数字电路实验指导书1021.docx
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数字电路实验指导书1021.docx
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数字电路实验指导书1021
数字电路
实验指导书
上海大学精密机械工程系
2010年10月
目录
概述3
实验一基本电路逻辑功能实验5
实验二编码器门电路实验7
实验三编码器应用实验9
实验四译码器门电路实验11
实验五译码器应用实验12
实验六比较器门电路实验13
实验七比较器应用实验14
实验八加法器门电路实验16
实验九加法器应用实验17
实验十寄存器门电路实验18
实验十一寄存器应用实验19
实验十二计数器触发器实验20
实验十三计数器应用实验21
附录一数字电路实验基本知识22
附录二常用实验器件引脚图26
附录三实验参考电路39
附录四信号定义方法与规则44
附录五DS2018实验平台介绍46
概述
《数字电路A》课程是机电工程及自动化学院机械工程自动化专业和测控技术与仪器专业的学科基础必修课。
课程介绍数字电路及控制系统的基本概念、基本原理和应用技术,使学生在数字电路方面具有一定的理论知识和实践应用能力。
该课程是上海大学和上海市教委的重点课程建设项目和上海大学精品课程,课程教学内容和方式主要考虑了机械类专业对电类知识的需求特点,改变了电子专业类(如信息通信、电气自动化专业)这门课比较注重教授理论性和内部电路构成知识的方式,加强应用设计性实验,主要目的是让学生能在理论教学和实验中学会解决简单工程控制问题的基本方法和技巧,能够设计基本的实用逻辑电路。
本书是《数字电路A》的配套实验指导书,使用自行开发的控制系统设计实验箱,所有实验与课堂理论教学相结合,各实验之间相互关联,通过在实验箱上设计构建不同的数字电路功能模块,以验证理论教学中学到的各模块作用以及模块的实际设计方法。
在所有功能模块设计结束后,可以将各模块连接在一起,配上输入输出装置,构成一个完整的工程控制系统。
为本课程配套的输入输出装置是颗粒糖果自动灌装控制和一维直线运动控制,颗粒糖果自动灌装系统的框图如下图所示:
颗粒糖果灌装系统框图
本套实验需要设计的功能模块包括:
编码器、寄存器、译码器、比较器、加法器、计数器、光电编码器辩向处理电路、步进电机旋转控制环形分配电路等。
上述各电路模块和完整的颗粒糖果灌装和一维直线运动控制系统可以由实验箱上的可编程逻辑器件完整实现。
系统中各功能模块是独立的,在分别用小规模的数字电路集成芯片设计了各个独立的模块并通过调试后,可以将所设计的电路与实验箱上的可编程逻辑器件按预定规则连接,即可看到整个控制系统的工作状态,了解分模块实验中设计的模块电路在整个控制系统中所起的作用。
建立实用工程系统设计的基本的设计理念。
实验中所需要的常用集成电路芯片引脚信息、实验箱的使用说明等资料可以在本指导书后面的附录中查找。
实验一基本电路逻辑功能实验
1、实验目的
学习简单的逻辑电路的设计方法
2、实验仪器和器件
1、DG2018数字电路实验系统
2、74LS00二输入与非门
3、74LS06非门
4、万用表
3、实验内容和步骤
1、实验内容:
参考教科书p34的信息,设计楼梯灯控制电路
2、实验要求:
(1)用与门和或门设计
(2)用与非门设计(3)用或非门设计(实验室可用的集成电路芯片型号和引脚图见附录)
3、在DG2018数字电路实验系统上分别接好设计好的电路,两个开关变量分别接在两个逻辑开关上,输出接发光二极管指示器L,并将集成电路芯片的Vcc、地(GND)分别与电源的+5V和地接通。
