数字电路实验指导书第一版整理讲解.docx
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数字电路实验指导书第一版整理讲解
实验项目总表
序号
实验项目名称
实验次序
项目类别
项目类型
1
集成逻辑门的逻辑功能测试
1
综合
必做
2
组合逻辑电路的设计与测试
2
综合
必做
3
译码器及其应用
3
综合
必做
4
数据选择器及其应用
4
综合
必做
5
触发器及其应用
5
综合
必做
实验一门电路逻辑功能测试
一、实验目的
1.掌握基本门电路逻辑功能测试方法。
2.掌握Multisim元器件库中查找常用元件的方法。
二、实验设备及元器件
1.PC人计算机及仿真软件Multisim。
2.虚拟元件:
与非门7400N、74LS04N、异或门7486N、三态门74LS125N。
3.虚拟仪器:
万用表XMM1、信号发生器XFG1、测量元件中的指示灯X1等。
三、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1.3.1分别是本次实验所用基本逻辑门电路的逻辑符号图。
图1.3.1TTL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”。
四、实验内容及实验步骤
1.测试与非门的逻辑功能(详细)
(1)单击电子仿真软件Multisim基本界面左侧左列真实元件工具条的“TTL”按钮,从弹出的对话框中选取一个与非门7400N,将它放置在工作平台上;单击真实元件工具条的“电源”(Source)按钮,将电源和底线调出放置在电子平台上;单击真实元件工具条的“基本”(Basic)按钮,调出单刀双掷开关“SPDT”两只并将它们的key设置成“A”和“B”;单击真实元件工具条的“指示器”按钮其中调出红色指示灯一盏并把它放置在工作区中作为输出指示。
搭建后的电路如图1.4.1所示。
输出表达式Y=A·B。
图1.4.1
(2)点击电子仿真软件Multisim基本界面右侧虚拟仪器工具条“万用表”按钮,调出虚拟万用表“XMM1”放置在电子平台上,将“XMM1”仪器连成仿真电路。
(3)双击虚拟万用表图标“XMM1”,将出现它的放大面板,按下放大面板上的“电压”和“直流”两个按钮,将它用来测量直流电压如图1.4.2所示。
(4)打开仿真开关,按照表1.4.1,分别按动“A”和“B”键,使与非门的两个输入端为表中4种情况,从万用表的放大面板上读出各种情况的直流电位,将它们填入表内,并将电位转换成逻辑状态填入表1.4.1内。
图1.4.2
表1.4.1与非门功能表
输入端
输出端
A
B
Y电位(V)
逻辑状态
0
0
5
1
0
1
5
1
1
0
5
1
1
1
0
0
2、基本集成门逻辑电路测试(同样的步骤完成)
(1)测试与门逻辑功能,实验步骤自拟。
74LS08是四个2输入端与门集成电路,请按下图搭建电路,再检测与门的逻辑功能,结果填入下表中。
A
B
Y
0
0
0
1
1
0
1
1
(2)测试或门逻辑功能
74LS32是四个2输入端或门集成电路(见附录1),请按下图搭建电路,再检测或门的逻辑功能,结果填入下表中。
A
B
Y
0
0
0
1
1
0
1
1
(3)测试非门逻辑功能
74HC04是6个单输入非门集成电路(见附录1),请按下图搭建电路,再检测非门的逻辑功能,结果填入下表中。
A
Y
0
1
(4)测试或非门逻辑功能
74LS02是四个2输入端或非门集成电路(见附录1),请按下图搭建电路,再检测或非门的逻辑功能,结果填入下表中。
A
B
Y
0
0
0
1
1
0
1
1
(5)测试异或门逻辑功能
74LS86是四个2输入端异或门集成电路,请按下图搭建电路,再检测异或门的逻辑功能,结果填入下表中。
A
B
Y
0
0
0
1
1
0
1
1
(7)测试同或门逻辑功能
74LS266是四个2输入端同或门集成电路,请按下图搭建电路,再检测同或门的逻辑功能,结果填入下表中(可以换成COMS管4077)。
A
B
Y
0
0
0
1
1
0
1
1
实验二用与非门组成其他功能门电路
一、实验目的
1.掌握用与非门组成其他逻辑门的方法。
二、实验设备及元器件
1.PC人计算机及仿真软件Multisim。
2.虚拟元件:
与非门7400N、74LS04N、异或门7486N、三态门74LS125N。
3.虚拟仪器:
万用表XMM1、信号发生器XFG1、测量元件中的指示灯X1等。
三、实验内容
(1)用与非门组成或门:
①根据摩根定律,或门的逻辑函数表达式Q=A+B可以写成:
Q=
.
