数字电路实验指导书.doc

1 学生实验守则 一 一 参参加实验时应衣冠整洁 进入实验室后应保持安静 不要大加实验时应衣冠整洁 进入实验室后应保持安静 不要大 声喧哗和打闹 妨碍他人学习和实验 不准吸烟 不准随地吐痰 不准声喧哗和打闹 妨碍他人学习和实验 不准吸烟 不准随地吐痰 不准 乱扔纸屑与杂物 乱扔纸屑与杂物 二 进行实验时必须严格遵守实验室的规章制度和仪器操作规程 二 进行实验时必须严格遵守实验室的规章制度和仪器操作规程 爱护仪器设备 节约实验器材 未经许可不得乱动实验室的仪器设备 爱护仪器设备 节约实验器材 未经许可不得乱动实验室的仪器设备 三 注意人身安全和设备安全 若仪器出现故障 要立即切断电源三 注意人身安全和设备安全 若仪器出现故障 要立即切断电源 并立即向指导教师报告 以防故障扩大 待查明原因 排除故障之后才并立即向指导教师报告 以防故障扩大 待查明原因 排除故障之后才 可继续进行实验 可继续进行实验 四 要以严格 认真的科学态度进行实验 结合所学理论 独立思四 要以严格 认真的科学态度进行实验 结合所学理论 独立思 考 分析研究实验现象和数据 考 分析研究实验现象和数据 五 实验完毕后必须收拾整理好自己使用的仪器设备 保持实验台五 实验完毕后必须收拾整理好自己使用的仪器设备 保持实验台 整洁 填写实验仪器使用记录 在归还实验仪器后 才能离开 整洁 填写实验仪器使用记录 在归还实验仪器后 才能离开 六 违反实验室规章制度和仪器设备操作规程造成事故 导致仪器六 违反实验室规章制度和仪器设备操作规程造成事故 导致仪器 设备损坏者 将视情节轻重按实验室设备管理制度处理及赔偿 设备损坏者 将视情节轻重按实验室设备管理制度处理及赔偿 2 电工电子实验室安全制度 一 每个实验室要有专人担任安全员 负责本室的各项安全工作 每个实验室要有专人担任安全员 负责本室的各项安全工作 并定期进行安全检查 发现问题及时向领导和有关部门汇报 并定期进行安全检查 发现问题及时向领导和有关部门汇报 二 实验室总电源应有专人负责 各分室电源应有指示灯指示 二 实验室总电源应有专人负责 各分室电源应有指示灯指示 三 实验室内不准吸烟 要经常检查室内电源设备状况 各种用电三 实验室内不准吸烟 要经常检查室内电源设备状况 各种用电 设备使用完毕后要断开电源 设备使用完毕后要断开电源 四 实验室钥匙不能出借他四 实验室钥匙不能出借他人 实验室所有仪器设备的配置 维修 人 实验室所有仪器设备的配置 维修 拆卸等都必须做好记录并严格遵守操作规程 非经有关人员许可不得擅拆卸等都必须做好记录并严格遵守操作规程 非经有关人员许可不得擅 自动用 自动用 五 每个实验室要配备必要的消防器材 五 每个实验室要配备必要的消防器材 灭火器 灭火栓灭火器 灭火栓 消 消 防器材必须定期检查更换 任何人不得随意搬动 拆卸消防器材 防器材必须定期检查更换 任何人不得随意搬动 拆卸消防器材 六 工作人员离开时必须断开室内电源 水源 关好门窗 六 工作人员离开时必须断开室内电源 水源 关好门窗 匪警电话匪警电话 110110 火警电话火警电话 119119 校保卫处电话校保卫处电话 32083933208393 3 实验报告要求 实验前写好预习报告 预习报告要求见各实验章节 实验报告必须实验前写好预习报告 预习报告要求见各实验章节 实验报告必须 用规定的实验报告纸书写 实验报告需附由教师签字的原始数据纸方为用规定的实验报告纸书写 实验报告需附由教师签字的原始数据纸方为 有效 实验内容应有下列各项内容 有效 实验内容应有下列各项内容 一 实验目的一 实验目的 二 仪器与设备二 仪器与设备 三 原理简述 含实验原理图 三 原理简述 含实验原理图 四 内容与步骤 含测量数据 四 内容与步骤 含测量数据 五 总结五 总结 4 实验一 THD 1 数字电路箱的使用 一 实验目的 1 学习 THD 1 型数字电路实验箱的使用 2 掌握示波器的基本工作原理及使用方法 二 实验仪器 THD 1 型数字电路实验箱 V 252 型双踪示波器 三 实验内容 一 THD 1 型数字电路实验箱 1 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 2 测试逻辑开关和发光二极管显示功能 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 5V 图 1 1 THD 1 型数字电路实验箱版 面图 1 23 4 5 6 直流电源区蜂鸣器继电器 IC 插座区 1 总电源开关 2 脉冲信号区 3 