数电实验指导书无删减.docx
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数电实验指导书无删减
第1章数字逻辑电路实验基础知识1..
1.1实验的基本过程1...
1.1.1实验预习1...
1.1.2实验数据记录2..
1.2.3实验报告2...
1.2实验操作规范和常见故障检查方法3.
1.2.1实验基本操作规程4..
1.2.2电路连接操作4..
1.2.3故障检查方法5..
1.3常用数字集成芯片的参数与主要性能6.
1.3.1集成电路的型号命名法6..
1.3.2数字集成电路的分类6..
1.3.3数字集成电路特点及使用须知9.
1.4数字逻辑电路的测试方法1..1
1.4.1组合逻辑电路的测试1..1
1.4.2时序逻辑电路的测试1..2
第2章数字逻辑实验基本技能1..2
2.1实验基本目标要求1..2
2.2实验技能基本要求1..2
2.3实验内容基本要求1..5
第3章数字逻辑电路基本实验1..6
实验一:
EDA软件Quartusll的使用1.6
实验二:
实验仪器的使用及元器件测试16
实验三:
组合电路险象观察与排除1..7
实验四:
简单逻辑电路功能分析与变换1.8
实验五:
运算器电路分析与设计1..9
实验六:
状态监测电路设计1..9
实验七:
符合判别电路设计2..0
实验八:
多数表决器设计2..2
实验九:
译码器测试实验2..2
实验十:
数据选择器测试实验2..4
实验十一:
逻辑函数发生器设计2..5
实验十二:
二进制码/BCD码变换器设计26
实验十三:
格雷码变换器设计2..7
实验十四:
BCD码加法器设计27
实验十五:
触发器功能测试28
实验十六:
四相时钟分配器设计30
实验十七:
四位二进制计数器功能测试31
实验十八:
异步十进制计数器设计32
实验十九:
集成计数器测试实验33
实验二十:
集成计数器应用设计34
实验二^一:
数码显示电路实验35
第4章数字逻辑综合设计实验38
设计项目一:
数字时钟设计.38
设计项目二:
出租车计价器设计41
设计项目三:
交通灯控制器设计51
设计项目四:
电子密码锁设计56
设计项目五:
智力竞赛抢答器设计6..0
其他参考选择题目6..5.
第1章数字逻辑电路实验基础知识
随着科学技术的发展,数字逻辑电路技术在各个科学领域中都得到了广泛的应用。
它是一门实践性很强的技术基础课,在学习中不仅要掌握电路的基本原理和电路分析设计的基本方法,更重要的是通过实践环节学会电路调试和灵活应用的技巧。
因此,需要通过一定数量的实验训练,才能掌握这门课程的基本内容,熟悉各单元电路的工作原理,了解集成器件的逻辑功能和使用方法,从而有效地培养学生理论联系实际和解决实际问题的能力。
1.1实验的基本过程
实验的基本过程,应包括确定实验内容,选定或者设计出要进行的实验电路,拟定出相应的实验步骤,合理选择仪器设备和元器件,进行电路连接和调试,根据试验电路的逻辑功能检测输出结果,最后写出完整的实验报告。
在进行数字电路实验时,充分做好实验前的预习工作,可以收到事半功倍的效果。
因此,对于完成每一个实验,都应做好实验预习、实验数据记录和实验报告等各个环节。
1.1.1实验预习
认真预习是做好实验的关键,预习好坏,不仅关系到实验能否顺利进行,而且直接影响实验效果。
预习应按教材的实验预习要求进行,在每次实验前首先要认真复习有关实验的基本原理,掌握有关器件使用方法,对如何着手实验做到心中有数。