,因此,可以用三个与非门构成或门。
图2.3.1
②从电子仿真软件Multisim基本界面左侧左列真实元件工具条的“TTL”按钮中调出3个与非门74LS00N;从真实元件工具条的“Basic”按钮中调出2个单刀双掷开关,并分别将它们设置成Key=A和Key=B;从真实元件工具条的中调出电源和底线;并调出万用表将所有的元件和万用表连接成如图2.3.1所示的电路。
③打开仿真开关,按表2.3.1要求,分别按动“A”和“B”,观察并记录万用表的值,将结果填入表2.3.1中。
表2.3.1或门逻辑功能记录表
输入端
输出端
A
B
指万用表值
逻辑状态
0
0
0
1
1
0
1
1
(2)用与非门组成异或门
①按图2.3.2所示调出元件并组成异或门仿真电路。
图2.3.2
②打开仿真开关,按表2.3.2要求,分别按动“A”和“B”,观察并记录指示灯的发光情况,将结果填入表2.3.2中。
表2.3.2
输入端
输出端
A
B
指示灯状态(X1)
逻辑状态
0
0
0
1
1
0
1
1
③按照图2.3.3调出7486N门电路输出端连接万用表。
打开仿真开关,将表2.3.2要求,分别按动“A”和“B”,观察结果,并把结果与将表2.3.2进行比较。
图2.3.3
3.三态门电路功能测试(选做)
图2.3.4
(1)从电子仿真软件Multisim基本界面左侧左列真实元件工具条的“TTL”按钮中调出非门74LS04N和三态门74LS125N;从“指示器”按钮中调出指示器、仪器仪表库中调出信号发生器。
将它们大建成如图2.3.4所示电路。
(2)A端输入调解为1Hz的脉冲信号,然后打开仿真开关,按照表2.3.3进行仿真实验。
输出指示灯观察输出端F1、F2的值并它们填入表2.3.3中。
将F1与F2用导线连接,实现一根信号线分时传送多组数据的总路线结构,用实验加以验证。
表2.3.3
B
控制
输入
输出
0
EN1=0
A
F1(X1)=
EN2=1
A
F2(X2)=
1
EN1=0
A
F1(X1)=
EN2=1
A
F2(X2)=
四、预习要求
1.复习门电路的工作原理和逻辑代数运算。
2.熟悉门电路的管脚排列。
3.复习数字万用电表的使用方法。
五、实验报告要求
1.根据测量结果,说明7486N或74LS125N门电路的逻辑功能。
2.根据要求填写仿真实验报告。
3.说明不同功能的门电路闲置端的处理办法,如:
与非门,或非门,与或非门,异或门等。
4.根据图3-4和3-5的测量结果进行比较,并说明共同点和不同点。
实验三组合逻辑电路的设计与测试(加法器)
一、实验目的
1.学会用仿真软件Multisim进行半加器和全加器仿真实验。
2.学会用逻辑分析仪观察全加器波形。
3.分析二进制数的运算规律。
4.掌握组合电路的分析和设计方法。
5.验证全加器的逻辑功能。
二、实验设备及元器件
1.PC人计算机及仿真软件Multisim。
2.虚拟元件:
与非门7400N、异或门7486N。
3.虚拟仪器:
万用表XMM1、指示灯、电源等。
三、计算机仿真实验内容
1.测试用异或门、与门组成的半加器的逻辑功能
(1)按照图3.1.1所示,从电子仿真软件Multisim基本界面左侧左列真实元件工具条中调出所需元件:
其中,异或门74LS86N、74LS08从“TTL”库中调出;指示灯从电子仿真软件Multisim基本界面左侧右列虚拟元件库中调出,X1选红灯;X2选蓝灯。
图3.3.1
(2)打开仿真开关,根据表3.3.1改变输入数据进行试验,并将结果填入表内。
表3.3.1
输入
输出
AB
SCi
00
01
10
11
2.测试全加器的逻辑功能