逻辑笔 4 数码管 5 拨码开关 6 逻辑开关 7 发光二极管 7 5V 5 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 二 示波器的使用 1 按下示波器的电源开关 预热 2 测试示波器内的标准信号 将示波器 MODE 档置于 CH1 位 INT TRIG 同样置于 CH1 这时表示选择 示波器的通道 1 在示波器通道 1 区的下方 AC GND DC 档选择 GND 档 然后调节 POSITION 旋钮 将屏幕上的水平基准线置于中间位置 调整好后 将 AC GND DC 置 AC 档 将示波器面板上屏幕的右下方 CAL 端子的机内 0 5V 校准信号与 CH1 通道相 连 调整示波器上通道 1 区 TIME DIV 旋钮和 VOLTS DIV 旋钮 并将 TIME DIV 旋钮和 VOLTS DIV 旋钮锁定在校正状态 同时调整 LEVEL 旋钮 使显示屏上出现 1 2 周期的稳定方波 根据如下如下公式读取波形的相关参数 记入 表 1 中 周期 T 一周期格数 扫描速度 幅值 Um Um值格数 灵敏度 表 1 一周期格数 w cm 扫描速度 ms cm 周期 T ms Um 值格数 h cm 灵敏度 V cm Um 值 v 6 实验二 TTL 集成门电路 一 实验目的 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 二 实验仪器与设备 THD 1 数字电路实验箱 万用表 集成片 74LS20 74LS86 三 实验内容 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 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 2 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 2 从电压传输特性曲线 UOL UOH Uo UOFF UON Ui 1234567 891 0 1 1 1 2 1 3 1 4 图 2 1 74LS20 管脚 图 Vcc GND 7 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 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 与非门的逻辑功能和电压传输特性的测试 1 与非门逻辑功能的测试 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 2 3 接线 14 脚接 5V 电源 7 脚接地 接线后检查无误 通电 按照表 2 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 2 1 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 按照图 2 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 A B C DY 图 2 3 传输特性测试电路 5 7 14 1 2 4 5 V W U I 6 R Uo 8 按照表 2 2 要求 同时测量对应的输出 VO的数值 将其填入表 2 2 中 表 2 2 根据表 2 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 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 2 5 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 2 3 中 五 总结 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 输入 UI V 0 20 40 60 80 91 01 11 21 31 41 61 82 0 输出 Uo V 1234567 891 0 1 1 1 2 1 3 1 4 图 2 5 74LS86 管脚 图 Vcc GND 9 实验三 组合逻辑电路设计 一 实验目的 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 二 实验仪器 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 例 三变量表决电路设计 