数电实验指导书2014_3讲解

1、电子技术（数字部分）实验指导书数 字 电 子 技 术实验指导书上海大学理学院物理系二一四年三月2目 录实验一 基本门电路的逻辑功能测试 1-6实验二 TTL集成门电路的逻辑功能与参数测试7-10实验三 组合逻辑电路的设计 11-12实验四 集成触发器 13-16实验五 时序逻辑电路的设计 17-18附 录 19实验一基本门电路的逻辑功能测试第一部分 THDl型数字电路实验箱使用THDl型数字电路实验箱是根据目前我国“数字电子技术”教学大纲的要求，为了配合相关课程而制作的新一代实验装置。 本实验装置主要是由一大块单面线路板制成，其正面印有清晰的图形线条、字符，使其功能一目了然。板上设有可靠的各集

2、成块插座及镀银长紫铜针管插座等几百个元器件，实验连接线采用高可靠、高性能的自锁紧插件；板上还装有信号源、逻辑笔以及控制、显示等部件，故本实验箱具有实验功能强、全，资源丰富，使用灵活，接线可靠，操作快捷，维护简单等优点。 整个实验功能板放置并固定在体积为046mX036mX014m的铁制喷塑保护箱内，实验箱净重7kg。 一、组成和使用 1实验箱的供电 实验箱的后方设有带保险丝管(05A)的220V单相电源三芯插座(配有三芯插头电源线一根)。箱内设有二只降压变压器，供四路直流稳压电源用。 2. 一块大型(435mmX325mm)单面敷铜印制线路板：正面丝印有清晰的各部件、元器件的图形、线条和字符：

3、反面则是其相应的印刷线路板图。该板上包含着以下各部分内容： (1)电源总开关(POWER 0N0FF)一只 (2)高性能双列直插式圆脚集成电路插座17只(其中40P 1只，28P 1只，24P 1只，20P 1只，18P 2只，16P 5只，14P 4只，8P 2只)。 (3)400多个高可靠的锁紧式、防转、叠插式插座。它们与集成电路插座、镀银针管座以及其它固定器件、线路等已在印制板面连接好。正面板上有黑线条连接的地方，表示反面(即印制线路板面)已接好。 这类插件，其插头与插座的导电接触面很大，接触电阻极其微小(接触电阻0003Q，使用寿命10000次以上)，在插入时略加旋转后，即可获得极大的

4、轴向锁紧力，拔出时，只要反方向略加旋转即可轻松地拔出，无需任何工具便可快捷插拔，而且插头与插头之间可以叠插，从而可形成一个立体布线空间，使用极为方便。 (4)200多根镀银长(15mm)紫铜针管插座，供实验时接插小型电位器、电阻、电容等分立元件之用(它们与相应的锁紧插座已在印刷线路板面连通)。 (5)4组BCD码二进制七段译码器CD45ll与相应的共阴LED数码显示管(它们在印刷线路板面)已连接好。 只要接通十5V直流电源，并在每一位译码器的四个输入端A、B、C、D处加入四位0000100l之间的代码，数码管即显示出09的十进制数字。 (6)4位BCD码十进制码拨码开关组 每一位的显示窗指示出

5、09中的一个十进制数字，在A、B、C、D四个输出插口处输出相对应的BCD码。每按动一次“十”或“一”键，将顺序地进行加1计数或减l计数。 若将某位拨码开关的输出A、B、C、D连接在(5)的一位译码显示的输入端口A、B、C、D处，当接通十5V电源时，数码管将点亮显示出与拨码开关所指示的一致的数字。(7)十五个逻辑开关及相应的开关电平输出插口（15Logic Switch and output of Switch 1evel）在连通+5V电源后，当开关向上拨，指向“H”，则输出口呈现高电平，相应的LED发光二极管点亮：当开关向下拨，指向“L”，则输出口呈现低电平，相应LED发光二极管熄灭。(8)十

6、五个LED发光二极管显示器及其电平输入插口（15Input of logic 1evel and display）在连通十5V电源后，当输入口接高电平时，所对应的LED发光二极管点亮：输入口接低电平时，则熄灭。(9)脉冲信号源 (Pulse Sourse)在连通+5V电源后，在输出口(Pulse output)将输出连续的幅度为35V的方波脉冲信号。其输出频率由调节频率范围波段开关(FreRang)的位置(1Hz，1KHz，20KHz)决定，并通过频率细调(FreAdj)多圈电位器对输出频率进行细调，并有LED发光二极管指示有否脉冲信号输出，当频率范围开关(FreRang)置于1Hz档时，LE

