《数字逻辑》实验指导书10计科专业Word文档下载推荐.docx
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单次脉冲源有正脉冲输出和负脉冲输出两种,按下S201就会产生一个正的或负的脉冲,它与按下的时间长短无关。
当要使用这一个模块中的信号源时,只需要将其接入相应的输入端,对该模块上电(按POWER201)即可。
按下箱体右侧的交流开关,电源单元的直流指示灯亮了,表明电源部分正常工作。
2、逻辑电平输出
此模块的主要功能是提供高低电平。
当需要一个高电平时,将拨位开关拨上即可,同样需要一个低电平将拨位开关拨下即可。
3、逻辑电平显示
它的主要作用是对输出电平的高低进行显示,如果发光二极管发光,则对应的输出为高电平,相反发光二极管不发光,则对应的输出为低电平。
4、可调电位器部分
此部分提供1K,10K,50K,100K四个可调电位器,可供实验中使用。
5、LED模块共阴数码管和共阳数码管
实验箱上提供的TOS5101AH为共阴数码管,TOS5101BH为共阳数码管,从左下脚开始数为第1脚,引脚数按照逆时针方向递增,它们的第3脚和第8脚为公共端。
实验箱上提供了8个孔,这8个孔的对应标号已经给出。
此模块设计力求灵活可变,当需要两个共阴的数码管时,只需将共阳数码管拔起,换上共阴数码管即可,同样需要两个共阳数码管,只需将共阴数码管拔起,换上共阳数码管。
另外还可以做共阴共阳数码管的单独实验。
本实验箱提供的是高亮型数码管,它的点亮电流为1~3mA。
6、DIP插座部分和面包板
DIP自锁紧式插孔部分:
ZY11DC11BE实验板上有1个DIP8,4个DIP14,2个DIP16,2个DIP20,1个DIP40(可以把DIP40当成元件库部分),它们在实验箱上对应的标号依次为IC8,IC14,IC16,IC20,IC40。
细心的学生可以发现在板上IC40处有60个插针,中间一排20个插针与上面一排20个插针是连通的。
实验中如果需要插入电阻电容可插在下面两排插针之间,从相应的孔中引出连线。
本实验箱还提供了面包板,面包板的上方有两个小的插孔分别是5V和GND,可以通过两根跳线把5V和GND分别引入面包板的最右排和最左排的插孔中,这样电源和地就引入到面包板上。
7、地插孔和测试钩
为了方便测试,本实验箱在一些地方放置了一些GND插孔和测试钩。
在测试信号的时候需要把负极接地时,就可以把相应的负极插入或者钩住这些标有GND的插孔或测试钩,根据这些插孔和测试钩的分布,应当可以方便的测试本实验箱的信号。
如果你使用示波器又不想频频的更换负极接线口,你可以用一根线把实验箱上的GND引出,再用探头的负极夹住此引出线。
8、选配集成芯片
本实验箱配备了一套能够做本实验指导书所涉及的所有集成芯片,可供购买时选择。
三、系统组成见下表
固定信号源单元
1MHz、100KHz、10KHz,1KHz,100Hz,10HZ,1Hz
显示单元
七段共阴和共阳数码块,一组8位数据指示灯
开关控制电路
两路单脉冲触发电路,8个二进制拨动开关
通用实验电路
1块进口面包板,4个14P,2个16P和20P,1个8P和40P的自锁紧式插槽
系统电源
+5V(有过流保护功能)
表1实验箱组成表
四、实验注意事项
1、电源的打开顺序是:
先开交流开关(实验箱右侧船形开关),需要用到信号源模块时,再打开信号源模块的开关(POWER201)。
如果不需要使用信号源模块最好关掉信号源部分的开关。
电源关掉的顺序刚好与此相反。
2、在实验之前请学生认真看附录一:
常用门电路和触发器的使用规则。
3、切忌在实验中带电连接线路,正确的方法是断电后再连线,进行实验。
4、实验箱主电路板上所有的芯片出厂时已全部经过严格检验,因此在做实验时切忌随意插拔芯片。
5、实验箱中的叠插连接线的使用方法为:
连线插入时要垂直,插入后稍做旋转,切忌用力,拔出时用手捏住连线靠近插孔的一端,然后左右旋转几下,连线自然会从插孔中松开、弹出,切忌用力向上拉线,这样很容易造成连线和插孔的损坏。
6、实验中应该严格按照老师的要求和实验指导书来操作,不要随意乱动开关、芯片及其它元器件,以免造成实验箱的损坏。
