变量，数据输入端D0D2n-1为第n+1个变量的输入或其他形式，即可实现n+1个变量以下的组合逻辑函数。如4选1数据选择器有2个选择端可以可实现3个变量以下的组合逻辑函数。,运用二进制译码器和数据选择器的知识设计一个含主、副专家裁判表决控制电路。,1、电路功能要求如下：,(1) A、B、C、D、E五名裁判，其中A为主裁判，B、 C、D、E为副裁判；,（3）由5位拨动开关分别代表A、B、C、D及E五名裁判的表决情况，由1位发光二极管亮灭指示表决总结果。,（2）当主裁判一名及两名以上（含两名）副裁判认为符合要求时电路输出（Y）为“1”；反之输出为“0”；,2、专家裁判表决器的设计参考思路,为了区分74LS138和74LS153的选择输入端，用A0、A1和A2分别代替74LS138的A0、A1和A2，用A3和A4代替74LS153的A0和A1。,74LS138的输出逻辑表达式为：,应用时一般将控制端直接接有效电平，则有,74LS153的输出逻辑表达式为：,（1）A、B、C、D及E五位专家裁判的选择，有两种方案（即主裁判为A0A2中的一个，或为A3A4中的一个），如选定A4主裁判A，则A0A3四个选择端为副裁判；,（2）使用数据选择器的输出为表决结果输出端；,（3）结合译码器、数据选择器及（1）所述列出真值表。,数据选择器设计组合逻辑电路：表达式比较确定各变量的对应关系,画出模块接线图,五、实验步骤,（参照实验一自拟实验步骤）,六、实验报告要求,1、预习实验内容涉及的相关知识，写出预习报告；,2、在预习报告中写出实验电路的设计过程，画出实验数据测试表格及实验电路图；,3、整理测试所得数据，总结二进制译码器及数据选择器的应用；,4、试选A0A3中一个作为主裁判设计电路，比较两种情况设计的电路优劣；,5、考虑如果不常用本实验方法设计，电路该如何设计。,实验三 中规模时序逻辑芯片的应用及时序电路设计,一、实验目的,二、实验设备及用具,1、掌握MSI计数器和分频器的逻辑功能及使用方法;,2、掌握使用MSI计数器设计任意模计数器的方法。,1、数字逻辑实验箱 一台；,2、双踪示波器 一台；,3、万用表 一只；,4、74LS00（1片）、74LS90（2片）、74LS193（2片）CD4040（1片），连接导线若干。,三、实验的基本原理,1、计数器是数字电路中应用最广泛的功能部件；,2、用于计数、分频、定时、产生序列信号及数据处理；,3、灵活使用中规模集成计数器的“清零端”、“置一端”及“进位/借位端”可以级联出任意进制计数器，其方法有置零法（复位法）和置数法（置位法）。,4、74LS90：二五十进制异步计数器,RO(1)、RO(2)：异步清零复位端。两端同为高电平时有效，计数器清零。在计数过程中此两端至少有一端为低电平。, R9(1)、R9(2)：异步置9端，两端同为高电平时有效，计数器输出置9。在计数过程中此两端至少有一端为低电平。, CPB：二五进制计数分频器时钟输入端，下降沿有效;, CPA：二进制计数分频器和十进制计数器时钟输入端，下降沿有效;, QA、QB、QC、QD：计数器分频器输出端;,5、74LS193：双时钟4位同步加/减可逆计数器, CP+：加法计数时钟输入端，上升沿有效，在进行减法计数时应长期处于高电平；, CP-：减法计数时钟输入端，上升沿有效，在进行加法计数时应长期处于高电平。, QA、QB、QC、QD：计数器输出端，状态为00001111，QD 为最高位，QA为最低位。, RD：异步清零端，高电平有效，将输出端QA、QB、QC、QD清零。,6、CD4040：十二位串行进位二进制计数器/分频器, CP：时钟（计数）输入端，下降沿有效。, RD：异步清零端，高电平有效，即将Q1Q12清零。该端通常处于低电平。, Q1Q12：输出端。QN为CP的2N分频。,由CD4040对2048Hz的脉冲信号分频输出1Hz,四、实验内容及要求,1、使用2片74LS90设计一个60进制加法计数器电路。,（1）计数顺序为00、01、0258、59、00；,（2）由CD4040对2048Hz的脉冲信号分频输出1Hz的输出作为60进制计数器的时钟；,（3）将计数器输出连接到实验箱的数码管显示模块（模块输入为4位BCD码）。,2、使用2片74LS193设计一个60进制减法计数器电路。,（1）计数顺序为00、59、58、5701、00、59；,（2）由CD4040对2048Hz的脉冲信号分频输出1Hz的输出作为60进制计数器的时钟；,（3）将计数器输出连接到实验箱的数码管显示模块（模块输入为4位BCD码）。