根据逻辑要求 三变量输入中有两个或两个以上为 1 者 输出为 1 列 出真值 表 表 3 1 图 3 1 三表决电 路 ABC 10 得出逻辑表达式并化简 Y 选用与非门器件 Y 所选的器件为 74LS00 和 74LS20 画出逻辑图 3 1 三 实验内容 1 参考例子 按照图 3 1 接电路 验证三变量表决电路 用 74LS00 和 74LS20 设计一个四人无弃权表决电路 多数赞成则提案通过 本设计可采用 四输入的双与非门实现 2 半加器的设计 在加法运算中 只考虑两个加数本身相加 不考虑由低位来的进位 这种加 法器称为半加器 根据半加器的要求列真值表 3 2 A B CY 1234567 891 0 1 1 1 2 1 3 1 4 图 3 2 74LS00 管脚 图 Vc c GN D 1 S C 图 3 2 半加 器 A B 11 表 3 2 逻辑表达式为S 选用元件为 74LS86 异或门 74LS00 画出电路图 3 2 若选用与非门器件 把原表达式化成与非 与非式 S 自己画出用与非门表示的半加器的电路图 3 全加器的设计 在加法运算中 不仅考虑两个加数本身相加 还要考虑从低位来的进位 这 种加法器称为全加器 列真值表 3 3 写出逻辑表达式 Sn Cn 选用元件为 74LS86 和 74LS00 所以全加器的逻辑图如图 3 3 表 3 3 An Bn Cn Sn Cn 1 A BS C 1 Sn 图 3 3 全加 器 1 A n B n C n Cn 1 12 四 实验报告要求 1 列写实验任务的设计过程 画出设计的电路图 2 对所设计的电路进行测试 记录测试结果 实验四 译码器 显示器 一 实验目的 1 了解译码器工作原理 2 掌握中规模集成译码器的逻辑功能和使用方法 3 熟悉数码管的使用 二 实验原理 译码器是一个多输入 多输出的组合逻辑电路 译码器的逻辑功能是将每个 输入的二进制代码译成对应的输出高 低电平信号 译码器在数字系统中有广泛 的用途 不仅用与代码的转换 终端的数字显示 还用与数据分配 存贮器寻址 和组合控制信号等 译码器可分为通用译码器和显示译码器两大类 通用译码器又分为变量译码器和 代码变换译码器 变量译码器 又称二进制译码器 如 2 4 线 3 8 线 4 16 线译码器 n 个输入变 量则有 2 个不同的组合状态 如图 4 1 的 2 4 译码 两个输入 得到四个输出 输入 A B 输出为 AB AB AB AB 所用的 74LS00 芯片为二输入的与非门 输出为低电平有效 A B Y0Y1 Y2Y3 图 4 1 二 四译码器原理 图 13 常用的显示器有荧光数码管 液晶数码管和半导体数码管 目前使用最多的 是半导体 数码管 半导体数码管又叫 LED 显示器 它由七个制成条状的发光二极管组成 具有图示共阴管和共阳管 BCD 码七段译码驱动器型号有 74LS47 74LS48 CC4511 等 图 4 2 为数码管的引脚图 数码管又分共阴 共阳两种 示意图如图 4 3 图 4 4 为译码驱动原理图 三 实验内容 1 验证 2 4 译码器功能 按照图 4 1 连接电路 A B 输入端接逻辑开关 M hagfedcb h a g fe dcb M 共阳 共阴 图 4 3 数码管示意 图 cdehM a b fg M 图 4 2 数码管引脚图 二 进 制 代 码 译 码 驱 动 显 示 图 4 4 译码驱动原理 图 14 输出接发光二极管 按照表 4 1 记录结果 所用芯片为 74LS04 74LS00 表 4 1 2 74LS48 的逻辑功能测试 芯片的 A B C D 端 BCD 码输入 接逻辑开 关 a b c d e f g 端接数码管的对应端 注意数码管的 M 一定要接地 3 4 5 脚接高电平 按照表 4 2 测试 记录 表 4 2 74LS48 芯片的引脚图如 4 6 74LS48 可以直接驱动共阴极的半导体数码管 A BY3 Y2 Y1 Y0 A B C D数码显示 12345678 91 0 1 1 1 2 1 3 1 4 图 4 674LS48 管脚图 1 5 1 6 abcd e fg ABCDL T BI LEGN D Vcc 1234567 891 0 1 1 1 2 1 3 1 4 图 4 5 74LS04 管脚 图 15 实验五 触发器及其相互转换 一 实验目的 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 了解触发器之间相互转换的方法 二 实验原理 