通过预习还应做好实验前的准备,写出一份预习报告,其内容包括:
(1).绘出设计好的实验电路图,该图应该是逻辑图和连线图的混合,既便于连接线,又反映电路原理,并在图上标出器件型号、使用的引脚号及元件数值,必要时还须用文字说明。
(2).拟定实验方法和步骤
(3).拟好记录实验数据的表格和波形座标
(4).列出元器件清单
1.1.2实验数据记录
实验数据记录是实验过程中获得的第一手资料,测试过程中所测试的数据
和波形必须和理论基本一致。
所以记录的数据和波形必须完整、合理、正确,若不正确,贝U要现场及时重复测试,找出原因。
实验记录应包括如下内容:
(1).实验任务、名称及内容。
(2).实验数据和波形以及实验中出现的现象,从记录中应能初步判断实验的正确性。
(3).记录波形时,应注意输入、输出波形的时间相位关系,在座标中上下对齐。
(4).实验中实际使用的仪器型号和编号以及元器件使用情况。
1.2.3实验报告
实验报告是培养学生科学实验的总结能力和分析思维能力的有效手段,也是
一项重要的基本功训练,它能很好地巩固实验成果,把实验结果以及实验当中所遇到的问题加以认真分析总结,加深对基本理论的认识和理解,从而进一步扩大知识面。
实验报告是一份技术总结,要求文字简洁,内容清楚,图表工整。
报告内容应包括实验目的、实验内容和实验结果、实验使用仪器和元器件以及分析讨论等,其中实验内容和结果是报告的主要部分,它应包括实际完成的全部实验,并且要
按实验任务逐个书写,每个实验任务应有如下内容:
(1).实验课题的方框图、逻辑图(或测试电路)、状态图,真值表以及文字
说明等,对于设计性课题,还应有整个设计过程和关键的设计技巧说明。
(2).实验记录和经过整理的数据、表格、和波形图,其中表格、逻辑仿真波
形图可打印输出。
(3).实验结果分析、讨论及结论,对讨论的范围,没有严格要求,一般应对
重要的实验现象,结论加以讨论,以使进一步加深理解,此外,对实验中的异常现象,可作一些简要说明,实验中有何收获,可谈一些心得体会。
实验报告的格式
封面内容:
标题:
副标题:
数字逻辑电路专题实验报告
(设计项目的名称)
班级:
姓名:
学号:
同组成员:
(姓名、学号)日期:
联系电话:
报告的内容:
1.实验目的
2.实验项目名称与实现的功能目标
3•详细的系统设计方案:
系统功能模块图、逻辑关系、设计原理等;
4.各功能模块说明:
子模块电路原理图、状态图、状态表、ASM图等;
各逻辑图、表达式、或HDLf弋码的分析及其相关说明等;输入、输出信号的时间(时序)关系;
6.测试结果的分析:
模拟仿真时各种输入、输出信号的时间图(时序图);
实验的测试结果:
包括实验中间结果、仿真的最终结果的分析,是否达到预期的目标与效果;遇到的问题及解决的方法。
7.实验总结与讨论:
对设计实现的项目进行评价,总结经验,尤其是对项目的进一步完善提出意见。
9.参考文献
1.2实验操作规范和常见故障检查方法
数字逻辑电路实验有两种实验方式:
面包板搭接电路实验方式:
元器件及简单电路测试实验
可编程逻辑器件实现逻辑功能电路方式:
简单及复杂电路设计实验
1.2.1实验基本操作规程
实验中的操作正确与否对实验结果影响甚大。
因此,实验者需要注意按以下基本操作规程进行。
(1)进行实验前,应对测试仪器设备进行必要的检查校准,对所用集成电路
进行功能测试。
检查使用的计算机及EDA软件能否正常运行。
(2)连接电路时,应遵循正确的接线原则和操作步骤,先接好线后再通电,拆线时,先断电再拆线。
切记不要带电插拔导线和元器件!