7、IC插座的40PIN插座中,可以在下面的两排分别有20脚的插座中插上相应芯片,只需管脚对应即可;
也可以插上40PIN芯片;
但切忌不要在上面两排插座装用芯片作实验,因为它们是连通的。
8、如果在实验中由于操作不当或其它原因而出现异常情况,如数码管显示不稳,闪烁,芯片发烫等,首先立即断电,然后报告老师,切忌无视现象,继续实验,以免造成严重后果。
9、不要将逻辑电平输出模块的输出直接接共阴或共阳数码管。
TTL与CMOS功能相同芯片对照表
74LS00CC4011二输入端四与非门
74LS02CC4001二输入端四或非门
74LS03二输入端四与非门(OC)
74LS04CC4069六反相器
74LS08CC4081二输入端四与门
74LS10CC4023三输入端三与非门
74LS20CC4012四输入二与非门
74LS32CC4071二输入端四或门
74LS86CC4030二输入端四异或门
74LS74CD4013双D触发器
74LS112CD4027双J-K触发器
74LS151八选一数据选择器
74LS192CC40192同步十进制可逆计数器
74LS194CC40194四位双向通用移位寄存器
74LS854位幅度比较器
74LS125四总线缓冲门
74LS161同步4位二进制计数器
CC4085双2路2输入与或非门
CC40106六施密特触发器
HEF4528双可重触发单稳态触发器
数字电路实验基本知识
中、小规模数字IC中最常用的是TTL电路和CMOS电路。
TTL器件型号以74(或54)作前缀,称为74/54系列,如74LS10、74F181、54S86等。
中、小规模CMOS数字集成电路主要是4XXX/45XX(X代表0-9的数字)系列,高速CMOS电路HC(74HC系列),与TTL兼容的高速CMOS电路HCT(74HCT系列)。
TTL电路与CMOS电路各有优缺点,TTL速度高,CMOS电路功耗小、电源范围大、抗干扰能力强。
由于TTL在世界范围内应用极广,在数字电路教学实验中,主要使用TTL74系列电路作为实验用器件。
数字IC器件有多种封装形式。
为了教学实验方便,实验中所用的74系列器件封装选用双列直插式。
双列直插式封装有以下特点:
1、正面(上面)看,器件一端有一个半园的缺口,这是正方向的标志。
缺口左边的引脚号为1,引脚号按逆时针方向增加。
双列直插式封装IC引脚数有8、14、16、20、24、28等若干种。
2、双列直插器件有两列引脚。
引脚之间的间距是2.54毫米。
两列引脚之间的距离能够稍作改变,引脚间距不能改变。
将器件插入实验台上的插座中去或者从插座中拔出时要小心,不要将器件引脚搞弯或折断。
3、74系列器件一般右下角的最后一个引脚是GND,左上角的引脚是Vcc。
例如,14引脚器件引脚7是GND,引脚14是Vcc;
20引脚器件引脚10是GND,引脚20是Vcc。
但也有一些例外,例如16引脚的双JK触发器74LS76,引脚13(不是引脚8)是GND,引脚5(不是引脚16)是Vcc。
所以使用集成电路器件时要先看清楚它的引脚图,找对电源和地,避免因接线错误造成器件损坏。
本实验箱上的接线采用自锁紧插头、插孔(插座)。
使用自锁紧插头、插孔接线时,首先把插头插进插孔中,然后将插头按顺时针方向轻轻一拧则锁紧。
拔出插头时,首先按逆时针方向轻轻拧一下插头,使插头与插孔之间松开,然后将插头从插孔中拔出。
不要使劲拔插头,以免损坏插头和连线。
必须注意,不能带电插、拔器件。
插、拔器件只能在关断电源的情况下进行。
二、数字电路测试及故障查找、排除
设计好一个数字电路后,要对其进行测试,以验证设计是否正确。
测试过程中,发现问题要分析原因,找出故障所在,并解决它。
数字电路实验也遵循这些原则。
1、数字电路测试
数字电路测试大体上分为静态测试和动态测试两部分。
静态测试指的是,给定数字电路若干组静态输入值,测试数字电路的输出值是否正确。
数字电路设计好后,在实验台上连接成一个完整的线路。
把线路的输入接电平开关输出,线路的输出接电平指示灯,按功能表或状态表的要求,改变输入状态,观察输入和输出之间的关系是否符合设计要求。