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 5 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 0 置 1 和 保持 三种功能 通常 称 S 为置 1 端 因为 S 0 时触发器被置 1 R 为置 0 端 因为 R 0 时触发器 被置 0 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 Q Q RS 图 5 1 基本 RS 触 发器 1234567 891 0 1 1 1 2 1 3 1 4 图 5 2 74LS74 管脚 图 2Rd 1Sd 2D2C P 2Sd2Q 2Q Vcc 1D 1C P 1Q 1Sd1Q1Rd 1Sd GND 16 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 74LS174 CC14174 八 D 74LS374 等 图 5 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 5 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 0 状态 而把 Q 1 Q 0 定为 1 状态 JK 触发器常被用 作缓冲存储器 移位寄存器和计数器 CC4027 是 CMOS 双 JK 触发器 其功能与 74LS112 相同 但采用上升沿触发 R S 端为高电平有效 4 触发器之间的相互转换 在集成触发器的产品中 每一种触发器都有自己固定的逻辑功能 还可以利用 转换的方法获得具有其它功能的触发器 例如 JK 触发器可转为 D 触发器 如图 12345678 91 0 1 1 1 2 1 3 1 4 图 5 3 74LS112 管脚 图 1 5 1 6 1 K 1JGN D Vcc 1Q 1Sd1Q1CP 1Sd 2Q 1Rd 2Rd 2 K 2CP 1Sd 2J 2Q 2Sd JQ K Q CP D JK D 触发器的转 换 1 K D JK 触发器的转 换 Q QD 1 J CP 图 5 4 17 5 4 四 实验内容 1 测试基本 RS 触发器的逻辑功能 按图 5 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 5 1 的要 求测试 记录之 74LS00 的芯片引脚图见前面的实验中 表 5 1 Q输出状态 2 测试双 D 触发器 74LS74 的逻辑功能 74LS74 芯片内含两个 D 触发器 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 5 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 5 2 DCP Q 01 Sd 1Sd Q Q Rd 1Sd Sd 1Sd Rd 1Sd Sd 1Sd Q RS Rd 1Sd Q 18 10 2 测 试 D 触发器的 逻辑功能 在芯片上 选任一 D 触发器 D 端 接逻辑开关 CP 端接单脉冲 Signle ulse 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 5 3 2 测试双 JK 触发器 74LS112 逻辑功能 1 测试 Rd Sd 的复位 置位功能 任取一只 JK 触发器 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 5 4 要求 测试并记录 Rd Sd 对输出状态的控制 作用 表 5 4 DCPQnQn 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 JKCP 01 10 Rd 1Sd Sd 1Sd Rd 1Sd Sd 1Sd Rd 1Sd Sd 1Sd Q Rd 1Sd Sd 1Sd QQ 19 2 测试 JK 触发器的逻辑功能 按表 5 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 5 JKCPQnQn 1 0 1 0 00 1 0 1 0 01 1 0 1 0 10 1 0 1 0 11 1 四 总结 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 实验六 计数器及其应用 Q Q 20 一 实验目的 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 