,五、实验步骤,（参照实验一自拟实验步骤）,六、实验报告要求,3、数码管显示模块,1、预习实验内容涉及的相关知识，写出预习报告；,2、自拟及记录实验数据记录表，写出实验设计过程及画出实验电路图；,3、明晰时序电路中“异步”、“同步”的概念；,4、总结使用MSI计数器的设计任意模计数器的方法。,实验四 模数转换器的应用,一、实验目的,二、实验设备及用具,1、了解ADC0809模数转换器的工作原理及结构；,2、了解ADC0809转换控制时序及模数关系；,3、掌握ADC0809模数转换器的功能及应用。,1、数字逻辑实验箱 一台；,2、双踪示波器 一台；,3、万用表 一只；,4、ADC0809 1片 1K电阻 9个 连接导线若干。,三、实验的基本原理,1、模数转换器的概念,将模拟信号转换成数字信号的过程称为模/数转换（Analog to Digital），实现的电路称为A/D转换器，简写为ADC（AnalogDigital Converter）。本实验使用的ADC0809是单片8位8通道逐次逼近型A/D转换器。,2、ADC0809模数转换器, A2A0：通道选择端 ，见表9-10；,IN7IN0：8路通道模拟信号输入端 ；, +VREF和-VREF：基准电压的正、负端；, CLOCK：输入时钟信号；, ALE：地址锁存端 ，“”；, START：转换启动端，“”；, EOC：转换结束标记，“0-1” ；, D7D0：8位数字信号输出, OE：输出允许端 ，“1”；,（1）引脚功能描述：,（2）逻辑框图,（3）时序图,（4）ADC0809转换关系,设UIN为转换通道对应的输入电压，DOUT为输出D7-D0对应的十进制数，则转换关系可表示为：,四、实验内容及要求,1、8路ADC0809模数转换的电路实现，根据以下提示完成和连接实验电路图,（1）8路的模拟输入电压（IN0IN7），实验时将9个电阻串联组成8路分压网络，分压信号分别连接IN0IN7；,（2）基准电压（+VREF和-VREF），分别接芯片正电源和地；,（3）输入时钟（CLOCK），由实验箱的“计数脉冲”提供，一般为50640KHz；,（4）通道选择端（A2A0），可以连接实验箱的“逻辑电平输出”开关，测试时通过人动设置开关选择通道；,（5）地址锁存端（ALE）上升沿锁存（A0A2选择的地址），转换启动端（START）下降沿开始A/D转换过程，因此可将ALE和START连接在一起，由同一个正脉冲控制；,（6）转换结果输出端（D7D0），可以连接实验箱的“逻辑电平输入”二极管观察发光（OE为输出允许端，接高电平）。,2、研究ADC0809转换控制时序,五、实验步骤,根据ADC0809时序图自拟实验操作步骤，并测试记录数据于表9-11。,（1）将ADC0809结合自动控制实现数据采集系统的思路，认真阅读ADC0809时序图；,（2）根据图9-9时序关系操作和观察ALE、START、EOC、OE和单通道转换时间。,实验五 储存器的应用,一、实验目的,二、实验设备及用具,4、AT28C16 1片 74LS00 1片 4位数码管 1个连接导线若干。,1、了解并行存储器地址线、数据线及存储单元的对应关系；,2、掌握使用存储器实现ADC0809转换输出的4位十进制结果的 基本方法；,3、了解存储器烧写文件（INTEL格式文件）的编辑及编程器的 使用步骤。,1、数字逻辑实验箱 一台；,2、计算机 一台；,3、EasyPRO 800 编程器 一台,1、数码管的结构,三、实验的基本原理,2、数码管的段码,3、数码管动态显示原理,（1）采用循环扫描分时显示的方法;,（2）应用LED发光的“余辉”，只要LED“重复发光”的时间足够“快”，由于视觉暂留的原因，我们就会感觉到LED稳定显示。,4、AT28C16 - E2PROM只读电擦除存储器,引脚说明：,A0A10：地址端;, D0D7：写操作-数据输入端;读操作-数据输出端;,1、AT28C16储存单元的结构与存储单元分页,四、实验内容及要求,第 0 页,1个存储单元为 1个字节，即8位,由/CS、/OE、/WE确定数据线D7-D0上的“读输出”或“写输入”数据,2、并行储存器设计组合逻辑电路,*由于任何组合逻辑函数都可以写成最小项之和的形式，因此任何组合逻辑函数都可以通过向存储器中写入相应的数据来实现， 其中：组合逻辑电路的输入端 由 存储器的地址总线实现 组合逻辑电路的输出端 由 存储器的数据总线实现。,*用具有n位输入地址、m位数据输出的存储器可以获得不大于m个任何形式的n变量组合逻辑函数。