数字逻辑电路实验指导书.doc

仰恩大学电子工程系实验教材系列数字逻辑电路实验指导书 电子工程系 编2011年1月 安全用电须知安全用电是实验中始终需要注意的重要问题。为了做好实验，确保人身和设备的安全，实验时，必须严格遵守下列安全用电规则： （1）接线、改接、拆线都必须在切断电源的情况下进行，即“先接线后通电，先断电再拆线”。 （2）在电路通电情况下，人体严禁接触电路不绝缘的金属导线或连接点等带电部位。万一遇到触电事故，应立即切断电源，进行必要的处理。 （3）实验中，特别是设备刚投入运行时，要随时注意仪器设备的运行情况，如发现有超量程、过热、异味、异声、冒烟、火花等，应立即断电，并请老师检查。 （4）实验时应精神集中，同组者必须密切配合，接通电源前须通知同组同学，以防止触电事故。 （5）电机转动时，防止导线、发辫、围巾等物品卷入。 （6）了解有关电器设备的规格、性能及使用方法，严格按额定值使用。注意仪表的种类、量程和连接使用方法，例如，不得用电流表或万用表的电阻档，电流档去测量电压；电流表、功率表的电流线圈不能并联在电路中等等。（7）请穿绝缘胶鞋进入实验室。目 录第一章 MDL数字逻辑实验仪 1-1 MDL 实验仪的组成-41-2 MDL 实验仪面板功能和使用方法-41-3 MDL 实验仪实验方式和实验方法-81-4 实验调试过程-9第二章 组合逻辑电路部件实验 2-1 门电路-10实验一 检测门电路-122-2 加法器-14实验二 一位半加器-16实验三 一位全加器-172-3 编码器-19实验四 83编码器-202-4 译码器-21实验五 38译码器-24实验六 LED 译码器-252-5 奇偶校验电路-27实验七 奇偶校验-272-6 代码转换器-29实验八 二进制码 BCD 码-31实验九 BCD码 二进制码-32实验十 BCD码 余三码-33实验十一 BCD码 移位码-33实验十二 BCD码 格雷码-342-7 数据选择器与数据分配器-36实验十三 数据选择器-37实验十四 数据分配器-382-8 数据比较器-40实验十五 二位数字比较器-41第三章 时序逻辑电路部件实验3-1 触发器-44实验十六 检测触发器-463-2 移位寄存器-48实验十七 四位多功能寄存器-503-3 计数器-51实验十八 四位二进制异步计数器-57实验十九 四位格雷码计数器-59实验二十 五-十进制计数器-603-4 代码发生器-61实验二十一 代码110101发生器-653-5 单脉冲发生器-66实验二十二 单脉冲发生器-683-6 时序脉冲发生电路-69实验二十三 时序脉冲启停电路-72第四章 数字脉冲电路部件4-1 振荡器-73 实验二十四 带RC的TTL环形振荡器-744-2 单稳态电路-74 实验二十五 TTL单稳态电路-754-3 倍频电路 -76实验二十六 倍频电路-76第五章 可编程逻辑器件实验5-1 PLD器件-775-2 ispLSI1016-775-3 采用PLD器件的实验步骤-78 实验二十七 四位全加器-79 实验二十八 LED译码器-80 实验二十九 八位左移寄存器-81附录 几种常用74系列的TTL集成电路 -82 第一章 MDL数字逻辑实验仪MDL是一种智能多功能数字逻辑实验仪。它的内置单片机存储了大量示范实验软件。它可提供自动和非自动两类实验方式。选用自动实验方式时，它会自动输出并显示所选实验的输入信号和正确的输出信号。选用非自动方式实验时，实验信号由实验者设置，实验过程与传统实验相同。MDL可提供单拍和连续两种调试手段。MDL不仅支持采用TTL器件实验，还支持采用PLD（在线可编程逻辑器件）实验。1-1 MDL实验仪组成MDL多功能数字逻辑实验仪由电源、控制面板和实验模块组成。直流稳压电源+5V，经专用连接线与面板的电源插座连接，再经控制面板CNO区的“+5V”、“GND”与实验芯片的管脚“+Vcc”、“GND”连接。