数字电子技术实验指导书教案.doc

数字电子技术 实验指导书目 录第一章 数字电子技术实验的概述11.1 实验的基本知识和安全规定11.2 集成块使用注意事项及检测51-3 布线和故障排除8第二章 实验部分10实验一 门电路参数测试10实验二 数据选择器应用15实验三 全加器应用17实验四 组合逻辑电路的设计21实验五 触发器计数器应用23实验六 移位寄存器应用28实验七 555定时器应用31实验八 A/D和D/A转换器35实验九 智力竞赛抢答电路设计39实验十 电子秒表41附录：部分TTL及CMOS集成电路引出端功能图45第一章 数字电子技术实验的概述1.1 实验的基本知识和安全规定1.1.1实验的基本知识数字电子技术实验主要包括验证性实验和设计性实验，与理论课内容基本同步。实验主要是为了验证、巩固和拓宽课内所学的理论知识，把理论知识和实际操作相结合，使学生在分析问题和解决问题的能力方面有所提高通过实验进一步掌握常用仪器的使用方法，熟悉基本的集成电路的功能和应用，提高实验技能虽然每个实验的目的、步骤有所不同，但基本过程却是类似的。为了达到每个实验的预期效果，要求参加实验者做到：实验前认真预习，实验中遵守实验操作规则，实验结束后认真总结。一、实验前要认真预习，写出预习报告为了避免盲目性，使实验过程有条不紊地进行，在每个实验前都要仔细阅读实验指导书，复习理论教材中有关章节的内容，理解实验原理，明确实验目的和要求，对实验步骤作到心中有数。在充分预习的基础上，写出实验预习报告。预习报告的内容包括：（1） 实验题目、目的、要求和实验原理图；（2） 实验的基本原理、实验步骤和有关注意事项；（3） 实验元器件、仪器设备的型号名称和规格；（4） 与实验有关的计算公式及预期结果，有关的数据记录表格；（5） 回答有关的思考题；（6） 对于设计性实验，还必须写出设计过程。二、认真上好实验课，遵守实验操作规定上好实验课并遵守实验操作规则，是提高实验效果，保证实验质量的重要前提。因此实验者必须做到以下几点：（1） 实验课时首先要认真听老师的讲解，明确实验中的有关问题；（2） 在进入指定实验位置后，检查实验所需的元器件、仪器仪表和测试线等是否齐全和符合要求；（3） 按实验指导书和实验原理的要求连接，一般不要随意更动；（4） 实验过程要按拟订的步骤进行，实验过程中遇到问题要仔细研究，找到解决问题的正确方法；（5） 实验过程中应及时分析所测数据和观察到的各种波形是否合理，如有问题应及时找出原因。一般可从电路接线、实验方法、测量仪器的使用和连线（特别是接地线）、数据读测的方法和准确性，以及各种外界干扰等方面寻找原因。（6） 实验结束后应首先切断电源，实验结果经指导教师审阅、同意后才可拆除实验电路。（7） 实验完成后，要整理好仪器设备，清理好实验现场，方可离开实验室。三、认真撰写实验报告实验报告是科学的总结，也是实践课的继续和提高。通过撰写实验报告，可以培养学生综合问题的能力，使知识理化。实验报告的内容和要求如下：（1） 实验报告的主要内容有：实验名称、目的、要求、实验电路及工作原理、主要实验步骤、所用仪器设备的型号和名称、测试数据及有关波形图表、实验收获体会并回答有关的问题；（2） 实验报告应采取科学态度，对实验数据和结果进行必要的理论分析，未经重复实验不得随意修改原始数据，更不能伪造实验数据；（3） 实验报告应在实验结束后及时完成，并做到文理通顺，语言精炼、字迹工整。每个实验者都应独立完成。杜绝抄袭现象，一经发现有雷同版本，将取消雷同版本学生的当次实验成绩。1.1.2实验操作过程 一、布线布线对学生来说看似容易，实际并非如此。接线的不可靠与接错往往给实验带来很大麻烦，甚至影响到实验结果的正确性。 （1） 布线前首先校正集成电路芯片两排外引线的距离，使之与实验底板上插孔的行距相等，然后认准芯片定位标记，水平地放在插孔上。在可能的情况下，检查一下芯片的逻辑功能是否正常。 （2） 采用不同颜色的导线，以便区别。（3） 布线要有序地进行，以免错接或漏接。先将固定电平端接好，如电源端、接地端、门电路的多余输入端等，根据要求接到相应的电平，然后顺着信号传输方向，从输入到输出依次接线。导线要贴近实验底板，尽量使连接线短一些，并且连线尽可能少交叉，也不要从集成电路芯片上跨越而过。（4） 对于使用芯片较多的实验，可将实验电路划分成几个单元电路后再将各个单元电路连接成一个整体。正确布线的实验电路清晰，整洁，这样即提高了电路的可靠性，又便于修正电路或更换实验器件，当然也便于检查和排除故障。 在完成布线后，应对所有连线复查一遍。