(1)从电子仿真软件Multisim基本界面左侧左列真实元件工具条“TTL”库中调出异或门74LS86D,与门74LS08N和或门74LS32组成仿真电路如图3.2.2所示。
图3.3.2
(2)打开仿真开关,按照表3.3.2输入情况进行仿真实验,并将结果填入表内。
表3.3.2
输入
输出
ABC
S(X1)C
(X2)
000
001
010
011
100
101
110
111
3.用逻辑分析仪观察全加器波形(nopicture)
(1)先关闭仿真开关,在图3.3.2中删除集成门电路以外的其他元件。
在右侧虚拟仪器库中的“字发生器”(WordGenerator)按钮,调出字信号发生器图标“XWG1”,再点击虚拟仪器库中的“逻辑分析仪”(LogicAnalyzer)按钮,调出逻辑分析仪图标“XLA1”,将它门连接成3.3.3所示的电路。
(2)双击字信号发生器图标“XWG1”,将打开它的放大面板如图3.3.4所示。
它是一台能产生32位(路)同步逻辑信号的仪表。
按下放大面板的“控制”(Controls)栏的“循环”(Cycle)按钮,表示字信号发生器在设置好的初始值和终止
图3.3.3
值之间周而复始地输出信号;选择“显示”(Display)栏下的“Hex”表示信号以十六进制显示;“触发”(Trigger)栏用于选择触发器的方式;“频率”(Frequency)栏用于设置信号的频率,将它设置为1kz。
图3.3.4
(3)按下“控制”(Controls)栏的“设置”(Set…)按钮,将弹出对话框如图3.3.5所示。
选择“显示类型”(DisplayType)栏下的16进制“Hex”,再在设置缓冲区大小“BufferSize”输入“000B”即十六进制的“11”,然后点击对话框右上角“接受”(Accept)按钮回到放大面板。
图3.3.5
(4)点击放大面板右边8位字信号编辑区进行逐行编辑,从上至下载栏中输入十六进制的00000000~0000000A共11条8位字信号,编辑好的11条8位字信号如图3.3.4所示,最后关闭放大面板。
(5)打开仿真开关,双击逻辑分析仪图标“XLA1”,将出现逻辑分析仪图标“XLA1”,将出现逻辑分析仪放大面板如图3.3.6所示。
将面板上“时钟”(Clock)框下“时钟s/Div”栏输入1,再点击面板左下角“相反”(Reverse)按钮使屏幕变白,稍等片刻,然后关闭仿真开关。
将逻辑分析仪面板屏幕下方的滚动条拉到不同的位置,见图所示。
图3.3.6
(6)拉出屏幕上的读数指针可以观察到一个全加器各输入、输出端波形,在图3.3.6中读数指针所在位置分别标示输入/输出信号为A=0、B=1、Ci-1=0、S=1、Ci=0和A=1、B=1、Ci-1=1、S=1、Ci=1;。
(注:
屏幕左侧标有“8”的波形标示A;标有“9”的波形标示B;标有“4”的波形标示Ci-1;标有“1”的波形标示S;标有“6”的波形标示Ci。
)
(7)按表3.3.3要求,用读数指针读出4个观察点的状态,并将它们的逻辑状态和逻辑分析波形填入表3.3.3中。
表3.3.3
1
2
3
4
状态
波形
状态
波形
状态
波形
状态
波形
输
入
A
1
1
1
0
B
0
1
0
1
Ci-1
0
0
1
1
输
出
S
Ci
四、预习要求
1.复习半加器和全加器分析方法和设计方法。
2.复习逻辑分析仪和数字信号发生器的使用方法。
五、实验报告要求
1.完成仿真实验全部过程并实验结果记录在表3.2.2和3.2.3中。
2.总结设计全加器实验的分析、步骤和体会,写出完整的设计报告。
实验四组合逻辑电路分析与设计(选做实验)
一、实验目的
1、掌握Multisim软件对组合逻辑电路分析与设计的方法。
2、掌握利用集成逻辑门构建组合逻辑电路的设计过程。
3、掌握组合逻辑电路的分析方法。