7、D发光指示灯应按1Hz左右的频率闪亮。(10)单次脉冲源 (Single pulse)在连通十5V电源后，每按一次单次脉冲按键，在输出口(和pulse output)分别送出一个负、正单次脉冲信号，并有LED发光二极管L和H用以指示。(11)三态逻辑笔 (Logic pen) 将逻辑笔的电源cc接通+5V电源，将被测的逻辑电平信号通过连接线插在输入口(Input)，三个LED发光二极管即告知被测信号的逻辑电平的高低。“H”亮表示为高电平(24V)，“L”亮表示为低电平(06V)，“R”亮表示为高阻态或电平处于06V24V之间的不高不低的电平值。注意：这里的参考地电平为“”，故不适于测-5V和-

8、15V电平。(12)直流稳压电源 (DC Sourse) 提供5V，0.5A和15V，05A四路直流稳压电源，有相应的电源输出插座及相应的LED发光二极管指示。四路输出均装有熔断器作短路保护之用。只要开启电源分开关0N0FF，就有相应的5V或15V输出。(13)其他设有实验用的报警指示两路(LED发光二极管指示与声响电路指示各一路)，继电器(Relay)一只，100KQ碳膜电位器一只，32768Hz晶振一只，按键二只，并附有充足的实验连接导线一套。二、实验内容逐一验证上一节所述第(5)至(11)项功能。三、使用注意事项1使用前应先检查各电源是否正常，检查步骤为 (1) 先关闭实验箱的所有电源开

9、关(置OFF端)，然后用随箱的三芯电源线接通实验箱的220V交流电源。(2) 开启实验箱上的电源总开关Power(置ON端)。(3) 开启两组直流电源开关DC Sourse(置()N端)，则与+5V和+15V相对应的四只LED发光二极管应点亮。(4) 接通脉冲信号源Pulse Sourse的+5V电源连线，此时与连续脉冲信号输出口(Pulse Output)相接的LED发光二极管点亮，并输出连续脉冲信号。单次脉冲源部分的“L”发光二极管应点亮，按下按键，则“灭”，“H”亮。至此，表明实验箱的电源及信号输出均属正常，可以进入实验。2接线前务必熟悉实验板上各组件、元器件的功能及其接位置，特别要熟知

10、各集成块插脚引线的排列方式及接线位置。3实验接线前必须先断开总电源与各分电源开关，严禁带电接线。4接线完毕，检查无误后，再插入相应的集成电路芯片后方可通电；只有在断电后方可拔下集成芯片，严禁带电插拔集成芯片。5实验始终，板上要保持整洁，不可随意放置杂物，特别是导电的工具和导线等，以免发生短路等故障。6本实验箱上的各档直流电源及脉冲信号源设计时仅供实验使用，一般不外接其它负载或电路。如作它用，则要注意使用的负载不能超出本电源的使用范围。7实验板上标有+5V和Vcc处是指实验时须用导线将+5V的直流电源引入该处，是电源+5V的输入插口。8实验完毕，及时关闭各电源开关(置OFF端)，并及时清理实验板

11、面，整理好连接导线并放置规定的位置。9实验时需用到外部交流供电的仪器，如示波器等，这些仪器的外壳应妥为接地。 第二部分 基本门电路的逻辑功能测试一、 实验目的1熟悉集成门电路的外型符号及引脚排列。2. 掌握TTL集成电路的使用规则。3验证基本门电路与非门、或非门、异或门的逻辑功能和掌握其测试方法。二、实验仪器与元器件1THDl型数字电路实验箱 2数字万用表 374LS02、 74LS21、 74LS86三、实验原理1.TTL集成电路使用规则1）通常TTL电路要求电源电压VCC=5V0.25V。 2）TTL电路输出端不允许与电源短路，但可以通过提升电阻连到电源级，以提高输出高电平。 3）TTL电