查线只是排除故障的一种初级手段，许多故障因素用查线的方法是发现不了的 二、测试 （1）加上电源 TTL电路的电源电压为5V5%，高速CMOS的54HC/74HC系列产品也使用+5V 电源，一般的 CMOS电路电源电压范围为 318V，实验中均取+5V。接上电源后，应先用万用表检查一下电路中集成电路芯片的电源端上是否已有电压，若没有电压则往往是导线错接或连接点接触不良引起的。（2）排除故障加上电源后，一般先作一些简单的检查，如电路是否能正常复位、置位，相关点的静态值是否符合要求，从电路输入端加入单脉冲信号，观察电路工作情况。如果电路工作不正常，则要仔细观察故障现象，从而分析、判断故障的原因及故障所在位置，然后进行排除。例如，无论对实验电路加什么信号，输出端始终高电平，则很可能是集成电路芯片没接地或地线接触不良。排除故障一方面依靠实践经验，另一方面更依靠基于对基本理论的掌握和对实验电路的熟悉的逻辑思维方法，即能够根据电路的逻辑关系进行分析，判断及推理。所以说实验预习充分与否，在排除故障方面就反映出来了。 （3）测量与记录实验中所用的输入信号，基本上为矩形脉冲，一般由函数信号发生器提供，所以调节信号时要正确调节频率、占空比、幅度、零偏移。图1（a）为正确的输入信号，幅度Va为4V，零偏移为2V，占空比根据要求调节，无特别要求则为50%，频率则是根据实验要求调节。图 1（b）、图 1（c）信号偏移不正确，容易引起输出错误或电路故障，甚至损坏器件。图1 电路输入信号在数字电路实验中最常用的测量工具是双踪示波器。用示波器测量脉冲信号时，除按常规的操作方法外，一般触发极性开关置“一”，使扫描起点定在负脉冲前沿或正脉冲后沿，以便从低电平开始记录脉冲波形。双踪显示时，一般是选用两个被测信号中相对频率低的那个信号作为触发信号，即把其它波形气最低频率的波形作比较，从而确定时序关系。Y 轴输入藕合开关一般置于“DC”，因为被测的脉冲信号中往往含有直流分量。测量时应该先进行静态测量，再进行动态测量。在实验中记录波形时，要抓住数字电路的特点。示波器显示的波形往往处子高低电平交替状态，这点比较容易掌握。关键是当一个电路有多个波形时，波形之间的时序关系不能画错，否则记录的波形不能正确地反映出电路的功能。对脉冲产生及整形电路的波形，则要抓住波形的转折点，同样也要注意时序关系。要使记录的波形正确无误，不但要依靠仪器的正确操作，还要基于对理论知识的掌握程度。总之，实验中要边测量、边记录、边分析，随时纠正出现的问题与故障。1.1.3实验安全实验安全包括人身安全和仪器设备安全。实验者必须具备一定的安全常识，遵守实验安全规则，才能避免发生人身伤害事故，防止损坏实验仪器设备。一、人身安全在数字电路实验中，为保障实验者的人身安全，实验者必须遵守以下安全规则：（1） 实验前应搞清楚电源开关、插座的位置，了解其正确操作的方法，并检查其是否安全可靠；（2） 实验过程中一定要养成实验前先接实验电路后接通电源，实验完毕后先切断电源后拆实验电路的操作习惯。（3） 实验时万一发生触电事故或其他的异常现象，不要惊慌失措，应立即切断电源。如距电源开关较远时，可使用绝缘器具将电源切断，使触电者立即脱离电源，并保护现场，报告指导老师检查事故原因。二、仪器设备安全为了防止在实验时损坏仪器设备与实验装置，实验时应遵守以下安全规则：（1） 在使用仪器设备前，应先了解其性能和操作方法，按操作程序正确使用。切不可不懂装懂，盲目操作。（2） 要树立爱护公物的良好习惯，实验中不得随意搬动与本次实验无关的仪器和设备。（3） 实验时注意力要集中，随时观察仪器及实验电路工作情况。如发现异常现象，应立即切断电源，待查明原因并排除故障后，方可重新通电。（4） 仪器设备使用完毕后，应关掉电源开关，同时将面板上各旋钮、开关置于合适的位置。1.2 集成块使用注意事项及检测1.2.1 集成块使用注意事项一、电源 TTL电路对电源Vcc的要求+5V+10%（或+5%，视器件类别而定），即允许电源电压变化范围是4.5V5.5V。当电源波动超出此范围时，电路就不能保证正常工作。在使用中，切不可错误地将电源和地线颠倒错接，否则将引起很大的电流而造成电路失效。二、外引线端连接1、 电路的输入端不能直接和高于5.5V或低于4.5V的电源连接，否则，会由于过流而损坏电路。2、 不允许将电路的输出端和电源连接，否则会损坏电路。3、 不允许将输出端并联使用。否则，不仅会使电路逻辑混乱，并且会导致器件损坏。