数字逻辑电路实验指导书Word格式文档下载.docx
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实验内容应有下列各项内容:
一、实验目的
二、仪器与设备
三、原理简述(含实验原理图)
四、内容与步骤(含测量数据)
五、总结
实验一数字电路箱的使用(1505P000101)
1.学习数字电路实验箱的使用。
2.掌握万用表的基本工作原理及使用方法。
3.学会使用EWB仿真软件
二、实验仪器
数字电路实验箱数字万用表计算机
三、实验内容
1.实验箱结构
观察实验箱结构,熟悉各部分区域的功能,为今后使用实验箱完成数字电路实验做准备。
实验箱各部分区域名称如图1-1所示。
图1-1数字电路实验箱版面图
2.测试逻辑开关和发光二极管显示功能
+5V
打开实验箱的总电源开关,将逻辑开关右侧处接+5V电源,拨动逻辑开关观察结果,逻辑开关遵循正逻辑,即灯亮表示输出逻辑为1,灯灭表示输出逻辑为0;
用一连线一端插入发光二极管显示输入插孔,另一端插入逻辑开关的输出插孔,拨动逻辑开关,输出高电平时发光二极管亮,输出低电平时发光二极管灭。
3.试单脉冲和连续脉冲输出端功能
在信号区处接上电源。
单脉冲有两种输出方式,按动单脉冲按键,每按动一下,单脉冲输出处提供由高电平到低电平(或由低电平到高电平)的一个过程;
连续脉冲信号输出处,有三档频率粗调供频率范围选择,将输出频率调至1Hz,发光二极管每秒闪亮一次,调至高频时,并调节微调旋钮,看到发光二极管恒亮。
(高频时人的肉眼反应不出频率的变化)。
4.测试数码显示功能
将数码管的ABCD端与四个逻辑开关X0、X1、X2、X3相连接,拨动开关为0000、0001、0010、0011、0100......可观察8421码显示,即可顺序显示0、1、2、3、4......。
将拨码开关任一组ABCD与数码管的任一ABCD相连接,按动拨码开关,观察显示结果。
5.EWB仿真软件介绍及使用(见附录)
实验二TTL集成门电路(1505P000102)
1.掌握TTL集成与非门的逻辑功能和性能特点;
2.能正确使用各种集成门电路;
3.进一步熟悉实验箱结构、基本功能和使用方法。
THD-1数字电路实验箱
万用表
集成片74LS20、74LS86
三、实验原理
门电路是组成数字电路的最基本的单元,包括与非门、与门、或门、或非门、与或非门、异或门、集成电极开路与非门和三态门等。
最常用的集成门电路有TTL和CMOS两大类。
TTL为晶体管—晶体管逻辑的简称,广泛的应用于中小规模电路,功耗较大。
图174LS20管脚图
本实验所用的74LS20是四输入双与非门。
即在一块芯片内含有两个相互独立的与非门,每个与非门含有四个输入端。
其逻辑表达式为Y=ABCD,逻辑符号及引脚排列如图1。
正逻辑的前提下,输入端只要一个为低电平,输出就为高电平。
描述与非门的输入、输出关系可以用电压传输特性表示,见图2从电压传输特性曲线上可以读出输出高电平UOH,输出低电平UOL,开门电平UON,关门电平UOFF等参数。
实际的门电路UOH和UOL并不是恒定值,由于产品的分散性,每个门之间都有差异。
在TTL电路中,常常规定高电平的标准值为3V,低电平的标准值为0.2V。
从0V到0.8V都算作低电平,从2V到5V都算作高电平,超出了这一范围是不允许的,因为这不仅会破坏电路的逻辑关系,而且还可能造成器件性能下降甚至损坏。
图2电压传输特性曲线
图中:
UOH:
指一个(或几个)输入端是低电平时输出的电平;
UOL:
指输入指端全为高电平时输出的电平;
