数字电路实验指导书

《数字电子技术》实验指导书电子电气工程系前言数字电路是电子类专业的基本课程，是后继课程的基础，因此这门课的作用和地位是不言而喻的。数字电路基础实验是学生掌握好这门课程，透彻理解教材的重要环节。本实验课程的开设强调学生的基本动手能力，对数字电路的基本概念的理解能力和基本原理的灵活应用能力。主要在于为后继课程的开设打下坚实的基础。本实验课程讲义是为了进一步使学生透彻理解教材，把握基本原理，培养基本动手能力，为后继课程的顺利进行而开设。目的是使学生掌握数字电路的基本原理，了解常见基础数字单元的设计和工作原理，从基本电路设计中培养起基本动手能力。本实验指导书设置的具体实验项目有：译码器、数据选择器、触发器、计数器、移位寄存器、脉冲分配器、自激多谐震荡器、脉冲延时与波形整形电路、555时基电路。其中安排有设计和综合实验要求，可按教学计划选作。考虑到初学者刚接触数字电路时验证、设计实验有一定困难，讲义中给出了相应框图和有关芯片的引脚说明，为了培养同学们的创新精神和实践能力，要求同学们一定要独立思考，自己动手实践，本讲义仅作参考以启迪思路，希望学生用不同的方法实现数字电子技术实验要求的功能。本讲义采用了天煌的实验仪器，做实验时首先要清楚实验台的电路模块结构、正确操作方法、以便正确验证和设计实验要求的电路，在实验台上顺利调试通过。本次编写参考了天煌实验教仪原有的实验内容，由于本书编写时间仓促，水平有限，书中难免有许多疏漏和错误之处，欢迎各位老师和同学批评指正，提出改进的意见。电子电气工程系2006年11月目录一、实验一组合逻辑电路的设计与测试--------------01二、实验二译码器及其应用---------——-----------04三、实验三数据选择器及其应用--------------------11四、实验四触发器及其应用------------------------17五、实验五计数器及其应用------------------------24六、实验六移位寄存器及其应用--------------------28七、实验七脉冲分配器及其应用--------------------35八、实验八555时基电路及其应用------------------401实验一组合逻辑电路的设计与测试一、实验学时：2学时二、实验类型：设计性三、开出要求：必修四、实验目的：在掌握基本门电路组成的集成芯片基础上，掌握组合逻辑电路的设计与测试方法。五、实验原理、实验内容、方法和手段及实验组织运行要求：（一）实验原理使用中、小规模集成电路来设计组合电路是最常见的逻辑电路。设计组合电路的一般步骤如图1-1所示。设计要求真值表逻辑表达式卡诺图简化逻辑表达式逻辑图图1-1组合逻辑电路设计流程图根据设计任务的要求建立输入、输出变量，并列出真值表。然后用逻辑代数或卡诺图化简法求出简化的逻辑表达式。并按实际选用逻辑门的类型修改逻辑表达式。根据简化后的逻辑表达式，画出逻辑图，用标准器件构成逻辑电路。最后，用实验来验证设计的正确性。（二）实验内容举例：用“与非”门设计一个表决电路。当四个输入端中有三个或四个为“1”时，输出端才为“1”。设计步骤范例：1、根据题意列出真值表如表1-1所示，再添入卡诺图表1-2中。表1-1D0000000011111111A0000111100001111B0011001100110011C0101010101010101Z00000001000101112表1-2DABC0001111000011111111012、由卡诺图得出逻辑表达式，并演化成“与非”的形式ZABCBCDACDABDABCBCDACDABD3、根据逻辑表达式画出用“与非门”构成的逻辑电路如图1-2所示。&&&&&ABCBCDACDABDZ图1-2表决电路逻辑图4、用实验验证逻辑功能在实验装置适当位置选定三个14P插座，按照集成块定位标记插好集成块CC4012。按图5-2接线，输入端A、B、C、D接至逻辑开关输出插口，输出端Z接逻辑电平显示输入插口，按真值表（自拟）要求，逐次改变输入变量，测量相应的输出值，验证逻辑功能，与表5-1进行比较，验证所设计的逻辑电路是否符合要求。（三）实验方法和手段先集中讲授实验的基本原理、操作过程、注意事项，再由学生自主操作，具体问题采用个别指导的形式来解决实际问题；针对独立完成的设计，需写出具体的设计方案，在自主实际操作中遇到的问题，可以给予相关提示。六、实验设备与器件1、+5V直流电源2、逻辑电平开关3、逻辑电平显示器4、直流数字电压表5、CC4011×2（74LS00）CC4012×3（74LS20）CC4030（74LS86）CC4081（74LS08）CC4085×2（74LS54）CC4001（74LS02）七、实验步骤：（一）设计用与非门及用异或门、与门组成的半加器电路。31、要求按本文所述的设计步骤进行，直到测试电路逻辑功能符合设计要求为止。1）根据题意列出真值表。2）由卡诺图得出逻辑表达式，并演化成“与非”的形式。3）根据逻辑表达式画出用“与非门”构成的逻辑电路图。4）用实验验证逻辑功能。（二）设计一个两位二进制全加器，要求用异或门、与门、或门组成。具体设计步骤同上。（三）设计一个对两个两位无符号的二进制数进行比较的电路：根据第一个数是否大于、等于、小于第二个数，使相应的三个输出端中的一个输出为“1”，要求用与门、与非门及或非门实现。具体设计步骤同上。八、思考问题：1、根据实验任务要求设计组合电路，并根据所给的标准器件画出逻辑图。2、如何用最简单的方法验证“与或非”门的逻辑功能是否完好？3、“与或非”门中，当某一组与端不用时，应作如何处理？九、实验成绩评定办法：主要评分点：原理描述（5分）、实验流程（5分）、调试过程（10分）、数据记录（5分）、解决问题的能力（10分）、资料搜集（5分）、实验结果与效果（10分）、实验报告（50分）。十、其它说明：注：四路2-3-3-2输入与或非门74LS54，封装引脚和逻辑图如图1-3和1-4所示：74LS54VCCJIHGFABCDEYGND1&&&&Y612345910111213ABCDEFGHIJ图1-374LS54引脚排列图图1-474LS54的逻辑图逻辑表达式如下：YABCDEFGHIJ4实验二译码器及其应用一、实验学时：3学时二、实验类型：验证性三、开出要求：必修四、实验目的：通过本实验的学习，使学生掌握中规模集成译码器的逻辑功能和使用方法，熟悉数码管的使用，培养学生的分析、设计组合电路的技能，为今后继续学习时序电路的分析和设计奠定基础。