二、实验原理
全加全减器是一个实现一位全加和全减功能的组合逻辑电路,通过模式变量M来控制全加/全减算术运算。
本实验可以使用74LS00,74LS86芯片来实现。
Ai和Bi分别表示二进制数A与B的第i位,Ci表示Ai-1和Bi-1位全加时产生的进位,Ci+1表示第Ai和Bi位全加时产生的进位,Si为Ai和Bi的和或差,M=0表示全加功能,M=1表示全减功能,具体真值表为:
M
Ai
Bi
Ci
Si
Ci+1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
1
0
0
0
1
1
0
1
0
1
0
0
1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
1
0
0
1
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
1
0
0
1
1
1
1
0
1
0
1
1
1
0
1
1
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
0
1
0
0
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
函数S和Ci+1的卡诺图化简后为:
Si=Ai⊕Bi⊕Ci
Ci+1=BiCi+(Ci+Bi)(M⊕Ai)=
三、实验设备
1、硬件:
计算机
2、软件:
Multisim
四、实验内容及实验步骤
1、根据实验原理构建全加全减器功能电路并测试逻辑功能。
2、利用逻辑分析仪测试第1步电路的功能及函数表达式。
说明:
上面的第一个图是测试Ci+1,下面的图是测试S的,要求分析出真值表及相应函数表达式及最简函数表达式。
3、利用设计全加全减器功能电路并测试逻辑功能。
4、利用逻辑分析仪测试第3步电路的功能。
(参考设计图略)
实验五译码器及应用
一、实验目的
1.掌握用电子仿真软件Multisim进行译码器的仿真实验。
2.掌握3-8译码器74LS138的工作原理及应用。
3.掌握七段显示译码器7447的工作原理及应用。
二、实验设备及元器件
1.PC计算机及仿真软件Multisim
2.虚拟仪器:
万用表、字符信号发生器。
3.虚拟元件:
3线-8线译码器(反码输出)74LS138、BCD七段显示译码/驱动器7447N、七段显示器、指示灯、双掷开关等。
三、计算机仿真实验内容
1.3-8线译码器74LS138实验
74LS138是用TTL与非门组成的3-8线译码器,它有3个附加的控制端S1、
和
。
挡S1=1、
+
=0时,GS输出高电平(S=1),译码器才工作,否则译码器禁止所有的输出端被封锁在高电平。
(注:
3-8线译码器74LS138N中的G1(S
)、~G2A、~G2B(
、
)为
图5.3.1
表5.3.13-8线译码器真值表
输入
输出
G1
ABC
0
×
×××
11111111
×
1
×××
11111111
1
0
000
01111111
1
0
001
10111111
1
0
010
11011111
1
0
011
11101111
1
0
100
11110111
1
0
101
11111011
1
0
110
11111101
1
0
111
11111110
控制端)。
这3个控制端也叫做“片选”输入端,利用片选的作用可以将多片连接起来以扩展译码器的功能,A、B、C输入端Y0-Y7是输出端。
74LS138N引脚排列如图5.3.1所示,真实芯片引脚排列基本相似,逻辑功能表如表5.3.1所示。
(1)在电子仿真软件Multisim基本界面左侧左列真实元件库中调出“74LS138D”3-8线译码器、J1-J6双掷开关、X1-X8红色指示器,电源和接地等元器件把他们搭建成如图5.3.2所示电路。