二 实验原理 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 6 1 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 CP Q JQ K CP Q JQ K CP Q JQ K CP Q JQ K CLR 清零 计数输入 Q0Q1Q2Q3 四位二进制加法计数 器 CP Q JQ K CP Q JQ K CP Q JQ K CP Q JQ K 清零 CLR Q0Q1 Q2Q3 四位二进制减法计数 器 21 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 如图 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 6 3 所示 每个十进制计数器又分为一个二进制 计数器和一个五进制计数器 既可单独用于二 五进制计数 也可串联成十进制 计数器 实验箱上已有译码驱动电路和发光数码管 电路原理如图 6 4 图 6 3 74LS390 管脚 图 12345678 9 10 111213 14 1516 GND Vcc 1C1RD1QA 1C 1QB1QC1QD 2C 2RD2QA2C 2QB2QC2QD C RD QRD C Q 0 Q 1 Q 2 1QA1QB1QC1QD 1C 1C 1RD 2QA2QB2QC2QD 2C 2C 2RD AB CD CD451 1 ABC D CD451 1 脉冲输 入 清 零 图 6 4 两位十进制计数译码显示 电路图 22 三 实验设备与器件 THD 1 数字电路箱 74LS 112 2 只 74LS 390 四 实验内容 1 用 74LS 112 触发器构成 4 位二进制异步加法计数器 1 按图 6 1 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 5 将图 6 1 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 23 2 测试 74LS 390 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 五 实验预习要求 1 复习有关计数器部分内容 2 绘出各实验内容的详细线路图 3 拟出各实验内容所需的测试记录表格 4 查手册 给出并熟悉实验所用各集成块的引脚排列图 六 实验报告 1 画出实验线路图 记录 整理实验现象及实验所得的有关波形 对实验结 果进行分析 2 画出所设计的二十五进制计数器的电路图 3 总结使用集成计数器的体会 实验七 555 定时器 24 一 实验目的 1 了解 RC 环形振荡器的组成 工作原理及调整振荡频率的方法 2 学会用示波器观察振荡器的工作情况 测定振荡周期 3 了解 555 集成定时器电路结构 工作原理及功能 4 掌握用 555 集成定时器组成单稳态触发器 多谐振荡器 二 实验原理 在数字系统中 常用到脉冲波形产生及整形电路 最常见的如多谐振荡器 单稳态触发器和施密特触发器等 这些电路可用分立元件 门电路组成 也可由 555 集成定时器组成 555 集成定时器是一种数字 模拟混合型的中规模集成电路 由于内部电压标准使用了三个 5k 电阻 故取名为 555 电路 作为一个独立的单 元电路可以用来构成各种定时电路 使用非常广泛 图 7 1 是 555 的逻辑框图 可以看出 它包含两个电压比较器 A1 和 A2 一 个基本 RS 触发器 一个放电开关管 T 比较器的参考电压由三只 5K 的电阻器构 成分压提供 它们分别使高电平比较器 A1 的同相输入端和低电平比较器 A2 的反 向输入端的参考电平为 2 3Vcc 和 1 3Vcc A1 和 A2 的输出端控制 RS 触发器状态 和放电管开关状态 当输入信号自 6 脚 即高电平触发输入并超过参考电平 2 3Vcc 时 触发器复位 555 的输出端 3 脚输出低电平 同时放电开关管导通 当输入信号自 2 脚输入并低于 1 3Vcc 时 触发器置位 555 的 3 脚输出高电平 同时放电开关管截止 RD是复位端 当 Rd 0 555 输出低电平 平时 Rd 端开路或接 VCC VC是控 制电压端 5 脚 平时输出 2 3Vcc 作为比较器 A1 的参考电平 当 5 脚外接一个 输入电压 即改变了比较器的参考电平 从而实现对输出的另外一种控制 在不 接外接电压时 通常接一个 0 01uf 