1.2.2 用万用表检查TTL集成块 在维修数字电路时，我们都希望能用万用表快速判别集成块的好坏，下面介绍用万用表检查测试的方法。图1 集成块的检测首先，应从手册中找出该集成块的接地和接电源的管脚，然后将万用表置于电阻档“100”档，用万用表的黑表笔接到待测集成块的接地脚（集成块要从设备中取下），红表笔则依次接到其他各脚，测量对地端的直流电阻（见图1）。 正常情况下，各脚对地电阻应为5K左右（对应于500型万用表。若用其他型号电表，此值略有变动），其中电源端对地电阻允许低于3K左右；若量到某一脚的对地电阻低于1K，甚至几乎为零时，则该集成块肯定已损坏；若量到大于12K以上时，也表明该集成块不用使用。为了进一步证实，还可以将两表笔对调，即将红表笔接到集成块接地端，黑表笔则轮流接到除电源端以外其他各脚，可以看到对于正常的集成块，各端对地的反向电阻均大于40K，而损坏的脚对地电阻则很小，其阻值几乎和上次测得相同，正常的集成块其电源和地端的正、反向电阻值均较其他端为小，最大不超过10K。若此值接近无穷大，则说明此集成块的电源端有断路。表1列出了各端对地电阻阻值的正常值，可供测量时参考。表中的数据采用500型万用表测得，若用其它型号的万用表，差异不会太大，但不能使用数字式万用表测量。表1 用万用表检测集成块测试项目正常值不正常值万用表笔接法各脚对地端5K12K黑表笔接地端各脚对电源端3K0或红表笔接其他片脚各脚对地端40K12K红表笔接地端各脚对电源端3K0或黑表笔接其他片脚这种测试方法的理论依据可由图2来说明。由图可见，当黑表笔（相当于电池正极）接地端，红表笔接输入端时，电流如图中虚线所示：地R5BG4 bc结R4R1BG1 be结输入端。这相当两个正向PN结和三个低值电阻的阻值总和，若红表笔接输出端时，电流通路如图2中点线所示：地R3BG5 bc结输出，这相于一个正向PN结和一个低值电阻之和。这两条通路的电阻，都是当黑表笔接地端呈现低阻值；反之呈现高阻值。图2 用万用表测量电阻 图3 用万用表测量电压用同样的分析方法不难看出，对电源端和地端，无论表笔正接或反接，总有一个正向PN结导通，因而总呈现低阻值。当集成块损坏时，其内部的PN结必有所损坏。因此，与晶体三极管一样，可以用测量各端直流电阻的方法来判断TTL集成块的好坏。还可以通过检查TTL集成块的好坏。检查前，除电源和接地端外，要把集成块各输入、输出端从设备上悬空，然后用万用表分别测量各输入端和输出端的电压。如测量结果和表2相符，则该与非门是正常的，否则有故障，需要进一步检查。一般说，如测得某一输入端电压为0V，则该输入与内部电路断路；若电压超过2V，则该输入端出现短路。这种检测方法依据的原理可用图3来解释。在各个输入端全部悬空时，相当于各输入端对地间接无穷大的电阻，这时BG1管的基极电流只能够通过集电结流入BG2管基极，致使BG2，BG5管饱和导通。BG1、BG2、BG3各管基极电值如图3所示。Vb1= Vbc1+Vbe2 +Vbe2+ Vbe5= 0.7V+0.7 V+ V0.7=2.1 V考虑到BG1管发射结压降Vbe=0.7V各输入端悬空对地电压应是Ve=Vb1-Vbe=2.1-0.7=1.4V这也是用万表测得的输入端电压值。表2 与非门检测测量条件输入端输出端输入端全部悬空1.4V1.6V0.3V1-3 布线和故障排除1.4.1 故障的表现形式在数字电子技术实验中，凡是对于一定的输入信号或输入序列，不能完成所组成电路应有的逻辑功能，不能产生正确输出信号的现象称为故障。一般说来，在数字电子技术实验中主要有器件故障、接线错误、设计错误和测试方法不正确。1器件故障 器件故障是指器件失效或器件接插问题引起的故障，表现为器件工作不正常。其中器件失效肯定会引起工作不正常，需要更换一个好器件。器件接插问题，如管脚折断或者器件的某个（或某些）引脚没插到插座中等，也会使器件工作不正常。 2接线错误 在教学实验中，大约70%以上的故障是由接线错误引起的。常见的接线错误包括接器件的电源、连线与插孔接触不良；连线经多次使用后，有可能外面塑料包皮完好，但内部线断；连线多接、漏接、错接；连线过长、过乱造成干扰。接线错误造成的现象多种多样，例如器件的某个功能块不工作或工作不正常，器件不工作或发热，电路中一部分工作状态不稳定等。 3设计错误 设计错误自然会造成与预想的结果不一致。原因是对实验要求没有吃透，或者是对所用器件的原理没有掌握。 4测试方法不正确 如果不发生前面所述三种错误，实验一般会成功。但有时测试方法不正确也会引起观测错误。例如，一个稳定的波形，如果用示波器观测，而示波器没有同步，则造成波形不稳的假象。