12、路不使用的输入端，通常有两种处理方法，一是与其它使用的输入端并联；二是把不用的输入端按其逻辑功能特点接至相应的逻辑电平上，不宜悬空。4）TTL电路对输入信号边沿的要求。通常要求其上升沿或下降沿小于50ns/v100ns/v。当外加输入信号边沿变化很慢时，必须加整形电路（如施密特触发器）。2.CMOS集成电路使用规则1）不用的输入端不允许悬空，应根据逻辑需要接DD或SS端，或将它们与使用的输入端并联，不允许悬空。2）在工作或测试时，必须先接通电源，再加入信号。工作结束后，应先撤除信号，再关闭电源。3）不可在接通电源的情况下插入或拔出组件。4）输入信号不可大于DD或小于SS。3. 图1-1是几种集

13、成门电路外型及符号；图1-2是几种集成门电路管脚排列图。四、预习要求1 了解THDl型数字电路实验箱的使用方法。2 根据实验內容，画出逻辑电路图、写出逻辑表达式、列出真值表。图1-1、 基本集成门电路外型及符号 （a）四输入二与门 （b）二输入四与非门 （C）二输入四异或门 （d）二输入端四或非门图1-2、几种门电路的管脚排列图五、实验内容1.测试与门的逻辑功能将74LS21（四输入端二与门）按图1-3接线，检查无误后接通实验箱电源，然后按表1-1中给出的输入端不同状态，测试输出端的逻辑状态，将结果填入表中。表1-1输入端输出电压V0（V）输出逻辑0 0 0 00 0 0 10 0 1 10

14、1 1 11 0 1 11 1 0 11 1 1 1图1-3. 与门测试电路 2.测试或非门的逻辑功能将74LS02（二输入端四或非门）按图1-4接线，检查无误后接通实验仪电源，按表1-2中给出的输入端不同情况，测试输出端的逻辑状态，将结果填入表中。 表.1-2输入端输出电压V0（V）输出逻辑0 01 00 11 1图图1-4、或非门测试电路3.测试异或门的逻辑功能将74LS86（二输入端四异或门）按图1-5接线，检查无误后接通实验箱电源，然后按表1-3中给出的输入端不同情况，测试输出端的逻辑状态，将结果填入表中。表1-3输入端输出电压V0（V）输出逻辑0 01 00 11 1 图1-5、异或

15、门测试电路六、实验报告要求1简述THDl型数字电路实验箱的功能和使用方法。2制表1-1、1-2、1-3，整理实验结果，将数据填入表格，并进行验证分析。实验二TTL集成门电路的逻辑功能与参数测试一、实验目的1. 掌握TTL集成与非门74LS20的逻辑功能和主要参数的测试方法。二、实验仪器与元器件数字电路实验箱74LS20 双踪示波器 信号发生器 电阻箱 数字万用表等三、实验原理本实验采用四输入双与非门74LS20，即在一个集成块内含有两个互相独立的与非门，每个与非门有四个输入端。其逻辑符号及引脚排列如图2-1（a）、（b）所示。图2-1 74LS20逻辑符号及引脚排列1、与非门的逻辑功能与非门的

16、逻辑功能是：当输入端中有一个或一个以上是低电平时，输出端为高电平；只有当输入端全为高电平时，输出才是低电平。其逻辑表达式为：2、TTL与非门的主要参数低电平输出电源电流ICCL和高电平输出电源电流ICCH。与非门处于不同的工作状态，电源提供的电流是不同的。是指所有输入端悬空，输出端空载时，电源提供器件的电流。ICCH是指输出端空载，每个门各有一个以上的输入端接地，其余输入端悬空，电源提供给器件的电流。它们的大小标志着器件静态功耗的大小。ICCL和ICCH测试电路如图2-2（a）、（b）所示。低电平输入电流IiL和高电平输入电流IiH。IiL是指被测输入端接地，其余输入端悬空，输出端空载时，由被

17、测输入端流出的电流值；IiH是指被测输入端接高电平，其余输入端接地，输出端空载时，流入被测输入端的电流值。IiL和IiH的测试电路如图2-2（c）、（d）所示。图2-2 TTL与非门静态参数测试电路图扇出系数NO扇出系数NO是指门电路能驱动同类门的个数，它是衡量门电路负载能力的一个参数，TTL与非门有两种不同性质的负载，即灌电流负载和拉电流负载，因此有两种扇出系数，即低电平扇出系数NOL和高电平扇出系数NOH。通常IiHIiL，则NOHNOL，故常以NOL作为门的扇出系数。NO的测试电路如图2-3所示。门的输入端全部悬空，输出端接灌电流负载RL，调节RL使IOL增大，VOL随之增高，当VOL达