。
(3)掌握科学的电路调试方法,有效地分析并排查故障,以确保电路工作稳定可靠,逻辑功能正确。
(4)实验过程应独立完成,遇到问题认真分析原因,培养独立解决问题的能力。
如果解决不了,请求指导老师帮助。
(5)仔细观察实验现象,完整准确地记录实验数据并与理论值进行比较分析。
(6)实验完毕,经指导教师同意后,可关断电源拆除连线,整理好放在实验箱内,并将实验台清理干净、摆放整洁。
1.2.2电路连接操作
在数字电路实验中,错误布线和接触不良引起的故障,常占很大比例。
布线错误不仅会引起电路故障,严重时甚至会损坏器件,因此,注意布线的合理性和科学性是十分必要的,正确的布线原则大致有以下几点:
(1)接插集成电路时,先校准两排引脚,使之与实验底板上的插孔对应,轻轻用力将电路插上,然后在确定引脚与插孔完全吻合后,再稍用力将其插紧,以免集成电路的引脚弯曲,折断或者接触不良。
(2)不允许将集成电路方向插反,一般IC的方向是缺口(或标记)朝左,引脚序号从左下方的第一个引脚开始,按逆时钟方向依次递增至左上方的第一个引脚。
(3)导线应粗细适当,一般选取直径为0.6〜0.8mm的单股导线,最好采用各
种色线以区别不同用途,如电源线用红色,地线用黑色。
4)布线应有顺序地进行,随意乱接容易造成漏接错接,较好的方法是接好固定电平点,如电源线、地线、门电路闲置输入端、触发器异步置位复位端等,其次,在按信号源的顺序从输入到输出依次布线。
(5)连线应避免过长,避免从集成元件上方跨接,避免过多的重叠交错,以利于更换元器件以及故障检查和排除。
(6)当实验电路的规模较大时,应注意集成元器件的合理布局,尽可能使得电路图连线规范清晰,以得到最佳的布线效果。
也便于排查电路故障。
(7)对于复杂电路实验元器件很多的,可将总电路按其功能划分为若干相对独立的部分模块,逐个连线、调试(分调),最后将各部分再连接起来(联调)统一调试。
(8)对于逻辑电路中的闲置输入端、功能端应连接到固定电平,使其无效。
1.2.3故障检查方法
实验中,如果电路不能完成预定的逻辑功能时,就称电路有故障,产生故障的原因大致可以归纳以下四个方面:
操作不当(如连线错误等);
设计不当(如电路出现险象等);
元器件使用不当或功能不正常;
仪器(主要指数字电路实验箱)和集成元件本身出现故障。
因此,上述四点应作为检查故障的主要线索,以下介绍几种常见的故障检查方法:
(1)查线法
由于在实验中大部分故障都是由于连线错误引起的,因此,在故障发生时,复查电路连线为排除故障的有效方法。
应着重注意:
有无漏线、错线,导线与插孔接触是否可靠,集成电路是否插牢、集成电路是否插反等。
(2)静态测量法
用万用表或示波器直接测量各集成块的Vcc(或VDD端是否加上电源电压;输入信号,时钟脉冲等是否加到实验电路上,观察输出端有无反应。
重复测试观察故障现象,然后对某一故障状态,用万用表测试各输入/输出端的直流电平,从而判断出是否是插座板、集成块引脚连接线等原因造成的故障。
(3)信号跟踪法
在电路的每一级输入端加上特定信号,观察该级输出响应,从而确定该级是否有故障,必要时可以切断周围连线,避免相互影响。
(4)替换法
对于多输入端器件,如有多余端则可调换另一输入端试用。
一片集成块中有多个相同器件的可调换另一器件试用,必要时可更换器件,以检查器件功能不正常所引起的故障。
(5)时序信号检查法
对于时序电路故障,可输入时钟信号按信号流向依次检查各级输出波形,与输入信号进行对比分析,根据电路的时序关系分析信号的变化规律,直到找出故障点为止。
需要强调指出,实验经验对于故障检查是大有帮助的。
但只要充分预习,掌握基本理论和实验原理,就不难用逻辑思维的方法较好地判断和排除故障。
1.3常用数字集成芯片的参数与主要性能
1.3.1集成电路的型号命名法
器件的型号由五部分组成,各部分符号及意义见表1.1。