UON:
在额定负载下得到规定的低电平,输入端应加的最小输入电平;
UOFF:
通常规定保证输出电压为标准高电平的条件下所允许的最大输入电平。
四、实验步骤
1.TTL与非门的逻辑功能
在数字箱14芯IC插座上,将芯片的小缺口与IC插座的缺口对准插上74LS20四输入双与非门集成元件。
按照图1接线,14脚接+5V电源,7脚接地,接线后检查无误,通电,按照表1改变A、B、C、D状态,观察记录输出状态;
从实验结果中写出逻辑表达式Y。
表1
ABCD
Y
2.与非门电压传输特性测试
用74LS20元件中的任一四输入与非门按照3连接线路.接线检查无误后,通电,准备测试。
调节电位器,使输入电压VI从零逐渐增大(用万用表测量电压的大小),按照表2求,同时测量对应的输出VO的数值,将其填入表2中。
表2
输入UI
(V)
0.2
0.4
0.6
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.6
1.8
2.0
输出Uo
根据表2的结果,在坐标纸上画出电压传输特性(uo=f(ui)的关系),并求出开门电平UON,关门电平UOFF值。
3.异或门的逻辑功能测试
74LS86为二输入四异或门元件,即芯片内含有四个异或门。
如图4,先将VCC接+5V电源GND接地;
任选一异或门(如1,2脚接逻辑开关的输出电平,3脚接发光二极管)测试异或门的逻辑特性并记入表3中。
表3
AB
图474LS86管脚图
1.在数字电路箱上使用集成芯片时应注意哪些问题?
2.TTL系列芯片与CMOS芯片的区别。
实验三组合逻辑电路设计(1505P000104)
1.掌握组合电路的一般设计方法;
2.掌握半加器、全加器逻辑功能,并用元件实现之,
3.根据给定的实际逻辑要求,设计出最简单的逻辑电路图。
THD-1数字电路箱
集成片74LS20,74LS00,74LS86
三、实验原理
数字系统中常用的各种数字部件,就其结构和工作原理而言可分为两大类,即组合逻辑电路和时序逻辑电路。
组合逻辑电路输出状态只决定于同一时刻的各输入状态的组合,与先前状态无关,它的基本单元一般是逻辑门。
时序逻辑电路输出状态不仅与输入变量的状态有关,而且还与系统原先的状态有关,它的基本单元一般是触发器。
组合逻辑电路的设计步骤一般为:
(1)根据逻辑要求列出真值表;
(2)从真值表中写出逻辑表达式;
(3)化简逻辑表达式,并选用适当的器件;
(4)根据选用的器件,画出逻辑图。
逻辑化简是组合逻辑设计的关键步骤之一。
为了使电路结构简单和使用器件较少,往往要求逻辑表达式尽可能化简。
由于实际使用时要考虑电路的工作速度和稳定可靠等因素,在较复杂的电路中,还要求逻辑清晰易懂,所以最简设计不一定是最佳的。
但一般来说,在保证速度、稳定可靠与逻辑清楚的前提下,尽量使用最少的器件,以降低成本。
组合逻辑设计过程常是在理想的情况下进行的。
实际工作中,可能会出现瞬间错误。
四、实验内容
1.设计一个路灯控制电路并用EWB软件仿真实现要求:
2.全减器的设计
要求:
根据实验室提供的器件,按照组合逻辑电路的设计步骤自行设计,并实现。
实验四触发器(1505P000105)
1.掌握基本RS、D、JK触发器的逻辑功能;
2.掌握集成触发器的使用方法和逻辑功能的测试方法;
3.掌握触发器的设计方法
集成片74LS00,74LS74,74LS112
触发器具有两个稳定状态,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贮器件,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"