在数字电子技术实验中，尤其要学会正确使用示波器。在对数字电路测试过程中，由于测试仪器、仪表加到被测电路上后，对被测电路相当于一个负载，因此测试过程中也有可能引起电路本身工作状态的改变，这点应引起足够注意。不过，在数字电子技术实验中，这种现象很少发生。 1.4.2 布线原则布线错误不仅会引起电路故障，严重时甚至会损坏集成元件。原则上讲，只要经过仔细核查，布线错误是不难得到纠正的。实践证明事情并不象想象的那样简单，当实验电路稍为复杂，加之布线方法不合理，是很难通过查对接线纠正布线错误的。因此，为了尽可能减少故障，注意布线的合理性和科学性就是显得十分必要了。 在布线前，必须首先校准集成元件两排管脚距离，使之和实验通用底板上的插座（或插孔）的行距相等。将集成元件插到底板上时，用力要轻，均匀，不要一下子插紧，待确定集成元件的管脚和插孔位置一致后，再稍用力将其插牢。这样可避免集成元件管脚弯曲或折断。 接插集成元件时要认清方向，不要插倒。双列直插式集成元件一般都有定位标记。在实验时都必须十分小心。 布线用导线直径应和通用底板孔直径相一致，不宜太粗（容易损坏插孔），也不宜过细（与插扎接触不好）。导线最好用色线，以示区别不同用途，如一般习惯于接电源的导线用深红色，接地线用黑色等。导线的剥头不宜太长，也不宜太短，大约5-7mm。剥头部分不要留有刀痕，也不允许弯曲，凡导线剥头裸露部分不够光滑的，均应剪去重新剥头。导线插入插孔时，用力不能过猛，以防因导线插入过深，使导线塑料包层插入造成电绝缘。布线最好有顺序地进行，不要随意接线，以免造成漏接。布线时先将固定电平的端点接好，如电源的正极、地线、门电路的多余输入端及实验过程中始终不改变电平的输入端（如触发器的置位S端）等。这些连线尽可能短一些，并布在接近电源正极和电源负极（地线）的位置。这样不仅不会在布其它导线时无意碰落，布线用导线长度不宜太长，最好贴近通用底板。在布线时，尽量避免导线相互重叠，更不要覆盖插孔。布线时切忌导线跨越集成块的上空，无规则的交错连接，在空中搭成网状。正确的方法是导线贴近底板在集成块周围走线。布线时切忌在一个插孔内插入两根或两根以上的导线，以免插孔因插入导线过多而减弱弹性。第二章 实验部分实验一 门电路参数测试一、实验目的1、熟悉数字逻辑电路实验箱的结构、基本功能和使用方法。2、掌握TTL集成与非门的功能和主要参数的测试方法。3、熟悉TTL集电极开路门（OC）和三态门（TSL）的特点与逻辑功能。4、了解上拉电阻RP对集电极开路门工作状态的影响。二、实验设备与器件序号仪器或器件名称型号或规格数量1数字逻辑电路实验箱12数字万用表13双踪示波器1474LS001574LS221674LS1261774LS041三、实验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。图1-1 74LS00引脚图 图1-2 74LS00逻辑符号OC门即集电极开路门，OC门是特殊的TTL电路，若干个OC门的输出端可并接在一起。而一般普通的TTL门电路，由于它的输出电阻太小，所以它们的输出不可以并联接在一起构成“线与”。通过这次实验，希望同学们初步掌握数字电路实验的基本方法，学会查阅器件手册，学会逻辑箱的使用，正确掌握操作规范。1、TTL与非门的参数 本实验采用的逻辑门为TTL双极型数字集成逻辑门电路74LS00，它有四个2输入与非门，外形为双列直插式，引脚排列如图1-1所示，逻辑符号如图1-2所示。输入为A、B端，输出为Y端，。参数分别有：（1）ICCL、ICCH ICCL为输出低电平电源电流，是指实验门的输入端全部悬空，该门输出端空载时电源提供器件的电流；ICCH为输出高电平电源电流，是指输入端至少一个接地，输出端空载时电源提供器件的电流。注意图示器件，四个门的电源VCC引线是连在一起的。（2）IIL、IIH IIL为输入低电平电流，是指一个输入端接地，其它输入端悬空，这个输入端流向接地端的电流；IIH为输入高电平电流，是指一个输入端接高电平VCC，其它输入端接地，高电平VCC流向高电平输入端的电流。2、TTL与非门的逻辑功能根据与非门的工作原理，输入端全为高电平时输出为低电平，否则输出为高电平。实验时输入端的高低电平可由逻辑开关提供，开关拨上为逻辑“1”，拨下为逻辑“0”，输出可用指示灯显示，输出高电平则指示灯亮，低电平则灭，这样就可观察指示灯的变化情况确定输入输出的逻辑关系。3、集电极开路门（OC）OC门工作时，输出端必须通过一只外接电阻RL和电源Vcc相连接，以保证输出电平符合电路要求。