4、改变逻辑开关K,实现各输入高、低电平变换,用发光二极管L观察输出逻辑状态,并用万用表测量输出电平值,记录输入输出关系,写出逻辑表达式。
四、预习内容
1、熟悉有关门电路的内容,预习实验指导书后附录所给出的实验箱的使用说明。
2、按三、2中要求,列出3种形式的逻辑表达式,画出逻辑电路图,从实验指导书后列出的可用的集成电路芯片中选择芯片,设计出接线图,设计实验结果记录表。
五、实验报告要求
分别写出
(2)中要求设计的3种形式的逻辑表达式、逻辑电路图、接线图;在DG2018数字电路实验系统上进行功能测试的实验记录。
实验二编码器门电路实验
一、实验目的
1、了解编码器工作原理与实现方法并通过实验验证
2、学会用基本的门电路设计简单的编码器的方法
二、实验仪器和器件
1、DG2018数字电路实验系统
2、74LS00二输入与非门
3、74LS08二输入与门
4、74LS06非门
5、万用表
三、实验内容和步骤
1、采用74LS00、74LS08和74LS06等逻辑门芯片设计一个四-二编码器。
在DG2018数字电路实验系统上用逻辑芯片实现数字编码器功能,信号输入接拨码开关SW1~SW4,输出信号接LED0~LED1。
四、预习内容
1、设计所需逻辑电路,画出逻辑电路图和接线图。
设计实验结果记录表。
2、掌握实验原理
五、实验报告要求
1、编写四-二编码器的真值表与逻辑表达式,并画出逻辑门实现电路。
2、整理出各项测试结果记录,根据实测结果列出各种门电路的真值表。
预习:
如何实现用多块集成电路芯片实现多位编码器(位数扩展)
实验三编码器应用实验
一、实验目的
a)了解编码器工作原理与实现方法并通过实验验证
b)学会集成电路编码器的使用及设计
c)如何实现用多块集成电路芯片的设计多位编码器
二、实验仪器和器件
1、DG2018数字电路实验系统
2、74LS00二输入与非门
3、74LS08二输入与门
4、74LS06非门
5、74LS148八-三编码器
6、万用表
三、实验内容和步骤
1、设计优先编码器,如下图所示:
2、采用74LS148和逻辑门芯片设计一个十位输入四位输出的优先编码器,实现按键/拨码开关的数字编码功能。
编码器在我们设定的系统中的功能是将用拨码开关输入的每瓶要灌装的颗粒数转换为对应的二进制编码或BCD码。
在此规定SW0优先权最低。
SW9有最高优先权。
3、编写四位数字编码器的逻辑关系并写出逻辑表达式。
4、在DG2018数字电路实验系统上用逻辑芯片实现数字编码器功能,信号输入接拨码开关SW1~SW9,输出信号接LED0~LED3。
5、改变拨码开关,实现各输入信号的改变,用发光二极管L观察输出逻辑状态,并用万用表测量输出电平值,记录输入输出关系,并做好实验记录。
6、连接到灌装装置,观察设计电路在系统中的作用,系统接线图如下所示:
系统信号引脚
对应的信号
说明
F1
iReg0
4位编码数据,输出到系统
F2
iReg1
F3
iReg2
F4
iReg3
SW1
SW1
设定每瓶糖果数量(8位数据)
SW2
SW2
SW3
SW3
SW4
SW4
SW5
SW5
SW6
SW6
SW7
SW7
SW8
SW8
SW9
SW9
四、实验内容和步骤
1、设计所需逻辑电路,画出逻辑电路图和接线图。
设计实验结果记录表。
2、掌握实验原理
五、实验报告要求
1、画出实现用74LS148和逻辑门芯片设计的十位数字编码器的逻辑电路图。
3、整理出各项测试结果记录,根据实测结果列出各种门电路的真值表。
思考题:
如何用74LS148设计编码器,使拨动开关输入范围扩大至两位十进制数?