,若把地址输入A2、A1和A0单元分别看成是译码器的3个输入变量C、B和A，数据输出D7D0看成是一组输出变量，则D7D0就是一组A2、A1和A0的组合逻辑函数。,A10-A3都设置为“0”，则存储单元为第0页。则： 0000H-0007H对应的8个地址单元的数据为译码器输入端CBA为000-111对应的8组输出值（Y7-Y0的8位值）,显示 “0.1” “1.2” “4.3” “5.4”,段码（共阴）： Dp g f e d c b a “0.”：1 0 1 1 1 1 1 1 “1” ：0 0 0 0 0 1 1 0,位选择 C3 C2 0 1 1 0,3、存储单元与显示数据的分配关系,A8,/A8,位选择控制,4、为AD转换表与储存器单元建立关系,（1）AD转换表,（2）分页存储转换表信息,其中： Vin：模拟输入信号，为未知的所求参数； Dout：转换输出的8位二进制数字信号的十进制数值，范围为：0-255， 可以理解为已知参数； Vref： AD转换器的参考电压，为已知参数（取值：+5V）,由Dout可能输出的256个取值（0-255），可以列出对应的256个Vin的模拟输入值！ 如：Dout取值“85”即（01010101），Vin=1.667 V,由Dout有256个取值（0-255），对应的Vin 也有256个模拟输入值；转换表的位数 由小数点位数决定，如：Dout取值“85” ，Vin可以为2V、1.7V、1.67V、1.667 V等,转换表：取小数点位后3位，即4位，共有 256 X 4 个十进制数； AT28C16储存器有256 X 8 个字节的存储单元： 每页256个字节单元（有A7、A6、A5、A4、A3、A2、A1、A0选择） 分8页（由A10、A9、A8选择）,转换表：取小数点位后3位，即4位，共有 256 X 4 个十进制数； （1）取前4页储存单元存储4位转换表数据： 第0页 第1页 第2页 第3页 整数位与小数点 小数点后1位 小数点后2位 小数点后3位 1. 6 6 7 （2）每页存储数据按顺序排列 （1）按Dout由（0255）分别计算出（0255）对应的4位Vin （2）将256个Vin分别拆分为256个： 整数位与小数点 小数点后1位 小数点后2位 小数点后3位,转换表处理参考方法,四、实验内容及要求,1、实验电路,图9-13为应用并行存储器AT28C16的译码显示电路（数码管为共阳结构）,（1）将需显示的“数据”编码成“数据译码表”存储在AT28C16中，其中DIS0DIS3四位数码管的“显示数据”分别按顺序存储在存储器的第0页第3页中。,（2）4位数码管采用分时动态显示电路，由AT28C16存储器的8位数据线直接将段码数据送到4位数码管的8个共享段码端口中；每位数码管需要显示段码数据时，由“数码管位选择”相应位（LE0LE3）为有效状态控制（即高电平）。,电路的主要工作原理：,2、编辑ADC0809转换结果译码表；,（3）数码管DIS0的显示，首先通过设置“数码管位选择”（LE3LE0）“0001” ，同时设置“页选（A10A8）为“000”；然后设置“页地址输入”（A7A0）选择输出的“译码表”数据。DIS1DIS3数码管的显示操作雷同， LE3LE0和A10A8的设置分别为：0010、0100、1000和001、010、011 。,3、将ASM文件编译成INTEL格式文件（后缀名为“HEX”），并编程AT28C16。,六、实验报告要求,五、实验步骤,根据图9-13及其工作原理说明自拟实验步骤（注意电路的控制时序关系）。,1、预习实验内容涉及的相关知识，写出预习报告；,2、自拟及记录实验数据记录表，列出清晰的实验步骤及注意事项；,3、务必完成4（2）的内容，为实验六作准备；,4、总结数码管动态显示的工作原理；,5、总结并口存储器在本实验应用中单元地址与数据间的关系。,实验六 多路巡回显示数据采集系统的设计,一、实验目的,3、掌握数字电路系统综合设计的基本方法及测试方法，,二、实验设备及用具,3、CD4040、AT28C16、 ADC0809 、 74LS138各1片、74LS90-2片 四位一体数码管（共阴） 1个。,1、进一步熟悉模数转换器的控制时序及存储器的应用；,2、掌握实现分时数据锁存及存储器分页访问的设计方法；,1、数字逻辑实验箱 一台；,2、万用表 一台；,三、实验的基本原理,系统控制总体思路：,（1）先将以参考电压为+5V的ADC0809的输入输出转换关系表按页存放在AT28C16中，如ADC0809输出“01011100”时UIN =1.797V，对应