静态测试是检查设计是否正确,接线是否无误的重要一步。
在静态测试基础上,按设计要求在输入端加上动态脉冲信号,观察输出端波形是否符合设计要求,这是动态测试。
有些数字电路只需要进行静态测试即可,有些数字电路则必须进行动态测试,一般地说,时序电路应进行动态测试。
2、数字电路的故障查找和排除
在数字电路实验中,出现问题是难免的。
重要的是分析问题,找出出现问题的原因,从而解决它。
一般的说,有四个方面的原因产生问题(故障):
器件故障、接线错误、设计错误和测试方法不准确。
在查找故障过程中,首先要熟悉经常发生的典型故障。
(1)器件故障
器件故障是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。
不言而喻,器件失效肯定会引起工作不正常,这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。
对于器件接插错误有时不易发现,需仔细检查。
判断器件失效的方法是用集成电路测试仪测试器件。
需要指出的是,一般的集成电路测试仪只能检查器件的某些静态特性。
对负载能力等静态特性和上升沿、下降沿、延迟时间等动态特性,一般的集成电路测试仪不能测试。
测试器件的这些参数,须使用专门的集成电路测试仪。
(2)接线错误
接线错误是最常见的错误。
据有人统计,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忘记接器件的电源和地;
连接线和插孔接触不良连线经多次使用后,有可能外面的塑料包皮完好,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模块不工作或者工作不正常,器件不工作或发热,电路中一部分工作状态不稳定等。
解决方法大致包括:
熟悉所用器件的功能及其引脚号,知道器件每个引脚的功能;
器件的电源和地一定要接对、接好;
检查连线和插孔是否接触良好;
检查连线有无错接、多接、漏接;
检查连线中有无断线。
最重要的是接线前要画出接线图,按图接线,不要凭记忆随想随接;
接线要规范、整齐,尽量走直线、短线,以免引起干扰。
(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。
因此实验前一定要理解实验要求,掌握实验线路原理,精心设计。
初始设计完成后一般应对设计进行优化。
最后画好逻辑图以及接线图。
(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。
因此要学会正确使用所用仪器、仪表。
在数字电路实验中,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,这点应引起足够的注意。
不过,在数字电路实验中,这种现象很少发生。
当实验中发现结果与预期不一致时,千万不要慌乱。
应仔细观测现象,冷静思考问题所在。
首先检查仪器、仪表的使用是否正确。
在正确使用仪器、仪表的前提下,按逻辑图和接线图逐级查找问题出现在何处。
通常从发现问题的地方,一级一级向前测试,直到找出故障的初始发生位置。
在故障的初始位置处,首先检查连线是否正确。
前面已说过,实验故障绝大部分是由接线错误引起的,因此检查一定要认真、仔细。
确认接线无误后,检查器件引脚是否全部正确插入插座中,有无引脚折断、弯曲、错插问题。
确认无上述问题后,取下器件测试,以检查器件好坏,或者直接换一个好器件。
如果器件和接线都正确,则需要考虑设计问题。
实验箱总体框图
实验一TTL门电路的逻辑功能测试
一、实验目的
1、掌握TTL器件的使用规则。
2、掌握TTL集成与非门的逻辑功能。
3、掌握TTL集成与非门的测试方法。
二、实验原理
TTL集成电路的输入端和输出端均为三极管结构,所以称作三极管、三极管逻辑电路(Transistor-TransistorLogic)简称TTL电路。
54系列的TTL电路和74系列的TTL电路具有完全相同的电路结构和电气性能参数。
所不同的是54系列比74系列的工作温度范围更宽,电源允许的范围也更大。
74系列的工作环境温度规定为0—700C,电源电压工作范围为5V±