实验仪的右半部是控制面板。采用高性能的单片机进行控制，管理各指示灯的显示信息、产生实验信号、同步脉冲信号和异步脉冲信号、对开关产生的信号整形、监视控制键+、-和控制开关KC0KC3的状态、接收输入命令、选择实验序号、调节实验信号周期、控制“单拍”或“连续”调试实验电路。实验仪左半部是实验模块，设置多种芯片插座和管脚插孔。实验者使用适当的芯片构成各种实验电路。1-2 MDL实验仪面板的功能和使用方法一、DS0、DS1为示波器连接插座，通过专用连接电缆和双综示波器相连。实验时，若要用示波器观察某个信号，只要用导线把此信号接入该插座即可。二、LED3LED0为四个共阴极七段显示器，其用途如下：1. KC2处于“停止”，KC0处于“序号”，LED3、LED2显示所选实验序号，LED1、LED0显示该实验对应方式。2. KC2处于“停止”，KC0处于“周期”，LED3、LED2暗，LED1、LED0显示周期（16进制，单位10mS）。3. RC2处于“运行”，根据实验对应工作方式显示不同内容。（表1-1）方式LED3、LED2LED1、LED0方式0所选实验序号当前节拍号方式1所选实验序号当前节拍号方式2所选实验序号实验结果（16进制数据）方式3所选实验序号LED1显示正确结果，LED0显示实验结果三、LS7LS0为8个发光二极管，显示信号源S7S0的状态。四、LR7LR0为8个发光二极管，显示单片机给出的所选实验的正确结果（答案）。五、LE7LE0为8个发光二极管，显示实验结果状态E7E0。 图11 MDL实验仪控制面板 表1-1方式LED3、LED2LED1、LED0方式0所选实验序号当前节拍号方式1所选实验序号当前节拍号方式2所选实验序号实验结果（16进制数据）方式3所选实验序号LED1显示正确结果，LED0显示实验结果（字形数据）六、K7K0为8个钮子开关，与CNO区插座K7K0相连接。在方式0时，通过单片机接口将K7K0状态输出至信号插座的S7S0。七、KC2KC0为3个控制开关，KC2为“停止/运行”选择开关，KC1为“单拍/连续”选择开关。KC0为“序号/周期”选择开关。这三个开关选择组合及功能如表1-2：表1-2KC2KC1KC0功能停止任意序号LED3、LED2显示实验序号，LED1、LED0显示实验方式，按“+”或“-”使实验序号递增或递减，选择所要做的实验。停止任意周期LED1、LED0显示自动连续运行的周期，开机后初值为C8H，即2000mS。按“+”或“-”键使周期1（10mS），籍以选择连续运行时实验信号源和同步时钟（sp、/sp）的周期。运行单拍任意单拍运行，按“+”键，实验信号发生一次变化并产生一个同步时钟。运行连续任意连续运行，实验信号和同步时钟（sp、/sp）按所选周期连续自动变化。八、KC3为“常规/编程”选择开关。置“常规”时，可做常规TTL逻辑器件实验；置“编程”时，可做PLD可编程逻辑器件实验。九、+、-件的作用和KC2、KC1、KC0状态有关，见表1-3。表1-3KC2KC1KC0、键盘功能停止任意周期调整实验信息周期，“”递增，“”递减停止任意序号选择所做实验序号，“”递增，“”递减运行单拍任意按“”键使实验运行一拍，即实验信号发生一次变化，并产生一个同步时钟 十、信息插座CNO区。S0S7为8路实验信号，在方式0时，和开关K0K7的状态一致；在其他方式中，由单片机根据实验自动产生，同时显示在LS0LS7，1亮，0暗。E0E7为8路实验电路的输出信号，显示在LE0LE7或LED1、LED0。K0K7为开关K0K7的状态输出，作为辅助实验信号。Sp为同步正脉冲，周期可调。/Sp为同步负脉冲，周期可调。Mp为异步连续脉冲，周期2s。GND为接地。十一、编程插座（PLD器件实验用）通过专用电缆把编程插队座和PC机打印口连接起来，籍此把PC机上产生的熔丝图文件下载到实验仪上的在线可编程逻辑器件，然后进行相应的实验验证。