由于OC门能实现函数的线与功能，因而获得了广泛的应用，如a) 组成“线与”电路实现某些特定的逻辑功能，如图1-3所示， b) 实现多路信息的采集，使多路信号共用一个信息通道（总线）。c) 实现逻辑电平的转换，以驱动荧光数码管、继电器、MOS器件等各种数字集成电路。上拉电阻RP应选择在一定范围内，如图1-4所示，其计算方法是：RPmax=（Vcc-VOH）/（nIOH+mIiH）RPmin=（Vcc-VOL）/（ILM-NIiiL）式中：IOH -OC门输出管截止时（输出高电平）的漏电流（一般14mA） IiL -负载门的低电平输入电流 Vcc -R 外接的电源电压 N -线与输出OC门的个数 M -负载门的个数 N -负载门输入端的总数RP的大小会影响输出波形的边沿时间，在工作速度较高时，RP应取接近RPmin的值，通常取RL=1K至2K。图1-3输入“线与”电路 图1-4电极开路门RP值的确定 图1-5三态门逻辑符号4、三态输出门（TSL）（3S门）三态门除了通常的高电平和低电平两个输出状态外，还有第三种输出状态高阻态。处于高阻态时，电路与负载之间相当于开路。TSL门按逻辑功能入控制方式来区分，有各种不同的类型，其逻辑符号如图 1-5所示，它有一个控制端（又称禁止端或使能端）E，E=0为正常工作状态，实现的功能；E=1为禁止工作状态，F输出呈高阻状态。这种在控制端加0信号时电路才能正常工作的工作方式称为低电平使能。本实验中所用的三态门（74LS126）是高电平使能。三态电路最重要的用途是实现多路信息的采集，即用一个传输通道（或称总线）以选通的方式传送多路信号。使用时要求只有需要传输信息的那个三态门的控制端处于使能状态，其余各门皆处于禁止状态。需要注意的是，由于其输出电路结构与普通TTL电路一样，因此在使用时，一条总线上仅允许一个输出门处于使能状态（即输出高电平或低电平状态），其它输出门必须处于高阻态，绝不允许有两个或两个以上的输出门同时处于使能状态。四、实验内容1、TTL与非门的逻辑功能的测试 实验箱总开关处OFF状态，把一块74LS00固定在实验箱的插座上（可选中间合适的插座），联接14脚电源VCC至实验箱+5V端口，联接7脚GND至实验箱接地端口，从74LS00中任选一个与非门，它的两个输入端A、B分别接两个逻辑开关，由开关提供输入的高、低电平，输出端接指示灯，由指示灯的亮、灭表示输出的高、低电平。改变开关的状态，观察指示灯的变化，记录在表1-1中。2、TTL与非门的参数测试（1）ICCL、ICCH 按图1-6联接，电流表串接在电源和门之间，注意电流表的量程和极性，当所有的输入端悬空时，电流表读数即为ICCL；当所有的输入端接地时，电流表读数即为ICCH。（其值是整个集成块四个与非门电源电流之和，单个门的电源电流仅为四分之一）。则单个门的静态功耗最大Pmax=VCC*ICCL/4。记录：单个门ICCL=单个门ICCH=单个门Pmax=（2）IIL 按图1-7联接，与非门输入端中任取一个串接电流表接地，另一输入端悬空，记录电流表读数即为IIL。记录：单个门IIL=（3）IIH按图1-8联接，与非门输入端中任取一个串接电流表接电源，另一输入端接地，记录电流表读数即为IIH。记录：单个门IIH=图1-6 图1-7 图1-8 图1-9 三态门应用电路3、OC与非门实现线与功能1) 调节上拉电阻RP，使74LS22正常驱动6个反相器（74LS04），其中VCC=5V，记录的RPmin范围的数值。2) 参考图1-3所示电路的线与功能，实现逻辑功能： 4、将74LS126中三态门按图1-9连接，先使两个控制端均为0，然后轮流使其中一个为1（注意不允许同一时刻有两个以上控制端同时为1）。在门的输入端分别加不同频率的方波信号（例如f1=5KHz及f2=100Hz），观察并记录输出F的波形。五、实验思考1、与非门输入端悬空可以看成逻辑“1”还是逻辑“0”？2、在什么情况下与非门输出高电平或低电平？其电压值分别等于多少？3、TTL门的输出端可短接电源或接地吗？TTL门的输出端能否并联使用？实验二 数据选择器应用一、实验目的1、掌握数据选择器基本电路的构成及电路原理。2、掌握数据选择器的逻辑功能和它的测试方法。3、掌握应用数据选择器组成其它逻辑电路的方法。二、实验设备与器件序号仪器或器件名称型号或规格数量1数字逻辑电路实验箱1274LS1512374LS041474LS001三、实验原理数据选择功能是指通过选择，把多个通道的数据传送到唯一的公共数据通道上。