1实验数字电子技术实验指导书.docx
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1实验数字电子技术实验指导书
目录
第1章数字电子技术实验基本知识1
1.1实验基本程序1
1.2数字集成电路封装3
1.3数字电路测试及故障查找、排除5
第2章基本实验7
实验1MSI组合逻辑电路8
附录16
一.74LS系列TTL集成电路引脚功能图。
(顶视)16
二、CMOS系列及其它集成电路引脚功能图。
(顶视)20
第1章数字电子技术实验基本知识
1.1实验基本程序
实验一般分为三个阶段,即实验准备、实验操作和撰写实验报告。
(1)实验准备
实验前,应按实验要求写出实验预习报告。
具体要求是:
1)认真阅读理论教材中与本实验有关的内容及其他参考资料。
2)根据实验目的与要求,设计或选用实验电路和测试电路。
所设计的电路,估算要正确,设计步骤要清楚,画出的电路要规范,电路中图形符号和元器件数值标注要符合现行国家标准。
3)列出本次实验所需元器件、仪器设备和器材清单,熟悉测试仪器的使用方法。
4)完成实验电路的理论分析、设计,进行实验仿真,拟出详细的实验步骤,设计好实验数据记录表格。
(2)实验操作
正确的操作方法和操作程序是提高实验效果的可靠保障。
因此,要求在每一操作步骤之前都要做到心中有数,即目的要明确。
操作时,既要迅速又要认真。
注意事项:
1)应调整好直流电压源,使其极性及电压大小符合实验要求;调整好信号源的参数使其符合实验要求。
2)在通电状态下,不得拔、插元器件,必须关闭电源后进行。
3)实验中,观察清楚无异常情况时再读取数据。
(3)撰写实验报告
1)写实验报告的目的
实验报告,是按照一定的格式和要求,表达实验过程和结果的文字材料,他是实验工作的全面总结和系统的概括。
写实验报告的过程,就是对电路的设计方法和实验方法加以总结,对实验数据加以处理,对所观察的现象加以分析,并从中找出客观规律和内在联系的过程。
撰写实验报告也是一种基本技能训练。
通过写实验报告,能够深化对技术基础理论的认识,提高技术基础理论的应用能力,掌握电子测量的基本方法和电子仪器的使用方法,提高记录、处理实验数据和分析、判断试验结果的能力,培养严谨的学风和实事求是的科学态度,锻炼科技文章写作能力等。
此外,实验报告也是实验成绩考核的重要依据之一。
2)实验报告的内容
①实验名称
实验名称列在实验报告的最前面,应简练、鲜明、准确,恰当地反映实验的性质和内容。
②实验目的
指明为什么要进行本次实验,要求简明扼要,常常列出几条,一般写出掌握、熟悉、了解三个层次的内容。
③实验电路及实验仪器
实验电路除了能表明被测电路与测试仪器的联结关系外,还能反映出所采用的测试方法和测试仪器。
画出实验电路、列出实验仪器的名称和型号,其目的是让人了解实验仪器的精度等级和先进程度,以便对实验结果的可信度做出恰当的评价。
④数据记录
实验数据是实验过程中从仪器、仪表上所读取的数值,写入所设计的记录表格中。
记录表格要能反映数据的变化规律及各参量之间的相关性。
记录表格的项目栏,要注明被测物理量的名称和量纲。
⑤实验结论
将实验测试结果和理论分析结果对比,说明电路功能是否符合要求。
⑥讨论
包括回答思考题及对实验方法、实验装置等提出的改进建议。
3)写实验报告应注意的几个问题
①要写好实验报告,首先要做好实验。
②写实验报告必须要有严肃认真、实事求是的科学态度。
不经重复实验不得任意修改数据,更不得伪造数据。
分析问题和得出的结论既要从实际出发,又要有理论依据。
③图与表示表达实验结果的有效手段,比文字叙述直观、简捷,应充分利用。
实验电路图的画法应符合规定。
④实验报告是一种说明文体,不要求艺术性和形象性,而要求用简练和确切的文字、技术术语恰当地表达实验过程和实验结果。
1.2数字集成电路封装
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、74F161、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,我们主要使用TTL74系列电路作为实验用器件,采用单一+5V作为供电电源。
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。
图1是双列直插封装的正面示意图。
双列直插封装有以下特点:
图1双列直插式封装图图2PLCC封装图
1.从正面(上面)看,器件一端有一个半圆的缺口,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。