1-3 实验方式和实验方法MDL提供四种实验方式，根据所选实验序号，自动设置实验方式。一、 方式0（非自动方式）按动“+”和“-”键，使LED3、LED2显示“00”，此时便为实验方式0。它具有如下特点：1、 实验电路所需的输入信号S0S7由实验者用开关S0S7设定。2、 指示灯LS0LS7显示开关K0K7状态。3、 指示灯LR0LR7暗。4、实验电路的输出信号送到E0E7，由指示灯LE0LE7显示，正确与否由实验者做出判断。二、 方式1（自动方式1）按动“+”和“-”键，使LED3、LED2显示实验序号，具有如下特点：1、 LED1、LED0显示当前的节拍号。2、实验所需的输入信号S0S7由实验仪内单片机根据所选实验序号自动产生，并由指示灯LS0LS7显示。3、实验电路的输出信号送到E0E7，由指示灯LE0LE7显示。4、该实验序号的正确结果（答案），由实验仪内单片机自动产生，并由指示灯LR0LR7显示。三、方式2（自动方式2） 计数器等实验选用方式2,该方式有以下特点：运行时,LED3、LED2显示实验序号；LED1、LED0显示实验结果（十六进制数）和LE7LE0 状态相对应。其它与方式1相同。四、方式3（自动方式3） 方式3运行时，LED3、LED2显示实验序号，LED1显示以正确结果为字型数据的符号LED0显示以实验结果为字型数据符号。方式3只用于LED译码器实验。1-4 实验调试过程一、准备对于TTL器件实验，按实验内容在实验模块上插好器件，接好线路核对正确后，置KC3于“常规”，置KC2于“停止”，打开电源。对于可编程逻辑器件实验，置KC2于“停止”，置KC3于“编程”，打开电源，将PC机上产生的熔丝图文件（X。LED）下载到MDL中可编程器件（ispLSI1016或MACH221）内。二、选择实验序号开关KC2处于“停止”，KC0处于“序号”，按“+”键使实验序号递增，按“”使实验序号递减,实验序号显示在LED3、LED2,相应实验方式显示在LED1、LED0上，直至选到所做实验序号为止。三、调节实验信号周期开关KC2处于“停止”，KC0处于“周期”LED1、LED0显示C8（相当是十进制200），按“+”键盘递增，按“”键盘递减，直至选到合适周期为止。监控设定连续运行时信号周期为2秒（20010mS）四、单拍运行开关KC1处于“单拍”,开关KC0处于“运行”，则处于单拍运行方式，每按一次“+”键运行一拍，即S0S7变化一次。观察LS0LS7、LR0LR7、LE0LE7变化。五、连续运行开关KC1处于“连续”，开关KC2处于“运行”，则处于连续运行方式。LS0LS7按所选周期连续变化。观察LR0LR7、LE0LE7变化。 第二章 组合逻辑电路部件实验组合逻辑电路由于若干门电路组合而成，见图2-1。它的特点是任一时刻电路的输出仅仅是该电路输入状态的函数，即Yi=FiX1（t）,X2(t),Xn(t) (i=1,2,3,.m)2-1 门电路一、 非门能够实现逻辑非的基本单元电路叫做非门，其表达方式见下表：二、 与门与非门能够实现逻辑与的基本单元电路叫做与门，其表达方式见下表： 能够实现逻辑与再实现逻辑非的复合逻辑运算的单元电路叫做非门，其表达方式见下表： 三、或门和或非门能够实现逻辑或的基本单元电路叫做或门，其表达方式见下表：能够实现逻辑或与再实现逻辑非的复合逻辑运算的单元电路叫做或非门，其表达方式见下表： 四、异或门和同或门能够实现异或逻辑的单元电路叫做异或门，其表达方式见先表：能够实现逻辑异或与在实现逻辑非的复合逻辑运算的单元电路叫做同或门，其表达方式见下表 实验一 检测门电路实验目的 检测基本常用电路，列表表示其逻辑功能。实验器件 7404（非门）一个，7408（与门）一个，7432（或门）一个，7486（异或门）。7404是一种TTL器件,在同一芯片中集成6个非门,其管脚图见附录,可任选一个非门进行检测。