5%V,而54系列工作环境温度规定为-55—±
1250C,电源电压工作范围为5V±
10%V。
54H与74H,54S与74S以及54LS与74LS系列的区别也仅在于工作环境温度与电源电压工作范围不同,就像54系列和74系列的区别那样。
在不同系列的TTL器件中,只要器件型号的后几位数码一样,则它们的逻辑功能、外形尺寸、引脚排列就完全相同。
TTL集成电路由于工作速度高、输出幅度较大、种类多、不易损坏而使用较广,特别对我们进行实验论证,选用TTL电路比较合适。
因此,本实训教材大多采用74LS(或74)系列TTL集成电路,它的电源电压工作范围为5V±
5%V,逻辑高电平为“1”时≥2.4V,低电平为“0”时≤0.4V。
它们的逻辑表达式分别为:
图1.2.1分别是本次实验所用基本逻辑门电路的逻辑符号图。
图1.2.1TTL基本逻辑门电路
与门的逻辑功能为“有0则0,全1则1”;
或门的逻辑功能为“有1则1,全0则0”;
非门的逻辑功能为输出与输入相反;
与非门的逻辑功能为“有0则1,全1则0”;
或非门的逻辑功能为“有1则0,全0则1”;
异或门的逻辑功能为“不同则1,相同则0”。
三、实验设备与器件
1、仪器
数字逻辑实验箱
2、器件
74LS00二输入端四与非门
74LS04六反相器
四、实验内容及实验步骤
1、测试74LS04(六非门)的逻辑功能
将74LS04正确接入DIP插座,注意识别1脚位置(集成块正面放置且缺口向左,则左下角为1脚),输入端接逻辑电平输出插口,输出端接逻辑电平显示,拨动逻辑电平开关,根据LED发光二极管亮与灭,检测非门的逻辑功能,结果填入下表中。
A
Y
1
2、测试74LS00(四2输入端与非门)逻辑功能
将74LS00正确接入DIP插座,注意识别1脚位置(集成块正面放置且缺口向左,则左下角为1脚),输入端接逻辑电平输出插口,输出端接逻辑电平显示,拨动逻辑电平开关,根据LED发光二极管亮与灭,检测非门的逻辑功能,结果填入下表中。
B
3、利用与非门组成其他逻辑门电路
⑴组成与门电路
将74LS00中任意两个与非门组成如下图所示的与门电路,输入端接逻辑电平开关,输出端接指示灯LED,拨动逻辑开关,观察指示灯LED的亮与灭,测试其逻辑功能,结果填入下表中。
与门电路连接图
与门真值表
⑵组成或门电路
将74LS00中任选三个与非门组成如下图所示的或门电路,输入端接逻辑电平开关,输出端接指示灯LED,拨动逻辑开关,观察指示灯LED的亮与灭,测试其逻辑功能,结果填入下表中。
或门电路连接图
或门真值表
⑶组成异或门电路
将74LS00中的与非门按照下图所示的电路连线,输入端接逻辑电平开关,输出端接指示灯LED,拨动逻辑开关,观察指示灯LED的亮与灭,测试其逻辑功能,结果填入下表中。
异或门电路连接图
异或门真值表
五、实验报告要求
记录整理实验结果,并对结果进行分析。
在做本实验之前一定要先仔细阅读附录一。
实验中所需器件的引脚分布图参考附录三。
逻辑电平单元拨上为高电平,拨下为低电平。
实验中所说明的Vcc在没有特别申明情况下都接5V(后同)。
实验二数据选择器及其应用
1、掌握中规模集成数据选择器的逻辑功能和使用方法。
3、学习用数据选择器构成组合逻辑电路的方法。
数据选择是指经过选择,把多个通道的数据传送到唯一的公共数据通道上去。
实现数据选择功能的逻辑电路称为数据选择器。
它的功能相当于一个多个输入的单刀多掷开关,其示意图如下:
数据选择器74LS151
74LS151是一种典型的集成电路数据选择器,它有3个地址输入端CBA,可选择D0~D7这8个数据源,具有两个互补输出端,同相输出端Y和反相输出端WN。
其引脚图如下图2-4所示,功能表如下表所示,功能表中‘H’表示逻辑高电平;
‘L’表示逻辑低电平;
‘×
’表示逻辑高电平或低电平:
74LS151的引脚图表表74LS151的功能表
74LS1518选1数据选择器
1、用八选一数据选择器设计三输入多数表决电路
⑴写成设计过程
⑵画出接线图
⑶验证逻辑功能
2、(教材P213习题4.21)用八选一数据选择器设计3个开关控制一个电灯的逻辑电路,要求改变任何一个开关的状态都能控制电灯由亮变灭或者由灭变亮。