图1中的数字表示引脚号。
双列直插封装IC引脚数有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有宽(15.24毫米)、窄(7.62毫米)两种。
两列引脚之间的距离能够少做改变,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拨出时要小心,不要将器件引脚搞弯或折断。
3.74系列器件一般左下角的最后一个引脚是GND,右上角的引脚是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它的引脚图,找对电源和地,避免因接线错误造成器件损坏。
数字电路综合实验中,使用的复杂可编程逻辑器件MACH4-64/32(或者ISP1016)是44引脚的PLCC(PlasticLeadedChipCarrier)封装,图2是封装正面图。
器件上的小圆圈指示引脚1,引脚号按逆时针方向增加,引脚2在引脚1的左边,引脚44在引脚1的右边。
MACH4-64/32电源引脚号、地引脚号与ISP1016不同,千万不要插出PLCC插座。
插PLCC器件时,器件的左上角(缺角)要对准插座的左上角。
拔PLCC器件应使用专门的起拨器。
AEDK实验台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,使插头和插孔之间松开,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+5V电源的情况下进行。
1.3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。
(1)组合逻辑电路的实验测试
组合逻辑电路实验测试的目的,是验证其输出和输入之间的逻辑关系是否符合要求,即是否与真值表相符。
①开关量组合输入测试
将组合逻辑电路的输入端分别接到逻辑开关上,按真值表中输入变量的取值组合关系改变开关状态,用LED发光二极管分别显示各输入和输出端的状态,或用万用表测试输入输出状态,与真值表比较,从而判断组合逻辑电路逻辑功能是否正常。
②在组合逻辑电路的输入端加上周期性信号,用示波器观测输入、输出波形,从而判断组合逻辑电路逻辑功能是否正常或测试有关时间参数。
(2)时序逻辑电路的实验测试
时序逻辑电路实验测试的目的,是验证其状态转换关系是否符合要求,即是否与状态图相符。
①单脉冲时钟输入测试
以单脉冲作为时钟脉冲信号,逐个输入时钟信号进行观测,用LED发光二极管、数码管等观察输出状态的变化,判断状态转换关系是否符合要求。
②连续脉冲时钟输入测试
以连续脉冲作为时钟脉冲信号,连续输入时钟信号进行观测,用示波器观察波形,判断状态转换关系是否符合要求。
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,然后解决它。
一般地说,主要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正确。
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(例如ALL-07/11或者SUPERPRO系列编程器等)测试器件。
需要指出的是,一般的集成电路测试仪只能检测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
接线错误是最常风的错误。
据有人统计,在教学实验中,大约百分之七十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;连线与插孔接触不良;连线经多次使用后,有可能外面塑料包皮完好,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块不工作或工作不正常,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;检查连线和插孔接触是否良好;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,如果用示波器观察,而示波器没有同步或者同步设置有问题,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,这点应引起足够注意。
不过,在数字电路实验中,这种现象很少发生。
但是对于高频电路,示波器探头一般要采用高阻档,否则会造成比较严重的波形失真。