注:
(1)74:
国际通用74系列(民用)
54:
国际通用54系列(军用)
(2)H:
高速
(3)L:
低速
(4)LS:
低功耗
(5)C:
只出现在74系列
(6)M只出现在54系列
1.3.2数字集成电路的分类
(1)TTL逻辑电路:
有速度和功耗折中的标准型;有改进型,高速的标准肖特基型;高速及低功耗的肖特基型。
所有的TTL电路的输入、输出均是兼容的。
国产TTL集成电路的标准系列为CT54/74系列或CT4000系列,其功能和外引线排列与国际54/74系列相同。
(2)CMOS逻辑电路:
特点是功耗低,工作电源电压范围宽,速度快(可达7MHZ)。
国产CMO集成电路主要为CCCH4000系列,其功能和外引线排列与国际CD4000系列相对应。
高速CMO系列中,74HC和74HCT系列与TTL74系列相对应,74HC4000系列与CC4000系列相对应。
(3)ECL逻辑电路:
特点是工作速度高。
表1.1器件型号的组成
第零部分
第一部分
第二部分
第三部分
第四部分
用字母表
用阿拉伯数字
示器件符
合国家标
用字母表示器件的
类型
和字母表示
用字母表示器件
的工作温度范围
用字母表示器件的封装
准
器件系列品种
符
号
意义
符
号
意义
符
号
意义
符
号
意义
C
中国
T
TTL电路
TTL分为:
C
0〜70C⑤
F
多层陶瓷扁平封装
制造
H
HTL电路
54/74XXX①
G
-25〜70°C
B
塑料扁平封装
E
ECL电路
54/74HXXX②
L
-25〜85C
H
黑瓷扁平封装
C
CMOS
54/74LXXX③
E
-40〜85C
D
多层陶瓷双列直插封装
M
存储器
54/74SXXX
R
-55~85C
J
黑瓷单列直插封装
g
微型机电路
54/74LSXXX④
M
-55〜125C⑥
P
黑瓷双列直插封装
F
线性放大器
54/74ASXXX
1
1
1
S
塑料单列直插圭寸装
W
稳压器
54/74ALSXXX
T
塑料双列直插封装
D
音响电视电路
54/74FXXX
K
金属元壳封装
B
非线性电路
CMO分为:
C
金属菱形封装
J
接口电路
4000系列
E
陶瓷芯片载体封装
AD
A/D转换器
54/74HCXXX
G
塑料芯片载体封装
DA
D/A转换器
54/74HCTXXX
1
1
1
网格针栅陈列封装
SC
通信专用电路
SOI
小引线封装
C
SS
SW
SJ
SF
1
1
1
敏感电路
钟表电路机电仪电路复印机电路
PCC
LCC
;塑料芯片载体封装
陶瓷芯片载体封装
表1.2几种逻辑电路的参数比较
电路种类
工作电压
每个门的功耗P
门延时
扇出系数
TTL标准
+5V
10mW
10ns
<10
TTL标准肖特基
+5V
20mW
5ns
<10
TTL低功耗肖特基
+5V
2mW
10ns
<10
ECL标准
-5V
25mW
2ns
<10
ECL高速
-5V
40mW
0.75ns
<10
CMOS
+3V~18V
口W级
ns级
<50
必须正确了解集成电路参数的意义和数值,并按规定使用。
特别是必须严格遵守极限参数的限定,因为即使瞬间超出,也会使器件遭受损坏。
数字集成电路封装:
数字集成电路器件有多种封装形式。
实验中所用的74系列器件封装选用双
列直插封装(DIP),图示为双列直插封装的正面示意图。
DIP封装特点:
(1)DIP封装的数字集成电路引脚数有14、16、20、24、28等多种。
(2)DIP封装的器件有两列引脚,两列引脚之间的距离能够作微小改变,
但引脚间距不能改变。
将器件插入实验平台上的插座(面包板)或从其上拔出时要小心,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;16引脚器件的8引脚是GND16引脚是Vcc。