3、(教程P65例4.2.2)用八选一数据选择器设计一个监视交通信号灯工作状态的逻辑电路。
每组信号灯均由红、黄、绿三盏灯组成。
正常工作情况下,任何时刻必有一盏灯点亮,而且只允许有一盏灯点亮。
当出现其他五种点亮状态时,电路发生故障,这是要求发出故障信号,提醒维护人员前去维修。
1、用数据选择器对实验内容进行设计、写成设计全过程、画出电路图并进行逻辑功能测试。
2、对实验结果进行分析、讨论,总结实验收获、体会,提出建议。
实验三组合逻辑电路的分析与设计
1、掌握组合逻辑电路的分析与设计方法。
2、加深对基本门电路使用的理解。
1、组合电路是最常用的逻辑电路,可以用一些常用的门电路来组合完成具有其他功能的门电路。
例如,根据与门的逻辑表达式
得知,可以用两个非门和一个或非门组合成一个与门,还可以组合成更复杂的逻辑关系。
2、分析组合逻辑电路的一般步骤是:
(1)由逻辑图写出各输出端的逻辑表达式;
(2)化简和变换各逻辑表达式;
(3)列出真值表;
(4)根据真值表和逻辑表达式对逻辑电路进行分析,最后确定其功能。
3、设计组合逻辑电路的一般步骤与上面相反,是:
(1)根据任务的要求,列出真值表;
(2)用卡诺图或代数化简法求出最简的逻辑表达式;
(3)根据表达式,画出逻辑电路图,用标准器件构成电路;
(4)最后,用实验来验证设计的正确性。
74LS00二输入端四与非门
74LS04六与非门
1、分析电路的逻辑功能,写出输出表达式,列真值表,并通过实验加以验证,说明电路功能。
2、用与非门设计一个半加器,其输入为A、B为两个加数,输出为半加和C及进位CO。
3、设计一个密码锁,锁上有三个按键A、B、C,当两个或两个以上的按键同时按下时,锁能被打开。
用逻辑电平显示灯亮来替代锁,当符合上述条件时,将使逻辑电平显示灯亮,否则灯灭。
五、实验预习要求
1、复习各种基本门电路的使用方法。
2、实验前,画好实验用的电路图和表格。
3、自己参考有关资料画出实验内容2、3、4中的原理图,找出实验将要使用的芯片,以备实验时用。
六、实验报告要求
1、将实验结果填入自制的表格中,验证设计是否正确。
2、总结组合逻辑电路的分析与设计方法。
实验四触发器R-S、J-K、T、D
1、掌握基本RS、JK、T和D触发器的逻辑功能。
2、掌握集成触发器的功能和使用方法。
3、熟悉触发器之间相互转换的方法。
触发器是能够存储1位二进制码的逻辑电路,它有两个互补输出端,其输出状态不仅与输入有关,而且还与原先的输出状态有关。
触发器有两个稳定状态,用以表示逻辑状态“1”和“0”,在一定的外界信号作用下,可以从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态,它是一个具有记忆功能的二进制信息存储器件,是构成各种时序电路的最基本逻辑单元。
1、基本RS触发器
图4-1为由两个与非门交叉耦合构成的基本RS触发器,它是无时钟控制低电平直接触发的触发器。
基本RS触发器具有置“0”,置“1”和保持三种功能。
通常称
为置“1”端,因为
=0时触发器被置“1”;
为置“0”端,因为
=0时触发器被置“0”。
当
=
=1时状态保持,当
=0时为不定状态,应当避免这种状态。
基本RS触发器的逻辑符号见图4-1(b),二输入端的边框外侧都画有小圆圈,这是因为置1与置0都是低电平有效。
2、JK触发器
在输入信号为双端的情况下,JK触发器是功能完善、使用灵活和通用性较强的一种触发器。
本实验采用74LS112双JK触发器,是下降边沿触发的边沿触发器。
引脚逻辑图如图4-2所示:
图4-2JK触发器的引脚逻辑图
JK触发器的状态方程为:
其中,J和K是数据输入端,是触发器状态更新的依据,若J、K有两个或两个以上输入端时,组成“与”的关系。
和
为两个互补输出端。
通常把
=0、
=1的状态定为触发器“0”状态;
而把
=1,
=0定为“1”状态。
JK触发器常被用作缓冲存储器,移位寄存器和计数器。
3、D触发器
在输入信号为单端的情况下,D触发器
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