、置"
保持"
三种功能。
通常称S为置"
端,因为S=0时触发器被置"
;
R为置"
端,因为R=0时触发器被置"
,当S=R=1时状态保持。
基本RS触发器也可以用两个“或非门”组成,此时为高电平触发有效。
2.D触发器
在输入信号为单端的情况下,D触发器用起来最为方便,其状态方程为
Qn+1=Dn
其输出状态的更新发生在CP脉冲的上升沿,故又称为上升沿触发的边沿触发器,触发器的状态只取决于时钟到来前D端的状态,D触发器的应用很广,可用作数字信号的寄存,移位寄存,分频和波形发生等。
有很多种型号可供各种用途的需要而选用。
如双D(74LS74,CC4013),四D(74LS175,CC4042),六D(74LS174CC14174),八D(74LS374)等。
图2为双D74LS74的引脚排列和逻辑符号。
3.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。
引脚功能及逻辑符号如图3所示。
JK触发器的状态方程为:
Q=JQn+KQn
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。
Q与Q为两个互补输出端。
通常把Q=0、Q=1的状态定为触发器"
状态;
而把Q=1,Q=0定为"
状态。
JK触发器常被用作缓冲存储器,移位寄存器和计数器。
1.基本RS触发器
按图1,用两个与非门(选用74LS00)组成基本RS触发器,输入端R、S接实验箱的逻辑开关,输出端Q、接逻辑电平显示输入插口,按表1的要求测试,记录之。
(74LS00的芯片引脚图见前面的实验中)
表1
Q
输出状态
2.D触发器
用门电路设计D触发器,画出逻辑图并进行下列验证,记录结果:
(1).测试Rd、Sd的复位、置位功能。
先将芯片的电源端和地端连接好,对应的Rd和Sd接逻辑开关,Q和接发光二极管,按照表2要求改变、,并记录输出结果(“×
”为任意状态)。
置位是指将Q置“0”或“1”,复位指置位后,将、都恢复为00或11状态,以准备接受CP脉冲触发翻转。
表2
D
CP
×
1
(2).测试D触发器的逻辑功能
根据上面设计的D触发器。
D、端接逻辑开关,CP端接单脉冲(SignlePulse),Q端接发光二极管。
按表5-3的要求进行测试,测试时,用端置位(即:
使Qn=1或0),然后复位(将置“1、1”状态)。
按CP脉冲触发,并观察触发器状态更新是否发生在CP脉冲的上升沿(即由0→1),记录之。
表3
Qn
Qn+1
↑
↓
3、JK触发器设计及其测试
用74LS00、74LS04、74LS20等芯片设计JK触发器,画出逻辑图,并进行下列测试,记录结果。
(1).测试Rd、Sd的复位、置位功能
Rd、Sd、J、K端接逻辑开关,CP端接单次脉冲源,Q、
端接发光二极管。
按照表4要求,测试并记录Rd、Sd对输出状态的控制作用。
表4
J
K
(2).测试JK触发器的逻辑功能
按表5的要求改变J、K状态,并用Rd、Sd端对触发器进行异步置位和复位。
然后输入单脉冲的下降沿和上升沿,观察并记录状态变化,观察触发器状态更新是否发生在CP脉冲的下降沿(即CP由1→0)。
表5
1.列表整理各类触发器的逻辑功能,并说明触发方式。
2.列举实际中触发器的应用。
3.利用普通的机械开关组成的数据开关所产生的信号是否可作为触发器的时钟脉冲信号?
为什么?
是否可以用作触发器的其它输入端的信号,为什么?