实现数据选择功能的逻辑电路称为数据选择器。它可被看作一个多输入、单输出的单刀多掷开关，所以数据选择器也可以称为多路开关，是又一种重要的组合逻辑部件。在控制端的作用下，数据可以实现从多路数据传输中选择任何一路信号输出，选择的控制由特设的端口编码决定，称为地址码，数据选择器可以完成多路信号的分时传输、组合逻辑函数的构成、数据的并-串转换和译码等功能。 本实验采用的逻辑器件为TTL的74LS151，它为互补输出的8选1数据选择器，外形为双列直插，引脚排列如图2-1所示，逻辑符号如图2-2所示。其中D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7为8个数据输入端；具有2个互补输出端，Q为同相输出端，为反相输出端 ；A0、A1、A2为数据选择器的3个控制端（地址码）；为使能端，低电平有效。74LS151的功能表见表2-1。 图2-1 74LS151引脚排列图 图2-2 74LS151逻辑符号表2-1 74LS151的功能表输 入输 出A2A1A0Q1010000D00001D10010D20011D30100D40101D50110D60111D7四、实验内容1、验证74LS151的逻辑功能 地址端A0、A1、A2，数据端D0D7，使能端接逻辑开关，输出端Q接逻辑电平显示器，按74LS151功能表逐项进行测试，记录测试结果。2、用8选1数据选择器74LS151设计3输入多数表决电路。3、用二片8选1数据选择器和TTL与非门实现函数：F（A，B，C，D）=m（1，5，6，7，9，11）。（Di=0或1）4、实现并行数据到串行数据的转换，如图2-3所示图2-3并行数据到串行数据转换图五、实验思考怎样用一块74LS151构成16选1电路？实验三 全加器应用一、实验目的1、 掌握74LS283全加器的逻辑功能和特点。2、了解算术运算电路的结构。3、学习全加器的应用。二、实验设备与器件序号仪器或器件名称型号或规格数量1数字逻辑电路实验箱1274LS2832374LS041474LS861574LS001三、实验原理图3-1 74LS283引脚图 图3-2 74LS283逻辑功能图全加器是一种广义名称，就其电路的结构而言，它是一种二进制运算的单元电路。从器件角度看，它是一种最基本的二进制算术运算器件。实际的加法运算，必须同时考虑由低位的进位，这种由被加数、加数和一个来自低位的进位数三者相加的运算称为全加运算。执行这种运算的器件称为全加器。本实验采用的逻辑器件为4位全加器，即TTL双极型数字集成电路74LS283，它是组合逻辑电路，特点是超前进位，因此运算速度很快，其外形为双列直插，引脚排列如图3-1所示，逻辑符号如图3-2所示。它有两组4位二进制数输入A4A3A2A1、B4B3B2B1，一个向最低位的进位输入端CI，有一组二进制数输出S4S3S2S1，一个最高位的进位输出端C4，算术加法运算关系式见上所列。利用74LS283可以实现一些算术运算。（1）两个4位二进制数相加 因为74LS283本身是全加器，所以可以直接进行4位二进制数加法，例如令：A4A3A2A1=1000，B4B3B2B1=1001，CI=0，则输出为C4S4S3S2S1=10001。有些码组变换存在加法关系，如8421BCD码转换至余3码，只要在8421BCD码基础上加3（0011）即可实现变换。 （2）两个4位二进制数相减两个4位二进制数相减可以看做两个带符号的4位二进制数相加，即原码的相减变为补码的相加，而正数的补码就是本身，负数的补码是反码加1，这样，A-B=A+（-B），就可利用74LS283实现减法运算。A数照常输入，B数通过反相器输入，加1可以使CI=1得到，这样输出的结果就是两数之差，但是这个结果为补码，要通过C4来判别结果的正负。例如6-3（原码0110-0011）转化为补码相加0110+1101=10011这里C4=1，结果为正数，补码0011等于原码，即结果为+3；而3-6（原码0011-0110）转化为补码相加0011+1010=01101这里C4=0，结果为负数，补码1101还要再求补一次才能得到正确的原码，1101求补为0011，即结果为-3。按习惯，把CO通过非门作为符号位。逻辑电路见图3-3。其中，74LS86引脚排列如图3-4所示，逻辑符号如图3-5所示。74LS04引脚排列如图3-6所示，逻辑符号如图3-7所示。