实验四译码器门电路实验
一、实验目的
用基本逻辑门实现简单的译码器并通过实验验证
二、实验仪器和器件
1、DG2018数字电路实验系统
2、74LS00二输入与非门、74LS06非门、74LS08二输入与门
3、万用表
三、实验内容和步骤
1、采用74LS00、74LS06和74LS08等逻辑门芯片设计一个二位译码器,输入为inRegH[1..0],输出为oLightH[4..0]。
在DG2018数字电路实验系统上用逻辑芯片实现数字译码器功能,输入信号inRegH[1..0]分别接拨码开关SW0~SW1,输出信号oLightH[3..0]连接到LED0~LED3。
四、预习内容
1、熟悉有关门电路的内容
2、掌握实验原理
五、实验报告要求
1、编写二位译码器的真值表与逻辑表达式,并画出逻辑门实现电路。
2、整理出各项测试结果记录,根据实测结果列出各种门电路的真值表。
实验五译码器应用实验
一、实验目的
用集成电路译码器芯片设计实现多位译码器
二、实验仪器和器件
1、DG2018数字电路实验系统
2、74LS00二输入与非门、74LS06非门、74LS08二输入与门
3、74LS247BCD译码器
4、万用表
三、实验内容和步骤
1、采用74LS247和逻辑门芯片设计BCD到七位数码管的译码器,能够将拨动开关设置的的每瓶装的糖果的数量在数码管中显示出来,要求将编码器给出的输入数据(二进制)译码为两个LED数码管的控制信号,即两位十进制数。
输入为inRegH[3..0]和inRegL[3..0],分别表示保存在寄存器中每瓶装的糖果的数量的十位数和个位数,采用BCD码表示;输出为oLightH[6..0]和oLightL[6..0],分别表示十位数数码管的控制信号和个位数数码管的控制信号。
2、编写数字译码器的逻辑关系并写出逻辑表达式。
3、在DG2018数字电路实验系统上用逻辑芯片实现数字译码器功能,输入信号inRegH[3..0]和inRegL[3..0]分别接拨码开关SW0~SW3和SW5~SW8,输出信号oLightH[6..0]连接到LED0~LED6,oLightL[6..0]连接到LED8~LED14。
4、改变拨码开关,实现各输入信号的改变,用发光数码管观察输出逻辑状态,记录输入输出关系,并做好实验记录。
5、连接到灌装装置,观察设计电路在系统中的作用,连接方式如下表所示:
试验箱对应的引脚
信号
说明
F5
oReg0
寄存器8位数据,系统提供
F6
oReg1
F7
oReg2
F8
oReg3
F9
oReg4
F10
oReg5
F11
oReg6
F12
oReg7
F56
LA0
静态LED0
F54
LB0
F52
LC0
F50
LD0
F48
LE0
F46
LF0
F44
LG0
F55
LA1
静态LED1
F53
LB1
F51
LC1
F49
LD1
F47
LE1
F45
LF1
F43
LG1
四、预习内容
1、熟悉有关74148集成电路芯片的引脚设置
2、画出真值表、设计接线图
五、实验报告要求
1、采用74LS247和逻辑门芯片实现数字译码器,画出实现电路,列出各真值表。
2、根据实测结果整理出各项测试结果记录。
六、思考题
数字译码器在颗粒糖果自动灌装系统中的作用。
实验六比较器门电路实验
一、实验目的
了解比较器工作原理与实现方法并通过实验验证
复习和巩固逻辑芯片的设计与使用方法
二、实验仪器和器件
1、DG2018数字电路实验系统
2、74LS00二输入与非门、74LS06非门、74LS08二输入与门
3、万用表
三、实验内容和步骤
1、采用74LS00、74LS06和74LS08等逻辑门芯片设计一个两位数据A、B比较器,输入为A1,A0和B1,B0,输出为C2(A大于B),C1(A等于B),C0(A小于B)。