7408是一种TTL器件,在同一芯片中集成4个与门,其管脚图见附录,可任选一个与门进行检测。7432是一种TTL器件,在同一芯片中集成4个或门,其管脚图见附录,可任选一个或门进行检测。7486是一种TTL器件,在同一芯片中集成个异或门,其管脚图见附录,可任选一个异或门进行检测。实验原理 检测非门7404连线如下图所示：检测与非门连线如下图所示： 图中，与门7408的输入1A、1B（管脚号1、2）取自实验仪控制面板CNO区的S1、S0，输入1Y（管脚号3）送到非门7404的输入1A（管脚号1），非门的输出送到CNO区的E0。7404、7408的+Vcc（管脚号14）与CNO区的电源+5V连接，GND与CNO区的GND连接。实验步骤1、KCO置于“序号”，KC1和KC2任意，KC3置于“常规”。2、接通电源。3、按动“-”键，使LED3，LED2显示实验序号“00”，即选用0方式。门电路的输入取自S0S7插孔，由LS0LS7显示，拨动开对照各真值表关K0K7可改变其值。输出接到E0E7，由绿灯LE0LE7显示结果。进行检测。实验结果根据本次实验写出芯片所对应的真值表思考如何熟练地使用芯片进行线路的设计 2-2 加法器加法运算是计算机中最基本的运算。按进位是否加入，加法器分为半加器和全加器。一、 半加器一位半加器有两个输入端、两个输出端，见图2-2。 图2-2其真值表见表2-2-1表2-2-1据真值表可得到半加器的输出的函数表达式： Hi= Ai Bi+AiBi Ci=AiBi （2-2-1） 二 全加器计算机中的加法器一般就是全加器，它实现多位带进位加法。一位全加器有三个输入端、两个输出端，见图2-3。图2-3图中“进位入”Ci是指低位的进位输出，“进位出”即是本位的进位输出。一位全加器的真值表见表2-2-2。 表2-2-2输入输出Ci-1BiAiSiCi0000111100110011010101010110100100010111 根据表2-2-2作卡诺图，可得出输出表达试： Si=AiBiCi-1 + AiBiCi-1 + AiBiCi-1+ AiBICi-1 或： Si=AiBiCi-1 Ci=AiBI + AiCi-1 + BiCi-1 (2-2-2) 全加功能的硬件实现，有多种方法，例如，可以把全加和看作是Ai与Bi的半加和Hi与进位输入Ci-1的半加和，即： Hi=Ai Bi Si=Hi Ci-1 （2-2-3） 实验二 半加器实验目的 构成并运行一个一位半加器实验器件 7486一个，7408一个，7400二个。线路原理 以下是根据表达试（2-2-1），实现半加器功能的两方案：方案一 用一只7486和一只7408构成方案二 用一只7400和一只7404实现与MDL的连接 输入的被加数A、加数B分别取自实验仪控制面板CN0区的S0、S1，由LS0、LS1显示；输出的本位和S、进位出C分别送到实验仪控制面板CN0区的E1、E0，由LE0、LE0显示。实验步骤1、 KCO置于“序号”，KC1置于“单拍”，KC2置于“停止”，KC3置于“常规”。2、 接通电源。3、 按动“+”或“”按键，使LED3，LED2显示实验序号“01”。4、 KC2置于“运行”。开始以自动方式单拍运行，按动“+”（递增）或“-”（递减）按键，逐拍观察指示灯LS1、LS0；LR1、LR0；LE1、LE0的变化，并填入下表。5、 KC1改置于“连续”，观察指示灯LS1、LS0、；LR1、LR0；LE1、LE0的变化。6、 如果哪一拍实验结果由于答案不一致（即LR1、LR0、和LE1、LE0显示不一致），则应把KC2置于“停止”，进行逻辑分析，并检查纠正。实验结果节拍输入信号显示正确结果显示实验结果显示LS2 LS0B ALR1 LR0S CLE1 LE0S C12340 00 11 01 10 01 01 01 1思考有无可能使用其他本次实验指定芯片外的其他芯片构成半加器 实验三 全加器 实验目的 构成并实现一个全加器 实验器件 7404一个，7408一个，7411二个，7432二个，7486一个。 