图3-3实现两个4位二进制数减法电路图图3-4 74LS86引脚图 图3-5 74LS86逻辑功能图 图3-6 74LS04引脚图 图3-7 74LS04逻辑功能图图3-8 用74LS283实现8位二进制加法电路图四、实验内容1、用二片4位二进制加法器实现8位二进制加法用两块74LS283完成级联，逻辑电路见图3-8。分别用17个开关表示输入A、B及CI，这17个开关按次序从左到右代表A8A7A6A5A4A3A2A1、B8B7B6B5B4B3B2B1、CI，输出分别接9个指示灯，也是按次序从左到右代表C8S8S7S6S5S4S3S2S1。改变开关状态，观察9个指示灯的变化，记录四组数据： 表3-1A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 B8 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 C8 S8 S7 S6 S5 S4 S3 S2 S1 0 0 1 1 1 0 0 10 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 10 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 01 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 12、实现码组转换利用上述实验电路，在A处输入8421BCD码，B和CI选取适当值，输出S4S3S2S1，要求是余3码。依此改变A，观察指示灯的变化，记录：表3-28421BCD码余3码0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 13、实现两个4位二进制数的减法直接利用74LS283器件，分别用9个开关表示输入A、B及CI，这9个开关按次序从左到右代表A4A3A2A1、B4B3B2B1、CI，输出分别接5个指示灯，也是按次序从左到右代表L5L4L3L2L1。改变开关状态，观察5个指示灯的变化，记录四组数据：表3-3A4 A3 A2 A1B4 B3 B2 B1CI L5 L4 L3 L2 L10 1 1 10 0 1 10 0 1 10 1 1 11 0 0 10 1 0 00 1 0 01 0 0 1五、实验思考如何利用全加器74LS283实现余3码至8421BCD码的转换？实验四 组合逻辑电路的设计一、实验目的1、掌握组合逻辑电路的一般设计方法。2、 掌握基本门电路在组合逻辑电路中的作用。3、 掌握各种逻辑门的应用。二、实验设备与器件序号仪器或器件名称型号或规格数量1数字逻辑电路实验箱12数字万用表1374LS001474LS041574LS101674LS201三、实验原理根据给出的实际逻辑问题，求出实现这一逻辑功能的最简单逻辑电路，这就是设计组合逻辑电路时要求完成的工作。组合电路设计的一般步骤下：1、根据任务要求列出真值表；2、通过对卡诺图或逻辑表达式的化简，得出最简的逻辑函数表达式；3、简化和变换逻辑表达式，从而画出逻辑图。至此，原理性设计基本完成。以上设计过程中，逻辑问题最关键，如果题意理解错误，则设计出来的电路就不能符合要求；同时，逻辑函数的化简也是一个重要的环节，通过化简，可以用较少的逻辑门实现相同的逻辑功能，这样一来，就降低成本、节约器件及增加电路可靠性，随着集成电路的发展，化简的意义已经演变成为怎样使电路最佳，所以，设计中必须考虑电路的稳定性，即有无竞争冒险现象，竞争冒险会影响电路的正常工作，如果设计的电路有竞争冒险现象，则需要采用合适的方法予以消除。常见的中规模组合电路器件很多，其中74LS20（4输入二与非门）引脚排列如图4-1所示，逻辑符号如图4-2所示。本实验主要用小规模门电路来模拟，并验证之。图4-1 74LS20引脚图 4-2 74LS20 逻辑功能图四、实验内容1、 设A、B、C为某保密锁的3个按键，当A键单独按下时，锁既不打开也不报警；只有当A、B、C或者A、B或者A、C分别同时按下时，锁才能被打开，当不符合上述组合状态时，将发出报警信息，试用与非门设计此保密锁的逻辑电路。2、试用TTL与非门电路，设计3位奇校验（07）电路。*3、一热水器如图4-3所示，图中虚线表示水位，A、B、C电极被水浸没时会有信号输出。水面在A、B间时为正常状态，绿灯G亮；水面在B、C间或A以上时为异常状态，黄灯Y亮；水面在C以下为危险状态，红灯R亮。试用与非门设计实现该逻辑功能的电路。图4-3 热水器示意图五、实验思考 1、冒险会不会影响组合电路的正常工作？