在DG2018数字电路实验系统上用逻辑芯片实现数字译码器功能,输入信号A1,A0和B1,B0分别接拨码开关SW0~SW1和SW3~SW4,输出信号C2~C0接发光二极管LED2~LED0。
四、预习内容
1、熟悉比较器工作原理
2、按实验内容设计比较器,画出逻辑电路图和接线图
3、设定比较数据和预期的输出结果
五、实验报告要求
1、写出两位比较器的真值表与逻辑表达式,并画出逻辑电路图和接线图。
2、整理出各项测试结果记录,根据实测结果列出各种门电路的真值表。
实验七比较器应用实验
一、实验目的
了解比较器工作原理与实现方法并通过实验验证
复习和巩固逻辑芯片的设计与使用方法
二、实验仪器和器件
1、DG2018数字电路实验系统
2、74LS00二输入与非门、74LS06非门、74LS08二输入与门
3、74LS85四位比较器
4、万用表
(74LS85等逻辑芯片的引线和逻辑图见附录)
三、实验内容和步骤
1、设计比较器,如下图所示:
设计一个八位数比较器,输入为糖果计数器输出信号counter[7..0]和寄存器信号binReg[7..0],输出信号为数据相等信号bEQU。
具体功能要求如下:
两个输入数据为相等时,相等信号bEQU输出为1,否则输出为0。
2、采用74LS85和逻辑门芯片设计八位数比较器,在示例系统中,比较起的作用是判断下落的糖果数与预定的每瓶糖果颗粒数是否相等。
因此比较器的输入之一是8位二进制计数器输出信号(计下落的糖果颗粒数),另一组输入是预定值(8位二进制),比较器输出为两数相等信号。
3、在DG2018数字电路实验系统上用逻辑芯片实现比较器功能,两组输入信号分别接拨码开关SW0~SW7和SW8~SW15,输出信号接发光二极管LED0。
4、改变拨码开关,实现各输入信号的改变,用发光二极管观察输出逻辑状态,并用万用表测量输出电平值,记录输入输出关系,并做好实验记录。
5、连接到罐装,观察设计电路在系统中的作用,系统接线图如下所示
控制箱信号
对于模块信号
说明
F5
Counter0
计数器,系统提供
F6
Counter1
F7
Counter2
F8
Counter3
F9
Counter4
F10
Counter5
F11
Counter6
F12
Counter7
F13
binReg0
16进制寄存器数据,系统提供
F14
binReg1
F15
binReg2
F16
binReg3
F17
binReg4
F18
binReg5
F19
binReg6
F20
binReg7
F30
bEQU
1:
计数器数据与寄存器数据相等信号,表示已满屏
四、预习内容
1、熟悉比较器工作原理
2、按实验内容设计比较器,画出逻辑电路图和接线图
3、设定比较数据和预期的输出结果
五、实验报告要求
1、画出采用74LS85和逻辑门芯片实现数字比较器的接线图。
2、整理出各项测试结果记录,根据实测结果列出各种门电路的真值表。
实验八加法器门电路实验
一、实验目的
了解加法器工作原理,用基本逻辑门的实现方法并通过实验验证
学习集成电路加法器设计、调试多位加法器的方法
二、实验仪器和器件
1、DG2018数字电路实验系统
2、74LS00二输入与非门、74LS06非门、74LS08二输入与门
3、万用表
三、实验内容和步骤
1、采用74LS00、74LS06和74LS08等逻辑门芯片设计一个两位数加法器,输入为加数A和被加数B,输出为和S及进位C。
在DG2018数字电路实验系统上用逻辑芯片实现数字加法器功能,输入信号A和B分别接拨码开关SW0~SW1和SW0~SW1,输出信号S和C分别连接发光二极管LED0~LED1和LED8。
四、预习内容
1、复习多位数加法器工作原理
2、画出实验要求的逻辑电路图和接线图
3、预设输入输出数据和预计的输出结果
五、实验报告要求