实验原理 分别根据逻辑表达试（2-2-2）和（2-2-3）式，构成全加器。画出逻辑图，并对图中各器件引脚编号，经指导教师查后，在MDL实验仪的实验模块板上接线。并按下图与MDL实验仪的控制面板连接。 输入的加数Ai、被加数Bi和进位入Ci-1和分别取自实验仪控制面板CN0区的S0、S1、S2显示；由LS0、LS1、LS2显示；由实验模块送出的本位和Si及进位出Ci分别接到实验仪控制面板CN0区的E1、E0，由LE1、LE0显示。实验步骤1、 KC0置于“序号”，KC1置于“单拍”，KC2置于“停止”。KC3置于“常规”。2、 接通电源。3、 按动“+”或“-”按键，使LED3，LED2显示实验序号“02”。4、 KC2置于“运行”。开始以自动方式单拍运行，按动“+”（递增）或“-”按键，逐拍观察指示灯LS2、LS0；LR1、LR0；LE1、LE0的变化，并填入下表。5、 KC1改置“连续”，观察LS1、LS0；LR1、LR0；LE1、LE0的变化。6、 如果哪一节拍实验结果与答案不一致（即LR1、LR0和LE1、LE0显示不一致），则应把KC2置于“停止”，进行逻辑分析，并检查纠正。 实验结果节拍输入信号显示正确结果显示实验结果显示LS2 LS1 LS0Ci-1 Bi AiLR1 LR0 Si CiLE1 LE0 Si Ci12345678 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 思考能够利用其他芯片构成全加器23 编码器 编码器的功能是将一组信号表示为一组二进制码。编码器有m个输入、n个输入，满足关系式m2n 。m个输入应该只有一个为1其余为0，或相 反。n个输出的状态构成与输入对应的二进制编码。图24是42编码器的 逻辑示意图。表2-3-1是它的真值表。 图2-4表2-3-1（信号）输入（编码）输出X3X2X1X0Y1Y0000100001001010010100011 实际设计编码器时，一般应考虑“优先级”问题，籍以处理输入不止一个有效的情况，通常以下标最大的输入为准。表2-3-2是考虑优先级后的4-2编码器的真值表，表中x表示任意值（0或1），它是“1”优先的编码器。例如，当下标最大的x3为“1”（x2,x1为任意）时，编码输出为“11”。由此表可得到输出变量的表达式为： Y0=X2X1+X3 Y1=X2+X3 (2-3-1)表2-3-2输入输出X3X2X1X0Y1Y0000100001x0101Xx101xXx11 实验四 8-3 编码器实验目的 实现一个带优先级（“0”有效）的8-3编码器实验器件 74148一个实验原理 74148是一种带优先级（“0”有效）的8-3编码器，起管脚图和真值表件附录。 与MDL实验仪的连接图如下：编码器74148的输入信号（管脚名70，管脚编号分别4、3、2、1、13、12、11、10）取自实验仪控制面板CNO区的S7S0，由LS7LS0显示。编码器的3个输出A2、A1、A0送到实验仪控制面板的E2、E1、E0，由LE2、LE1、LE0显示。“使能入”端EI（管脚号5）接“0”（即GND），“使能出”端（管脚号15）接“1”（即+5V），优先标志GS（管脚号14）接“0”（即GND）。 实验步骤1、 KCO置于“序号”，KC1和KC2任意，KC3置于“常规”。2、 接通电源。3、 按动“-”键，使LED3、LED2显示实验序号“00”，即选用0方式。输入信号全由实验者用开关K7K0控制。4、 按下表，逐次观察指示灯LS7LS0、LR2LR0、LE2LE0的变化，并添入下表。