当实验中发现结果与预期不一致时,千万不要慌乱。
应仔细观察现象,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进插座中,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,则需考虑设计问题。
第2章基本实验
实验1MSI组合逻辑电路
一、实验目的
1、掌握MSI组合逻辑电路的分析、设计及功能测方法。
2、熟悉组合逻辑电路的结构、功能特点。
3、熟悉译码器、数据选择器等中规模组合逻辑器件的逻辑功能及实现组合逻辑电路的方法。
二、实验仪器及器件
1、实验仪器
(1)TPE-D6Ⅲ型数字电路学习机
(2)数字万用表
2、器件
(1)74LS1383线—8线译码器1片
(2)74LS1518选1数据选择器1片
(3)74LS20二4输入与非门1片
三、实验器件的逻辑功能及构成组合逻辑电路的分析、设计方法
表1-1、表1-2给出了本实验所用的集成中规模3线—8线二进制译码器74LS138、集成中规模8选1数据选择器74LS151的逻辑符号、逻辑表达式、功能表及实现组合逻辑函数的基本原理等相关知识。
用二进制译码器、数据选择器构成的组合逻辑电路分析的一般步骤图示如下:
用二进制译码器、数据选择器设计组合逻辑电路的一般步骤图示如下:
表1-13线—8线译码器的逻辑符号、功能表、逻辑表达式和实现组合逻辑电路原理
逻
辑
符
号
—控制;
—输入;
~
—输出,0有效。
功
能
表
输入
输出
A2A1A0
0
×
1
1
1
1
1
1
1
1
×
1
0
0
0
0
0
0
0
0
×××
×××
000
001
010
011
100
101
110
111
11111111
11111111
01111111
10111111
11011111
11101111
11110111
11111011
11111101
11111110
逻辑
表达式
控制端
时
(i=0,…,7)
mi是以A2、A1、A0为变量构成的最小项。
实现组合逻辑电路原理
译码器处于译码工作状态时,各输出端的输出信号是以A2、A1、A0为变量
构成的最小项再取反,附加门选择所需的最小项可实现变量个数不超过3个的
组合逻辑函数。
表1-28选1数据选择器的逻辑符号、功能表、逻辑表达式和实现组合逻辑电路原理
逻
辑
符
号
—控制;
—地址输入;
~
—数据输入;
、
—输出。
功
能
表
输入
输出
A2A1A0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
×××
000
001
010
011
100
101
110
111
01
逻辑
表达式
控制端
时
mi是以A2、A1、A0为变量构成的最小项。
实现组合逻辑电路原理
数据选择器处于工作状态时,地址输入量形成以A2、A1、A0为变量的最小项,使数据输入端为常量1则选择出相应的最小项、数据输入端为变量则将相应的最小项和变量相与,可实现变量个数不超过3+23的组合逻辑函数。
四、实验原理
译码器、数据选择器等集成中规模组合逻辑器件,除了进行译码、数据选择外,还可以用来实现组合逻辑函数。
对给定的或所设计的组合逻辑电路进行实验测试,是验证其输出和输入之间的逻辑关系是否符合要求,即是否与真值表相符,可用高、低逻辑电平组合输入的方法进行,即:
将组合逻辑电路的输入端分别接到逻辑电平开关上,按真值表中输入变量的取值组合关系改变开关状态为高、低不同的逻辑电平,用LED发光二极管分别显示各输入和输出端的逻辑状态,或用万用表测试输入输出电平状态,得到测试真值表再与所要求的真值表比较,从而判断组合逻辑电路逻辑功能是否正确。
五、实验内容
1、3变量多数表决电路逻辑功能分析、测试
多数表决电路的逻辑功能是,当输入变量取值组合中1的个数占多数时输出为1,否则输出为0。
图1-1是用集成中规模3线—8线二进制译码器74LS138附加与非门构成的3变量多数表决电路,其中A、B、C为3个输入变量,Y输出函数。
(1)分析3变量多数表决电路的逻辑功能
写出图1-1所示的3变量多数表决电路输出逻辑表达式并变换成与或式,列出真值表,填入表1-3。
(2)选用3线—8线译码器74LS138一片,在数字电路学习机上合适的位置选取一个16P插座,按定位标记插好集成块;选用二4输入与非门74LS20一片,在数字电路学习机上合适的位置选取一个14P插座,按定位标记插好集成块。