1、给出两位数加法器的真值表与逻辑表达式,画出逻辑电路和连线图。
2、整理出各项测试结果记录,根据实测结果列出各种门电路的真值表。
六、选作题
设计两位BCD码加法器
实验九加法器应用实验
一、实验目的
了解加法器工作原理,用基本逻辑门的实现方法并通过实验验证
学习集成电路加法器设计、调试多位加法器的方法
二、实验仪器和器件
1、DG2018数字电路实验系统
2、74LS00二输入与非门、74LS06非门、74LS08二输入与门
3、74LS283四位二进制加法器
4、万用表
(74LS283等逻辑芯片的引线和逻辑图见附录)
四、实验内容和步骤
1、设计加法器,如下图所示:
输入为计数器的输出结果信号counter[7..0]和寄存器数据Reg[7..0],输出为加法结果addResult[7..0]和进位C8。
加法器功能要求如下:
counter[7..0]与Reg[7..0]相加,输出结果addResult[7..0]和进位C8。
2、采用74LS283和逻辑门芯片设计一个8位二进制加法器,在示例系统中,加法器统计总灌装糖果数量,所以输入为当前灌装的糖果计数信号和已经灌装的糖果数,输出为加法结果和进位C。
3、在DG2018数字电路实验系统上用逻辑芯片实现数字加法器功能,输入信号分别接拨码开关SW0~SW7和SW8~SW15,输出信号和进位信号分别连接发光二极管LED0~LED7和LED8。
4、改变拨码开关,实现各输入信号的改变,用发光二极管观察输出逻辑状态,并用万用表测量输出电平值,记录输入输出关系,并做好实验记录。
5、连接到罐装,观察设计电路在系统中的作用,系统接线图如下所示
试验箱信号
信号
说明
F5
Counter0
计数器,
F6
Counter1
F7
Counter2
F8
Counter3
F9
Counter4
F10
Counter5
F11
Counter6
F12
Counter7
F13
Reg0
16进制总数寄存器低八位,
F14
Reg1
F15
Reg2
F16
Reg3
F17
Reg4
F18
Reg5
F19
Reg6
F20
Reg7
F21
addResult0
8位加法结果
F22
addResult1
F23
addResult2
F24
addResult3
F25
addResult4
F26
addResult5
F27
addResult6
F28
addResult7
F1
C8
进位标志,
四、预习内容
1、复习多位数加法器工作原理
2、画出实验要求的逻辑电路图和接线图
3、预设输入输出数据和预计的输出结果
五、实验报告要求
1、给出两位数加法器的真值表与逻辑表达式,画出逻辑电路和连线图。
2、画出用74LS283和逻辑门芯片实现数字加法器的实现电路。
3、整理出各项测试结果记录,根据实测结果列出各种门电路的真值表。
实验十寄存器实验
一、实验目的
在了解寄存器的工作原理的基础上用集成电路触发器芯片和基本逻辑门设计多位数寄存器并通过实验验证寄存器的工作情况
二、实验仪器和器件
1、DG2018数字电路实验系统
2、74LS00二输入与非门、74LS06非门、74LS08二输入与门
3、74LS74双D触发器
4、万用表
三、实验内容和步骤
采用74LS00、74LS06和74LS08等逻辑门芯片设计一个二位数字寄存器,具有数据锁存功能。
输入信号包括两位数字输入、置位信号和清零信号,两位输出信号。
在DG2018数字电路实验系统上用逻辑芯片实现数字寄存器功能,数字输入信号、置位和复位信号接拨码开关SW1~SW4,输出信号接发光二极管LED0~LED1。
四、预习内容
1、复习寄存器构成和工作原理、工作条件
2、设计寄存器逻辑电路图和引脚连接图
五、实验报告要求
1、给出两位数字寄存器的状态/特征表与特征方程,并画出逻辑电路图和引脚连接图。