实验结果 次(编码)输入信号(编码)输出LS7 LS6 LS5 LS4 LS3 LS2 LS1 LS0K7 K6 K5 K4 K3 K2 K1 K07 6 5 4 3 2 1 0LR2 LR1 LR0E2 E1 E0A2 A1 A012345678910111213141516 0 0 0 0 0 0 0 0 0 x x x x x x x 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 x x x x x x 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 x x x x x 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 x x x x 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 x x x 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 x x 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 x 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 12-4 译码器译码和编码的过程相反。译码器的功能是将输入代码按其编码是的愿意译成对应的信号或十进制数码输出。根据用途，译码器分为变量译码器、显示译码器等。 一、变量译码器变量译码器有n个输入线，m个输出线，它们之间满足关系：2n m图2-5n个输入变量，可有2n种不同输入状态，每一个输出线对应于其中的一种输入状态。显然，任何时刻，m个输出线只有一个输出为“1”，而其余为“0”，或相反。计算机中的地址译码器，指令译码器，都属于变量译码器。此外，变量译码器还可用来设计函数发生器、数据分配器、时钟分配器、代码转换器等。二、显示译码器能显示数字的器件很多，如辉光管、荧光数码管、发光二极管矩阵、液晶显示器等、常才用七段、八段、九段显示。下面介绍常用的七段数字显示器的二进制-十进制译码器。实验仪提供的七段数字显示器是由七个发光二极管LED（lighting emitted diod）组成的，每个二极管对应一个笔划段，见图2-6。图2-6由图可知，若a、b、c脚接高电平，其余接低电平，则a、b、c三段落亮，显示数字7。图2-7是二-十进制译码显示电路框图。它的输入是四位二进制数23、22、21、20，输出ag七个变量控制LED的显示。由各数字应显示的字行，列真值表：根据真值表画ag各变量的卡诺图，经化简得逻辑表达式：a = A B C D + A B C D; b = A B C + A B C;c = A B C; d = A B C + A B C + A B C D; e = A + B C; f = A B + B C + A D C;g = B C D + A B C;实验五 3-8 译码器实验目的 实现一个3-8译码器 实验器件74138一个实验原理3-8译码器（74318）的3个输入C、B、A取自实验仪控制面板CNO区的S2、S1、S0，由LS2、LS1、LS0显示。译码器的8个输出Y7Y0送到实验仪控制面板CNO区的E7E0，由LE7LE0显示。译码器的门控G1接+5V，G2A和G2B接GND。实验步骤1、 KCO置于“序号”，KC1置于“单拍”，KC2置于“停止”，KC3置于“常规”。2、 接通电源。3、 按动“+”或“”按键，使LED3，LED2显示实验序号“04”。4、 KC2改置于“运行”。开始以自动方式单拍运行，按动“+”（递增）或“”（递减），按键，逐拍观察指示灯LS2、LS1、LS0；LR7LR0；LE7LE0的变化，并填入下表。5、 KC1改置于“连续”，观察指示灯的变化。6、 如果哪一节拍实验结果于答案不一致，则应把KC2置于“停止”，进行逻辑分析，并检查纠正。 实验结果 实验六 L