五、实验原理、实验内容、方法和手段及实验组织运行要求：（一）实验原理译码器是一个多输入、多输出的组合逻辑电路。它的作用是把给定的代码进行“翻译”，变成相应的状态，使输出通中相应的一路有信号输出。译码器在数字系统中有广泛的用途，不仅用于代码的转换、终端的数字显示，还用于数据分配，存贮器寻址和组合控制信号等。不同的功能可选用不同种类的译码器。译码器可分为通用译码器和显示译码器两大类。前者又分为变量译码器和代码变换译码器。1、变量译码器（又称二进制译码器）变量译码器用以表示输入变量的状态，如2线-4线、3线-8线和4线-16线译码器。若有n个输入变量，则有2n个不同的组合状态，就有2n个输出端供其使用。而每一个输出代表的函数对应于n个输入变量的最小项。以3线-8线译码器74LS138为例进行分析，图1-1（a）、（b）分别为其逻辑图及引脚排列。Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7A0A1A2S1S2S374LS138A0A1A2S1S2S3Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7GNDVCC16123456879101112131415+5V图2-13-8译码器74LS138逻辑图及引脚排列其中A2、A1、A0为地址输入端，7~YY为译码输出端，当XSSS3210，时，或1321SSXS，时，译码器被禁止，所有输出同时为1。5表2-1输入输出S132SSA2A1A00Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y10000011111111000110111111100101101111110011110111111010011110111101111111011101001111110110111111111100××1×111111111×××11111111二进制译码器实际上也是负脉冲输出的脉冲分配器。若利用使能端一个输入端输入数据信息，器件就成为一个数据分配器（又称多路分配器）图1-2所示。若在S1输入端输入数据信息，032SS，地址码所对应的输出是S1数据信息的反码；若从2S端输入数据信息，令0131SS，，地址码所对应的输出就是2S端数据信息的原码。若数据信息是时钟脉冲，则数据分配器便成为时钟脉冲分配器。根据输入地址的不同组合译出唯一地址，故可用作地址译码器。接成多路分配器，可将一个信号源的数据信息传输到不同的地点。二进制译码器还能方便地实现逻辑函数，如图1-3所示，实现的逻辑函数是ABCBCACBAABCZ74LS138A0A1A2S1S2S3Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7GNDVCC16123456879101112131415地址输入数据输入分配器输出+5V74LS138A0A1A2S1S2S3Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7GNDVCC16123456879101112131415ABC+5V&Z+5V图2-2作数据分配器图2-3实现逻辑函数利用使能端能方便地将两个3/8译码器组合成一个4/16译码器，如图1-4所示。674LLS138(1)Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7A0A1A2S1S2S374LLS138(2)Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7A0A1A2S1S2S3Y0Y7Y8Y15+5VD0D1D2D37910111213141512345679101112131415123456VCCGNDVCCGND+5V161688图2-4用两片74LS138组合成4/16译码器2、数据显示译码器a、七段发光二极管（LED）数码管LED数据管是目前最常用的数字显示器，图1-5（a）、（b）为共阴管和共阳管的电路，（c）为两种不同出线形式的引出脚功能图。abcdefghMabcdefghM(a)共阴连接（“1”电平驱动）（b）共阳连接（“0”电平驱动）aabbccddeeffgghh__MMaabbccddeeffgghhMM++（c）符号及引脚功能图2-5LED数码管一个LED数码管可用来显示一位0~9十进制数和一个小数点。小型数码管（0.5寸和0.36寸）每段发光二极管的正向压降，随显示光（通常为红、绿、黄、橙色）的颜色不同略有差别，通常约为2~2.5V，每个发光二极管的点亮电流在5~10mA。LED数码管要显示BCD码所表示的十进制数字就需要有一个专门的译码器，该译码器不但要完成译码功能，还要有相7当的驱动能力。b、BCD码七段译码驱动器此类译码器型号有74LS47（共阳），74LS48（共阴），CC4511（共阴）等，本实验系采用CC4544BCD码锁存/七段译码/驱动器。驱动共阴极LED数码管。图1-6为CC4511引脚排列12345678910111213141516abcdefgABCDVDDVSSLEBILTCC4511图2-6CC4511引脚排列其中A、B、C、D——BCD码输入端a、b、c、d、e、f、g——译码输出端，输出“1”有效，用来驱动共阴极LED数码管。LT——测试输入端，LT=“0”时，译码输出全为“1”BI——消隐输入端，BI=“0”时，译码输出全为“0”LE——锁定端，LE=“1”时译码器处于锁定（保持）状态，译码输出保持在LE=0时的数值，LE=0为正常译码。表2-2为CC4511功能表。CC4511内接上拉电阻，故只需在输出端与数码管笔段之间串入限流电阻即可工作。译码器还有拒伪码功能，当输入码超过1001时，输出全为“0”，数码管熄灭。8