实验五计数器及其应用(1505P000106)
1.学习用集成触发器构成计数器的方法,了解计数器的工作原理;
2.掌握中规模集成计数器(74LS390)的使用方法及功能测试方法。
3.用74LS390设计一般的计数器。
集成片74LS112,74LS390
计数器是一个用以实现计数功能的时序部件,它不仅可用来计脉冲数,还常用作数字系统的定时、分频和执行数字运算以及其它特定的逻辑功能。
计数器种类很多。
按构成计数器中的各触发器是否使用一个时钟脉冲源来分,有同步计数器和异步计数器。
根据计数制的不同,分为二进制计数器,十进制计数器和任意进制计数器。
根据计数的增减趋势,又分为加法、减法和可逆计数器。
还有可预置数和可编程序功能计数器等等。
目前,无论是TTL还是CMOS集成电路,都有品种较齐全的中规模集成计数电路。
使用者只要借助于器件手册提供的功能表和工作波形图以及引出端的排列,就能正确地运用这些器件。
1.用J、K触发器构成异步二进制加/减计数器
图中的加法计数器是用四只触发器构成的四位二进制异步加法计数器,它的连接特点是将低位J、K触发器CP端接CP脉冲,再由低位触发器的Q端和高一位的CP端连接。
若将图稍加改动,即将低位触发器的Q端与高一位的CP端相连接,即构成了一个4位二进制减法计数器,
2.中规模十进制计数器
74LS390是集成双十进制可逆计数器,具有双时钟输入,并具有清除等功能,其引脚排列及逻辑符号如图1所示。
1.用74LS112触发器构成4位二进制异步加法计数器。
(1).按图2连接,触发器的J、K、Sd端接高电平(防止外界干扰),清零端RD接逻辑开关,CP端接单次脉冲。
(2).RD清零、复位后,逐个送入单次脉冲,观察并列表记录Q3~Q0状态。
(3).将单次脉冲改为1HZ的连续脉冲,观察Q3~Q0的状态。
(4).将1Hz的连续脉冲改为1KHZ,用双踪示波器观察CP、Q3、Q2、Q1、Q0端波形,描绘之。
2..将图3电路中的低位触发器的Q端与高一位的CP端相连接,构成减法计数器,按实验内容
(2),(3),(4)进行实验,观察并列表记录Q3~Q0的状态。
3.测试74LS390十进制计数功能。
(1).计数脉冲由1HZ连续脉冲源提供,清零端接逻辑开关,输出端A、B、C、D接实验箱的译码芯片相应插口A、B、C、D(分别选择个位和十位)。
(2).清零后复位,观察输出结果,列表记录之
4.用74LS390设计60进制计数器,画出逻辑图,并连线测试。
对实验结果进行分析,总结各种进制的线路图连线规律。
实验六时序逻辑电路仿真设计(1505P000107)
一、实验内容
设计一个数字钟电路,要求其具有下列功能:
1.时、分、秒计数和显示
2.“时”计数采用二十四或十二进制;
3.“分”、“秒”计数均采用60进制
二、实验方式
1.设计电路并仿真,确认电路正确。
2.在实验室进行实物连接。
三、实验报告
把设计的电路图截图打印,要求清晰,大小适中。
说明:
1.秒脉冲信号可以通过数字电路实验箱上的单次脉冲手动实现,也可用连续脉冲自动实现。
2.设计时需用到的芯片应及时与实验室沟通,以便准备。
附录1VC9801+型数字万用表
万用表是一种多功能、多量程的电参量测量仪表,一般万用表可测量直流电流、直流电压、交流电压、电阻和音频电平等,有的还可以测交流电流、电容量、电感量及半导体的一些参数(如β)。
VC9801+型数字万用表精度为±
0.5%。
VC9801+型数字万用表面板图
1.电源开关(POWER)
按下为开启状态。
2.液晶显示屏
显示仪表测量的数值。
3.量程选择开关
其中直流电压量程范围为200mV~1000V;
交流电压量程范围为200mV~700V;
直流电流量程范围为200uA~20A;
交流电流量程范围为200uA~20A;
电阻量程范围为200Ω~200MΩ;
电容量程范围为20uF
4.电压/电阻(V/Ω)测试端
电压或电阻测试时,红表笔位置。
5.公共地(COM)
公共地即黑表笔位置。
6.电流测试端(mA)
测试电流时红表笔位置。
7.20A电流测试端(20A)
测试>20A电流时,红表笔位置。
8.保持开关(HOLD)