但也有例外,如16引脚的双JK触发器74LS76,引脚13是GND引脚5是Vcc。
因此,使用集成电路器件时要先看清楚它的引脚分配图,找对电源和地引脚,避免因接线错误造成器件损坏。
集成电路外引线的识别:
扁平和双列直插型集成电路:
由顶部俯视,从左下脚起,按逆时针方向数,依次1.2.3,直至左上角为最后一个引脚。
133数字集成电路特点及使用须知
(1)TTL器件的特点
1)输入端一般有钳位二极管,减少了反射干扰的影响;
2)输出电阻低,增强了带容性负载的能力;
3)有较大的噪声容限;
4)采用+5V的电源供电。
为了正常发挥器件的功能,应使器件在推荐的条件下工作,对74LS系列器
件,主要有:
1电源电压应4.75〜5.25V的范围内。
2环境温度在0C〜70C之间。
3高电平输入电压VIH>2V,低电平输入电压VIL<0.8V。
4输出电流应小于最大推荐值(查手册)。
5工作频率不能高,一般的门和触发器的最高工作频率约30MHZ左右。
(2)TTL器件使用须知
电源电压应严格保持在5V±5%的范围内,过高易损坏器件,过低则不能正常工作,实验中一般采用稳定性好、内阻小的直流稳压电源。
使用时,应特别注意电源与地线不能错接,否则会因过大电流而造成器件损坏。
输出端不允许直接接电源或接地(但可以通过电阻与电源相连);不允许直接并联使用(0C门和三态门除外)。
多余输入端最好不要悬空,虽然悬空相当于高电平,并不能影响与门(与非门)的逻辑功能,但悬空时易受干扰,为此,应采取以下处理方法:
1与门、与非门多余输入端可直接接到Vcc上,或通过一个公用电阻(几千欧)连到Vcc上。
2若前级驱动能力强,则可将多余输入端与使用端并接。
3不用的或门、或非门输入端直接接地,与或非门不用的与门输入端至少有一个要直接接地,带有扩展端的门电路,其扩展端不允许直接接电源。
应考虑电路的负载能力(即扇出系数);要留有余地,以免影响电路的正常工作,扇出系数可通过查阅器件手册或计算获得。
在高频工作时,应通过缩短引线、屏蔽干扰源等措施,抑制电流的尖峰干扰。
(3)CMO熨字集成电路的特点
静态功耗低:
电源电压VDD=5啲中规模电路的静态功耗小于100卩W从而有利于提高集成度和封装密度,降低成本,减小电源功耗。
电源电压范围宽:
4000系列CMO电路的电源电压范围为3〜18V,从而使选择电源的余地大,电源设计要求低。
输入阻抗高:
正常工作的CMOS!
成电路,其输入端保护二极管处于反偏状态,直流输入阻抗可大于100MD,在工作频率较高时,应考虑输入电容的影响。
扇出能力强:
在低频工作时,一个输出端可驱动50个以上的CMO器件的输入端,这主要因为CMO器件的输入电阻高的缘故。
抗干扰能力强:
CMO集成电路的电压噪声容限可达电源电压的45%而且高电平和低电平的噪声容限值基本相等。
逻辑摆幅大:
空载时,输出高电平VOHkVDD-0.05V,输出低电平VOV
VSS+0.05V。
CMOSI成电路还有较好的温度稳定性和较强的抗辐射能力。
不足之处是,一般CMO器件的工作速度比TTL集成电路低,功耗随工作频率的升高而显著增大。
CMOS#件的输入端和VSS之间接有保护二极管,除了电平变换器等一些接口电路外,输入端和正电源VDD之间也接有保护二极管,因此,在正常运输和焊接CMO器件时,一般不会因感应电荷而损坏器件。
但是,在使用CMO数字集成电路时,输入信号的低电平不能低于(VSS-0.5V),除某些接口电路外,输入信号的高电平不得高于(VDD+0.5V,否则可能引起保护二极管导通,甚至损坏,
进而可能使输入级损坏。
(4)CMOS器件使用须知:
电源连接和选择:
VDD端接电源正极,VSS端接电源负极(地)。
绝对不许接错,否则器件因电流过大而损坏。
对于电源电压范围为3V〜18V系列器件。
如
CC4000系列,实验中VDD!