(3)对照74LS138、74LS20的引脚图,选用二片中的1个3线—8线二进制译码器、1个与非门按图1-2接线,3个输入端A、B、C分别接逻辑电平开关、1个输出端Y接LED电平显示。
(4)按表1-3要求改变输入逻辑电平开关的组合状态,由LED显示输出逻辑状态,将测试结果填入表1-3。
图1-13变量多数表决测试电路图1-23变量奇数判别测试电路
功能分析
实验测试
逻辑表达式
真值表
真值表
ABC
Y
ABC
Y
000
001
010
011
100
101
110
111
000
001
010
011
100
101
110
111
实验结论
表1-33变量多数表决电路功能分析、测试表
2、3变量奇数判别电路逻辑功能分析、测试
奇数判别电路的逻辑功能是,当输入变量取值组合中1的个数为奇数时输出为1,否则输出为0。
图1-2是用集成中规模8选1数据选择器74LS151构成的3变量奇数判别电路,其中A、B、C为3个输入变量,Y输出函数。
(1)分析3变量奇数判别电路的逻辑功能
写出图1-2所示的3变量奇数判别电路输出与或逻辑表达式,列出真值表,填入表1-4。
(2)选用8选1数据选择器74LS151一片,在数字电路学习机上合适的位置选取一个16P插座,按定位标记插好集成块。
(3)对照附录1中74LS151的引脚图,按图1-2接线,3个输入端A、B、C分别接逻辑电平开关、1个输出端Y接LED电平显示。
(4)按表1-4要求改变输入逻辑电平开关的组合状态,由LED显示输出逻辑状态,将测试结果填入表1-4。
功能分析
实验测试
逻辑表达式
真值表
真值表
ABC
Y
ABC
Y
000
001
010
011
100
101
110
111
000
001
010
011
100
101
110
111
实验结论
表1-43变量奇数判别电路功能分析、测试表
3、用3线—8线译码器74LS138附加与非门构成一位全加器的设计、测试
用3线—8线译码器74LS138附加与非门设计一位全加器电路,输入为加数Ai、被加数Bi、来自低位的进位数Ci,输出为本位和数Si、向高位的进位数Ci+1。
将由设计要求列出的真值表、所求出的逻辑表达式填写在表1-5中,所设计的逻辑电路图画在表1-5中。
按组合逻辑电路的实验方法连接电路,3个输入端Ai、Bi、Ci分别接逻辑电平开关,2个输出端Si、Ci+1分别接LED电平显示,按表1-5中真值表的取值组合要求改变输入逻辑电平开关的组合状态,由LED显示输出逻辑状态,将测试结果填入表1-5。
表1-5用3线—8线译码器74LS138附加与非门构成一位全加器的设计、测试表
电
路
设
计
真
值
表
AiBiCi
SiCi+1
000
001
010
011
100
101
110
111
逻
辑
表
达
式
逻
辑
图
实
验
测
试
真
值
表
AiBiCi
SiCi+1
000
001
010
011
100
101
110
111
实验结论
4、用8选1数据选择器74LS151构成逻辑函数产生电路的设计、测试
用8选1数据选择器74LS151产生如下函数
将由设计要求列出的真值表、所求出的数据选择器各数据输入端的逻辑表达式填写在表1-6中,所设计的逻辑电路图画在表1-6中。
按组合逻辑电路的实验方法连接电路,3个输入端A、B、C分别接逻辑电平开关,1个输出端Y接LED电平显示,按表1-6中真值表的取值组合要求改变输入逻辑电平开关的组合状态,由LED显示输出逻辑状态,将测试结果填入表1-6。
表1-6用8选1数据选择器74LS151构成逻辑函数产生电路的设计、测试表
电
路
设
计
真
值
表
ABC
Y
000
001
010
011
100
101
110
111
逻
辑
表
达
式
逻
辑
图
实
验
测
试
真
值
表
ABC
Y
000
001
010
011
100
101
110
111
实验结论
六、注意事项
1、按定位标记将集成块插入插座时,先将引脚对准插孔的位置然后再插牢,以防止器件的引脚弯曲或折断。
2、实验测试电路中,没有画出电源引脚、接地引脚。
3、接线及改变接线时,必须关闭电源。
七、思考题
1、用二进制译码器、数据选择器等中规模组合逻辑器件实现组合逻辑电路的方法?
2、用集成3线—8线二进制译码器74LS138附加与非门如何实现少于3个变量的组合逻辑电路?
3、用集成3线—8线二进制译码器74LS138实现组合逻辑电路时,可否附加其他功能的门?
4、组合逻辑电路的测试方法?
5、分析实验中所用测试方法并提出改进方案。
八、
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