按下此开关,仪表当前所测数值被保持,显示屏上出现,符号,再次按下,符号消失,退出保持状态。
9.背景光按钮(H/L)
按下背景灯亮。
10.三极管参数hFE测试端
将三级管按照NPN或PNP管型提示插入,配合量程hFE测试三极管参数。
11.电容测试端
将电容按照提示插入,配合量程C测试电容器容量。
使用说明:
1.使用前,应掌握被测量的种类及大小,选择合适的量程,测试表笔的位置。
2.将电源开关置于ON位置。
3.如果无法预先估计被测电量的大小,原则上应先将量程放置最高量程挡测量一次,再视情况逐一减小量程。
4.若显示始终为最高位显示数字“1”,其它位均消失,则说明该量程不满足被称量的量程,此时应选择更高的量程。
5.交直流电压的测量:
根据被测量的电压种类(交、直流)选择合适量程,红表笔插入V/Ω孔,黑表笔插入COM孔,并将表笔与被测线路并联,读数即显示。
测量直流量时,数字万用表能自动显示极性。
6.交直流电流的测量:
根据被测量的电压种类(交、直流)选择合适量程,红表笔插入mA孔(<20A时)或20A孔(>20A时),黑表笔插入COM孔,并将万用表串联在被测电路中即可。
7.电阻的测量:
将量程开关拨至Ω的合适量程,被测电阻的值应仅低于该选择量程,红表笔插入V/Ω孔,黑表笔插入COM孔,电阻值直接读数(包括其单位)。
在电阻量程档位时,红表笔为内部电池的正极,黑表笔为负极,这与指针式万用表正好相反。
因此,在利用电阻档测量晶体管、电解电容器等有极性的元器件时,必须注意表笔的极性。
注意事项
1.测量完毕,应将量程开关拨到最高电压挡,并关闭电源。
2.如果用小量程去测量大电压,则会有烧表的危险。
如果无法预先估计被测电量的大小,原则上应先将量程放置最高量程挡测量一次,再视情况逐一减小量程,尽量使被测值接近于量程。
3.禁止在测量高电压(220V以上)或大电流(0.5A以上)时换量程,以防止产生电弧,烧毁开关触点。
4.在测电流、电压时,不能带电换量程。
5.测电阻时,不能带电测量。
因为测量电阻时,万用表由内部电池供电,如果带电测量则相当于接入一个额外的电源,可能损坏表头。
6.使用完毕,应使转换开关放置在交流电压最大挡位上。
然后关闭电源开关、背景灯开关。
附录2EWB电子仿真软件
一、电子工作平台(EWB)概述
随着电子技术和计算机技术的发展,电子产品已与计算机紧密相连,电子产品,电子产品的智能化日益完善,电路的集成度越来越高,而产品的更新周期却越来越短。
电子设计自动化(EDA)技术,使得电子线路的设计人员能够在计算机上完成电路的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序测试直至印刷电路板的自动设计。
EA是在计算机辅助设计(CAD)技术的基础上发展起来的计算机设计软件系统。
与早期的CAD软件宪兵,EDA软件的自动化程度更高、功能更完善、运行速度更快,而且操作界面友善,有良好的数据开放性和互换性。
电子工作平台(EWB)是加拿大InteractionImageTechnologies公司于八十年代末、九十年代初推出的电路分析和设计软件,它具有这样一些特点:
1.采用图形方式创建电路:
绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取;
2.提供了较为详细的电路分析功能。
因此,电子设计自动化技术非常适合电子类课程的教学和实验。
二、EWB的基本界面
1.EWB的主窗口
主要包括:
菜单栏、工具栏、元器件库、电路工作区、状态栏、启动/停止开关及暂停/恢复开关等几部分。
2.EWB的工具栏
工具栏中各个按钮的名称如下:
(从左到右)
新建、打开、保存、打印、剪切、复制、粘贴、旋转、水平旋转、垂直翻转、子电路、分析图、元器件特性、缩小、放大、缩放比例及帮助。
3.EWB的元器件库栏
EWB提供了非常丰富的元器件库和各种常用的测试仪器。
元器件库栏中各个按钮的名称如下:
(从左到右)
自定义器件库信号源库、基本器件库、二极管库、晶体管库、模拟集成电路库、混合集成电路库、数字集成电路库、逻辑门器件库、
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