18、到VOLm（手册中规定低电平规范值0.4V）时的IOL就是允许灌入的最大负载电流，则NOL= 通常NOL8图2-3 扇出系数测试电路图 图2-4 传输特性测试电路电压传输特性门的输出电压VO随输入电压Vi而变化的曲线称为门的电压传输特性，通常它可读得门电路的一些重要参数。测试电路如图2-4所示，采用逐点测试法，即调节RW，逐点测得VO及Vi，然后绘成曲线。四、实验内容1、验证TTL集成与非门的逻辑功能。图2-5 与非门逻辑功能测试电路按图2-5接线，门的四个输入端接逻辑电平开关输出插口，以提供“0”、“1”电平信号。门的输出端接有LED发光二极管组成的逻辑电平显示器的显示插口，LED亮为逻辑“

19、1”，灭为逻辑“0”。按表2-1的真值表逐个测试集成块集中两个与非门的逻辑功能。表2-1输入输出An Bn CnDn Y1Y200000011011110111101111011112、74LS20主要参数的测试1） 分别按图2-2、2-3接线并进行测试，将测试结果记入表2-2中。表2-2(mA)(mA)(mA)(mA)2） 按图2-4接线，调节电位器RW，使Vi从0V向高电平变化，逐点测量Vi和Vo的对应值，记入表2-3中。表2-3Vi（V）00.20.40.60.81.01.52.02.53.03.54.0VO（V）3. 观察与非门对脉冲的控制作用: 按图2-6(a)、(b)接线，在A端输

20、入f=1Kz的固定脉冲，用双踪示波器分别观察(a)、(b)状态下的输入、输出波形，并记录之。 (a) (b)图2-6 与非门对脉冲的控制作用五、实验报告1、 整理实验原理、步骤，自拟数据表格。2、 记录、整理实验结果，并对结果进行分析。3、 画出实测的电压传输特性曲线，并从中读出个有关参数值。4、 分析与非门对脉冲的控制作用。实验三组合逻辑电路的设计实验一、实验目的1 学习组合逻辑电路的设计方法。2 了解组合逻辑电路中的竞争冒险的分析方法。3 掌握组合逻辑电路的调试方法。二、实验仪器与元器件数字电路实验箱74LS系列集成电路芯片三、实验原理1概述：组合逻辑电路又称组合电路，组合电路的输出只决定

21、于当时的外部输入情况，与电路过去状态无关。因此，组合电路的特点是无“记忆性”。在组成上组合电路的特点是由各种门电路连接而成，而且连接中没有反馈线存在。所以各种功能的门电路就是简单的组合逻辑电路。组合逻辑电路的输入信号和输出信号往往不止一个，其功能描述方法通常有函数表达式、真值表、卡诺图和逻辑图等几种。组合逻辑电路的分析与设计方法，是立足于小规模集成电路分析和设计的基本方法之一。2组合逻辑电路的分析方法分析的任务是：弄清楚设计的要求，对给定的事件求解其逻辑功能，即求出该电路的输出与输入之间的逻辑关系，通常是用逻辑式或真值表来描述，有时也加上必须的文字说明。3组合逻辑电路的设计方法设计步骤：（1）

22、根据设计要求列出真值表。（2）逐级写出逻辑表达式，最后得到输出逻辑变量与输入逻辑变量之间的逻辑函数表达式。（3）简化逻辑函数表达式。（4）用标准器件（门电路、MSI组合电路）实现简化后的逻辑函数。四、实验内容完成以下逻辑设计：1某一机械装置有四个传感器A、B、C、D，如果传感器A的输出为1，同时B、C、D三个中有两个也为1，则整个装置处于正常工作状态，F=0；否则装置工作异常，F=1，报警设备应发出音响声。试设计驱动报警设备的逻辑电路。2. 只允许用不超过三枚的74LS00芯片组成实验电路，并验证逻辑功能。五、实验步骤1列出真值表：ABCDF2画出卡诺图。3在卡诺图上合并相邻最小项，写出化简的