2、整理出各项测试结果记录,根据实测结果填写所设计的数字寄存器的特征表(状态表),与预先设计的状态表对照,写出实验结论。
思考题:
用多块集成电路寄存器芯片设计多位寄存器
实验十一寄存器应用实验
一、实验目的
用指定的4位集成电路寄存器芯片设计多位数据寄存器
二、实验仪器和器件
1、DG2018数字电路实验系统
2、74LS00二输入与非门、74LS06非门、74LS08二输入与门
3、74LS74双D触发器
3、74LS194双向四位数字寄存器
4、万用表
三、实验内容和步骤
1、设计寄存器:
采用74LS194和逻辑门芯片设计一个四位输入八位输出的数字寄存器,输入为实验二所设计的编码器的四位输出信号以及锁存时钟PULSE3和清零信号Reset,输出信号为寄存器8位数据。
其功能要求如下:
当清零信号Reset为0时寄存器数据输出为0;其它情况下,当锁存时钟PULSE3下降沿时,寄存器读入第一组输入数据,并保存在数据寄存器的低四位,当锁存时钟PULSE3上升沿时,读入第二组数据,并保存到数据寄存器的高四位。
2、写出数字寄存器的逻辑关系并写出特征方程。
3、在DG2018数字电路实验系统上用逻辑芯片实现数字寄存器功能,四位数据输入信号、锁存信号PULSE3和清零信号Reset接拨码开关SW1~SW6,输出信号接发光二极管LED0~LED7。
4、改变拨码开关,实现各输入信号的改变,用发光二极管观察输出逻辑状态,并用万用表测量输出电平值,记录输入输出关系,并做好实验记录。
5、连接到罐装,观察设计电路在系统中的作用,系统接线图如下所示:
对应试验箱引脚
信号
说明
F1
coder0
4位编码数据,由系统提供
F2
coder1
F3
coder2
F4
coder3
F5
Reg0
寄存器8位数据,输出到系统
F6
Reg1
F7
Reg2
F8
Reg3
F9
Reg4
F10
Reg5
F11
Reg6
F12
Reg7
PULSE3
锁存时钟
F29
SW11(Reset)
清零信号
四、预习内容
1、指定寄存器集成电路芯片的功能引脚图和工作条件
2、设计寄存器逻辑电路图和引脚连接图
五、实验报告要求
1、采用74LS194和逻辑门芯片实现数字寄存器的实现电路图。
2、整理出各项测试结果记录,根据实测结果列出实测状态/特征表。
3、将实验结果与设计时的理论结果进行比对,写出分析报告
注:
本实验的输入信号是前面编码器应用实验的输出,应为先后两组数据,代表两位十进制数字的BCD码,因此应与实验三的实验电路相关联,考虑先后输入的两组数据(个位和十位表示)怎样才能正确地在寄存器输出端输出。
实验十二计数器实验
一、实验目的
学习用集成电路触发器芯片设计、调试计数器的方法,通过实验验证计数器功能
二、实验仪器和器件
1、DG2018数字电路实验系统
2、74LS00二输入与非门、74LS06非门、74LS08二输入与门
3、74LS74双D触发器
4、万用表
三、实验内容和步骤
1、采用上述给定的D触发器和基本逻辑门电路设计一个二位计数器,输入为计数脉冲PULSE0、清零信号CLR,输出为两位计数值。
在DG2018数字电路实验系统上用逻辑芯片实现数字译码器功能,输入计数脉冲PULSE0和清零信号CLR分别接拨码开关SW0~SW1,输出信号连接发光二极管LED0~LED1。
四、预习内容
1、有关触发器工作原理。
2、画出两位计数器逻辑图和接线图。
五、实验报告要求
1、列出两位计数器的状态表与特征方程,画出逻辑电路和接线图。
2、整理出各项测试结果记录,根据实测结果填写电路的状态表,并与预先设计的理论结果相对照,写出实验分析报告。
实验十三
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- 关 键 词:
- 数字电路 实验 指导书 1021