2、最简的组合电路是否就是最佳的组合电路？实验五 触发器计数器应用一、实验目的1、了解并掌握触发器的逻辑功能及触发特性。2、了解计数器的基本结构。3、熟悉中规模计数器的逻辑功能及其应用。4、 了解译码、显示器件的使用。二、实验设备与器件序号仪器或器件名称型号或规格数量1数字逻辑电路实验箱1274LS741374LS1121474LS902574LS481674LS001三、实验原理1、触发器触发器是各种时序逻辑电路的基本器件之一，虽然它也是由多个门电路组成，但是电路内部存在输出对输入的信号正反馈作用，使得触发器具有记忆功能。触发器广泛应用于现代数字电路与逻辑系统中，它的品种也是多种多样的，按逻辑功能分，有R-S触发器、J-K触发器、D触发器、T触发器等，按电路结构分，有基本触发器、钟控触发器、主从触发器、边沿触发器等。图5-1是上升沿触发的双D边沿触发器74LS74的引脚排列图，它有两个D触发器，图5-2是下降沿触发的J-K边沿触发器74LS112的引脚排列图，它有两个J-K触发器。图5-1 74LS74引脚排列图 图5-2 74LS112引脚图2、计数器计数器是一种能够统计输入脉冲个数的时序电路，计数器应用广泛，种类繁多，按时钟输入的方式不同分，有同步和异步两类；按计数模值分，有二进制、十进制和任意进制；按算术运算功能分，有加法、减法和可逆（双向）之分。图5-3 74LS90引脚图 图5-4 74LS90逻辑符号图表5-1 74LS90功能真值表输 入输 出 R1 R2 P1 P2Q3 Q2 Q1 Q01 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 00 0 0 01 0 0 11 0 0 1 计 数 计 数 计 数 计 数目前常用的计数器都已有成品，一般来说，除计数外，它们还具备清零或预置功能，本实验采用的计数器为TTL的74LS90，是一块二-五-十进制异步计数器，外形为双列直插，引脚排列如图5-3所示，图中的NC表示此脚为空脚，不接线，逻辑符号如图5-4所示。其中R1、R2为两个异步清零端，P1、P2为两个异步置9端，逻辑图中R1和R2为两个相与的复零端，计数时其中至少有一个为低电平；P1和P2是两个相与的置9端，计数时其中至少有一个为低电平。CP0、CP1为两个时钟输入端，Q0Q3为计数输出端，74LS90的功能表见表5-1，由表可知：当R1=R2=P1=P2=0时，时钟从CP0引入，Q0输出为二进制；时钟从CP1引入，Q3、Q2、Q1输出为五进制；时钟从CP0引入，而Q0接CP1，即二进制的输出与五进制的输入相连，则Q3、Q2、Q1、Q0输出为十进制（8421BCD码）；时钟从CP1引入，而Q3接CP0，即五进制的输出与二进制的输入相连，则Q0、Q3、Q2、Q1输出为十进制（5421BCD码）。要构成任意进制计数可利用异步清零端或预置端，如M=7的两种电路，见图5-5，但计数状态不一样，输出波形占空比不同，见图5-6。如果计数模值超过10，就需要多块集成电路构成。图5-5 M=7的电路图图5-6 不同计数方法的输出波形图 （a）74LS90与74LS48的连接图 （b）DS202与74LS48的连接示意图（c）74LS48引脚图 （d）数码管引脚图图 5-7 计数器、译码器及数码管的连接图3、二一十进制译码器及显示电路二一十进制译码器用于将二一十进制代码译成十进制数字，然后去驱动十进制的数字显示09十个数字。由于各种数字显示器件的工作方式不同，因而对译码器的要求也不一样。74LS48是7段字形译码器，用于共阴显示器件，可和磷砷化数码管BS201或BS202配套使用。计数器、译码器及数码管的连接如图5-7所示。 译码器74LS48通常接受从二一十进制计数器的BCD8421码Q3 Q2 Q1 Q0，输出abcdefg去点燃7段数码管相应的段，除去上述引线外，尚有灯测试输入LT，当LT=0时，不论输入A、B、C、D为何值，输出ag均为1，即显示8字，检验数码管各段能否正常工作；灭灯输入IB可以显示灯熄灭，其功能与LT恰好相反，当IB=0时，不论LT及其它输入为何值，显示灯各段均被熄灭；灭零输入IBR可以按人们的需要将显示数据中不必要的零熄灭，而在显示19时则不受影响。实际上IBR是用来熄灭多位数字前后不需要的零，例如一个8位显示器显示20.6数时，如精度达小数点后3位。则可显示成00020.600，显示前后5个零将是不必要的，利用IBR=0就可显示成20.6，便于阅读；引线图中也有灭零输出信号，