图5.3.2
(2)接通仿真开关,根据表5.3.2操作双掷开关验证74LS138D芯片的逻辑功能,将仿真结果填入表5.3.2中,验证3-8线译码器74LS138真值表是否与理论相符。
表5.3.2
输入
输出
G1
+
ABC
0
×
×××
×
1
×××
1
0
000
1
0
001
1
0
010
1
0
011
1
0
100
1
0
101
1
0
110
1
0
111
(3)关闭仿真开关,在电路中删除全部输入用双掷开关,输入信号换成字符发生器作为输入,搭建的电路如图5.3.3所示。
(4)字符发生器XWG1频率设置在50-100Hz之间这样指示灯的亮灭比较缓慢好观察,数据循环设置在0-9之间(选用十六进的制)。
然后根据3-8线译码器74LD138工作原理和逻辑功能表自拟实验步骤。
图5.3.3
2.BCD七段显示译码器7447实验
(1)在电子仿真软件Multisim基本工作界面相应的库中调出七段显示译码器“7447N”、七段显示器“SEVEN_SEGCOM”、J1~J4四个单刀双掷开关、X1~X4四盏红色指示灯,把他们搭建成如图5.3.4所示电路。
图中LT为灯测试输入(低电平有效);RBI灭零输入(低电平有效);BI/RBO为灭灯输入(低电平有效)/灭零输出。
这3脚均接高电平;译码输出端为OA~OG。
图5.3.4
(2)打开仿真开关,分别按动各单刀双掷开关,使输入4位二进制码“DCBA”分别为0000~1001,这时对应输入的每个二进制码,经译码器7447译码后直接推动共阳LED数码显示出十进制数0~9,同时也可以接在输入端的4盏指示灯知道输入的二进制码。
(3)将输入D、C、B、A变化使得,输出OA、OB、OC、OD、OE、OF、OG与数码管显示的数字填入在表5.3.3中。
表5.3.3
输入
输出
DCBA
OAOBOCODOEOFOG
数码管现实的数字
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
四、预习要求
1.复习3-8译码器74LS138的工作原理及应用。
2.复习七段显示译码器7447的工作原理及应用。
五、实验报告要求
1.完成仿真实验内容的全部过程。
2.实验波形图保存实验结构记录下来。
3.总结实验过程并写出实验报告。
实验六数据选择器及应用
一、实验目的
1.了解数据选择器的性能及使用方法。
2.掌握用数据选择器设计全加器。
二、实验设备及元器件
1.PC计算机及仿真软件Multisim。
2.虚拟元件:
与非门74LS153D、异或门7486N、单刀双掷开关等。
3.虚拟仪器:
字符信号发生器、逻辑分析仪或测量元件中的指示灯。
三、计算机仿真实验内容
1.数据选择器验证
(1)双4选1数据选择器74LS153D做为仿真实验器件,使用其中的1个选择器,74LS153的逻辑功能表3.3.1所示,表中A1,A0为选择控制变量;D0~D3为数据输入变量;Y为输出函数。
表6.3.14选1数据选择器逻辑功能表
A1
A0
Y
功能
0
0
D0
选择D0作输出
0
1
D1
选择D1作输出
1
0
D2
选择D2作输出
1
1
D3
选择D3作输出
(2)“字符发生器”XWG1作为产生数据选择器所需的各个数据输入变量信号;“逻辑分析仪”XLA1作为显示的输入变量及输出函数信号。
将数据选择器的数据输入端接“字符发生器”、选择控制端接双掷开关,数据选择器的数据输入端及输出端接逻辑分析仪。
搭建之后的电路
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