23、逻辑表达式。4根据逻辑表达式画出实现设计要求的逻辑电路图。5在数字电路实验箱上搭建实验电路并验证其逻辑功能。六、实验报告1列出实验任务的设计过程，画出设计的电路原理图。2写出对照真值表所验证的测试记录，说明实验结果。 实验四 集成触发器一、 实验目的1、掌握常用触发器的逻辑功能及测试方法。2、熟悉各种触发器之间的相互转换方法。二、 实验仪器与元器件数字电路实验箱 74LS00 74LS74 74LS112 三、 实验原理触发器是组成时序逻辑电路的最基本的单元电路，不仅作为独立的集成元件被大量使用，而且还是组成计数器、移位寄存器或其它时序电路的基本电路。触发器按其电路结构可分为钟控式、维持阻塞式

24、、主从式和边沿触发式；按其触发方式可分为电平触发和边沿触发两种。因此，熟悉各类触发器的功能，掌握和熟悉地应用各种集成触发器，就显得十分必要和重要。1、 基本RS锁存器基本RS锁存器是一种最简单的触发器。它由两个门交叉耦合而成。使用两个二输入的与非门便可构成电路。它的特征方程是：2、D触发器D触发器是一种边沿触发器，广泛应用于数据锁存和控制电路中，是组成移位、计数和分频电路的基本逻辑单元，它的特征方程是： 3、JK触发器JK触发器也是一种边沿触发器。它功能完备，使用灵活，通用性强。JK触发器广泛应用于记数、分频、时钟脉冲发生等电路中，它的特征方程是：四、 实验内容1、基本RS锁存器逻辑功能测试用

25、74LS00按图4-1构成基本RS锁存器，测试其逻辑功能，并将结果记录于表4-1中。、端电平用数据开关提供，输出电平用逻辑指示器显示。根据实验结果，总结出基本RS锁存器的特性方程。0001010110011101图4-1表4-12、测试双D触发器74LS74的逻辑功能图4-2（a）是74LS74引脚排列图，CP、PR、和D端连接逻辑开关，输出电平用逻辑指示器显示。测试其逻辑功能，并将结果记录于表4-2中。根据实验结果，总结出D触发器的特性方程。 （a） （b）图4-2 74LS74、74LS112引脚排列输入输出0101100111101110010001输入输出010110011100011

26、101011110011111010001表4-2表4-3 3、测试双JK触发器74LS112逻辑功能图4-2（b）是74LS112引脚排列图，、和J、K端连接逻辑开关，输出电平用逻辑指示器显示。测试其逻辑功能，并将结果记录于表4-3中。根据实验结果，总结出JK触发器的特性方程。4、将集成JK触发器转换成T型触发器 将JK触发器的J、k两端连在一起，并认它为T端，就得到所需的T触发器。如图4-3(a)所示，其状态方程为： Qn+1 Tn Qn (a) T触发器 (b) T触发器图4-3 JK触发器转换为T、T触发器T触发器的功能如表44。表44输 入输出DDCPTQn1011100110Qn1

27、11n图44 D触发器转换成 T触发器由功能表可见，当T0时，时钟脉冲作用后，其状态保持不变；当T1时，时钟脉冲作用后，触发器状态翻转。所以，若将T触发器的T端置“1”，如图4-3(b)所示，即得T触发器。在T触发器的CP端每来一个CP脉冲信号，触发器的状态就翻转一次，故称之为反转触发器，广泛用于计数电路中。同样，若将D触发器 端与D端相连，便转换成T触发器。如图44所示。 五、实验报告1、列表整理各类触发器的逻辑功能。2、说明各类触发器的触发方式。实验五 时序逻辑电路的设计一、实验目的 熟悉同步时序逻辑电路的一般分析、设计方法 熟悉移位寄存器和异步计数器的逻辑功能二、实验仪器与元器件数字电路实验箱 74LS00 74LS74 三、实验原理时序逻辑电路即电路的输出信号不仅是该时刻输入信号的函数，而且也与该时刻以前的输入状态有关。这种电路具有记忆功能，有反馈回路。时序逻辑电路设计的任务是，根据实际问题提出的逻辑要求，设计出能实现该逻辑功能的经济、合理和实用的电路。根据不同的具体情况，可分别采用大、中、小规模器件来