的电容器到地 起滤波作用 以消除外来的干 A B D 7 TH 6 CO 5 TR 2 Vss 1 VDD 8 R 4 OUT 3 QD R R R 图 7 1CC555 逻辑框 图 Vs s TR OU T R COT H DVD D 1234 8765 图 7 2 555 管脚 图 25 扰 确保参考电平的稳定 1 C 环形多谐振荡器 电路如图 7 3 由三级非门联成环形 R 和 C 组成延时环节 工作电路状态 的转换主要取决于电容 C 的充 放电 改变电阻 R 或电容 C 的数值即可改变振荡 频率 第四级非门起整形作用 2 由 555 构成的多谐振荡器见图 7 3 R1 R2和 C 为外接元件 改变 R1 R2 和 C 的值可改变矩形波的频率和脉冲宽度 多谐振荡器产生的脉冲波形的周期由下式决定 T tW1 tW2 0 7 R1 2R2 C f 1 T 3 单稳态触发器 图 7 4 所示单稳态触发器 R C 为外接元件 改变 R C 的值即可改变输 出脉冲的宽度 即改变定时或延时时间 暂稳态的持续时间 tW 即为延时时间 决定于外接元件 R C 的大小 tW 1 1RC uo 图 7 3 RC 环形多谐震荡器 Vo Vc Vo Vc 1k VDD 5 V 1 2 3 48 7 6 5 4 7k 0 1 100 k 0 01 0 0 Vc Vo Vc Vc 图 7 3 多谐振荡 器 t t 26 三 实验内容 1 RC 环形振荡器 1 按图 7 2 接线 检查无误后接通电源 2 用示波器置于直流同时观察 uo ui 第三个与非门的输出 波形 并 将波形绘入表 7 1 3 用示波器测量振荡周期 T 和脉冲宽度 tP 记录 表 7 1 参数R C Uo 波形 Ui 波形 计算值T tp 2 由 555 定时器构成的多谐振荡器 1 按图 7 3 连接电路 检查无误后 接通电源 2 察并记录输出端和电容上电压波形 画出输出波形 粗测输出信号的周 期 1k VDD 5 V 1 2 3 48 7 6 5 4 7k 0 1 0 01 0 Vc Vo Vc Vc 图 7 4 单稳态触发器 t t Vi t 0 0 Vc i 27 表 7 2 参数R C Uo波形 Uc波形 振荡周期T计算 T测量 脉冲宽度 3 由 555 定时器构成的单稳态触发器 1 按照图 7 4 连接电路 检查无误后 接通电源 2 将实验箱的 1KHz 的连续脉冲信号 输入示波器 调节箱上的调节旋 钮 并观察示波器 使输出的的波为 1KHz 3 实验箱 1KHz 连续脉冲作输入信号 送入单稳电路的 2 端 用示波 器观察输出 Vo 与输入 Vi 的波形及时间对应关系 画出对应波形 测量 tW 表 7 3 参数R C Ui波形 Uo波形 Uc波形 延时时间T计算 T测量 28 四 总结 根据实验记录整理数据 记录各实验波形 进行定性分析 比较和讨论参数 T 或 TW 的实验测量值和理论估算值 实验八 移位寄存器 一 实验目的 掌握中规模四位双向移位寄存器逻辑功能及使用 二 实验原理 移位寄存器是一个具有移位功能的寄存器 是指寄存器中所存的代码能够在 移位脉冲的作用下依次左移或右移 既能左移又能右移的称为双向移位寄存器 只需要改变左 右移的控制信号便可实现双向移位要求 根据移位寄存器存取信 息的方式不同分为 串入串出 串入并出 并入串出 并入并出四种形式 本实验选用的四位双向通用移位寄存器 型号为 74LS194 与 CC40194 功能 相同 其中 D3 D2 D1 D0为并行输入端 Q3 Q2 Q1 Q0 为并行输出端 SR 为右移串行输入端 SL为左移串行输入端 S1 S0为操作模式控制端 CR为直接 图 8 1 74LS194 管脚 图 12345678 9 10 111213141516 GND Vcc CRSRD0D1 D2D3SL Q0Q1Q2Q3 CPS1S0 29 无条件清零端 CP 为时钟脉冲输入端 74LS194 有 5 种不同操作模式 即并行送数寄存 右移 方向由 Q3 Q0 左 移 方向由 Q0 Q3 保持及清零 S1 S0和 CR端的控制作用如表 8 1 所示 表 8 1 CPCRS1S0功能功能Q3 Q2 Q1 Q0 X0XX清除 使 Q3 Q2 Q1 Q0 0000 寄存器准备 工作 上升111送数 CP 上升沿作用后 并行输入数据 送入寄存器 Q3 Q2 Q1 Q0 D3 D2 D1 D0 此时串行数据 SRSL 被禁止 上升101右移 串行数据送至右移输入端 SR CP 上升沿进行右移 Q3 Q2 Q1 Q0 DSRD2 D1 D0 