常接+5V电源,VDD电压选在电源变化范围的中间值,例如电源电压在8〜12V之间变化,则选择VDD=10V较恰当。
CMO器件在不同的VDD值下工作时,其输出阻抗、工作速度和功耗等参数都有所变化,设计中须考虑。
多余输入端处理:
多余输入端不能悬空。
应按逻辑要求接VDD或接VSS以免受干扰造成逻辑混乱,甚至还会损坏器件。
对于工作速度要求不高,而要求增加带负载能力时,可把输入端并联使用。
对于安装在印刷电路板上的CMOS#件,为了避免输入端悬空,在电路板的输入端应接入限流电阻RP和保护电阻R,当VDD=+5V时,RP取5.1KQ,R一般取100KQ〜1MQ。
输出端的处理:
输出端不允许直接接VDD或VSS否则将导致器件损坏,除三态(TS)器件外,不允许两个不同芯片输出端并联使用,但有时为了增加驱动能力,同一芯片上的输出端可以并联。
对输入信号VI的要求:
VI的高电平VIHVVDDVIL的低电平VIL小于电路系统允许的低电压;当器件VDC端末接通电源时,不允许信号输入,否则将使输入端保护电路中的二极管损坏。
1.4数字逻辑电路的测试方法
1.4.1组合逻辑电路的测试
组合逻辑电路测试的目的是验证其逻辑功能是否符合设计要求,也就是验证其输出与输入的关系是否与真值表相符。
1、静态测试
静态测试是在电路静止状态下测试输出与输入的关系将输入端分别接到逻辑开关上。
用发光二极管分别显示各输入和输出端的状态。
按真值表将输入信号一组一组地依次送入被测电路,测出相应的输出状态,与真值表相比较,借以判断此组合逻辑电路静态工作是否正常。
2、动态测试
动态测试是测量组合逻辑电路的频率响应。
在输入端加上周期性信号,用示
波器观察输入、输出波形。
测出与真值表相符的最高输入脉冲频率。
1.4.2时序逻辑电路的测试
时序逻辑电路测试的目的是验证其状态的转换是否与状态图相符合。
可用发光二极管、数码管或示波器等观察输出状态的变化。
常用的测试方法有两种。
一种是单拍工作方式:
以单脉冲源作为时钟脉冲,逐拍进行观测。
另一是连续工作方式:
以连续脉冲源作为时钟脉冲,用示波器观察波形,来判断输出状态的转换是否与状态图相符。
第2章数字逻辑实验基本技能
2.1实验基本目标要求
《数字逻辑》课程是计算机、通信、电子及自动化专业的一门重要的技术基础课程,具有很强的工程实践性,其实验教学具有特殊的重要地位。
根据课程内容的特点,实验重点侧重基本实验技能的训练和电路理论知识的巩固和提高,应用可编程逻辑器件CPLD/FPG配合EDA现代电子设计先进技术手段,完成实验过程。
实验内容分基本实验和设计性实验:
基本实验培养学生对仪器设备的操作使用能力,学会数字逻辑电路的分析和功能测试的方法,加深对理论知识的理解;设计性实验则使学生能够应用所学的电路知识完成较复杂逻辑电路的设计,培养独立分析问题解决问题的能力,激发学生的创造性思维,提高学生数字技术方面的创新实践能力。
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