上升110左移 串行数据送至右移输入端 SL CP 上升沿进行右移 Q3 Q2 Q1 Q0 DSLD2 D1 D0 上升100保持 CP 作用后寄存器内容保持不变 串行数据送至右移输入端 SR CP 上升沿进行右移 Q3 Q2 Q1 Q0 Q3 Q2 Q1 Q0 上升1XX保持Q3 Q2 Q1 Q0 Q3 Q2 Q1 Q0 移位寄存器应用很广 可构成移位寄存器型计数器 顺序脉冲发生器 串行 累加器 可用作数据转换 即把串行数据转换为并行数据 或把并行数据转换为 串行数据等 D3 Q3 D2 Q2 D1 Q1 D0 Q0 SL SR CR CP S1 S0 D C B A 显示 单脉冲 图 8 2 移位寄存 器 1 2 3 4 5 逻辑 开关 30 三 实验内容 本实验验证 74LS194 各种功能 按照图 8 2 线 CR S1 S0 SL SR D3 D2 D1 D0分别接逻辑开关 Q3 Q2 Q1 Q0接 发光二极管 CP 接单脉冲 按照表 8 1 所规定的输入状态进行测试 1 清除 令 CR 0 其它输入均为任意态 这时输出为零 清零后 CR 1 2 送数 由表 8 1 知送数条件 注意 CR 端在实验前先由 1 状态变为 0 后 再 回到 1 状态达到清零的目的 例 送数 DCBA 0110 S1 S0 1 用 Cr 清零后 Cr 1 按 CP 脉冲 数码管显示为 6 自选几个数进行练习 可直接送数 不必再清零 3 根据表 8 1 设置左移和右移条件 验证之 并列表记录实验结果 1 右移 清零后 令 Cr 1 S1 0 S0 1 由右移输入端 Sr 送二进制数如 0100 由 CP 端连续加 4 个脉冲 观察输出情况 2 左移 先清零 令 Cr 1 S1 1 S0 0 由左移输入端 Sr 送二进制数如 0100 由 CP 端连续加 4 个脉冲 观察输出情况 4 根据表 8 1 观察移位寄存器的送数保持 任意置 4 位二进制码 令 Cr 1 S1 S0 0 加 CP 脉冲 观察输出状态 四 总结 1 简述实验时应注意的问题 2 总结 74LS194 的逻辑功能 31 实验九 综 合 实 验 参考题目 1 数字频率计 2 简易数字电压表 3 交通灯控制电路 4 电梯自动控制电路 5 简单的自动监控系统 参考实例 1 用 D 触发器设计三人智力抢答器 要求 1 设置一个主持人开关和三个个人抢答开关 2 按主持人开关 个人指示灯灭 并解除对抢答人的封锁 3 按个人开关 自身指示灯亮 同时封锁其他人的抢答 器件 74ls74 74ls27 74ls00 2 用移位寄存器设计双向八位彩灯控制电路 主持人开关 32 三人抢答器简单示意图 原理 由主持人开关通过 RD端控制个人抢答器端 A B C A B C 任两个触发器的输出端作为另一个输入端 可以在封锁解除后 A B C 任一 按下按钮的一端灯亮后 另两个不产生有效信号 实验十 EWB 实验 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 Interaction Image Technologies 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 Electronics Workbench lnk 33 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 数字器件库 控制器 件库 其它器件库及仪器库 1 信号源库 Sources 信号源库栏中各个按钮的名称如下 从左到右 第一行 接地 直流电压源 直流电流源 交流电压源 电压控制电压源 电压控制电流源 电流控制电压源 电流控制电流源 Vcc电压源 Vdd电压源及 时钟脉冲 第二行 调幅源 调频源 压控正弦波 压控三角波 压控方波 压控单脉 冲 分段线性源 压控分段线性源 频移键控 FSK 多项式源及非线性相关源 2 基本器件库 Basic 基本器件库栏中各个按钮的名称如下 从左到右 第一行 连接点 电阻 电容 电感 变压器 继电器 开关 延时开关 压控开关 流控开关及上拉电阻 第二行 电位器 排电阻 压控模拟开关 极性电容 可调电阻 可调电感 无芯线圈 磁芯及非线性变压器 3 二极管库 Diodes 二极管库栏中各个按钮的名称如下 从左到右 二极管 稳压二极管 发光二极管 全波桥式整流器 肖特基二极管 单向 晶闸管 双向晶闸管 34 4 晶体管库 Transistors 其中 分别为 N P 沟道砷化镓 5 模拟集成电路库 Analog ICs 模拟集成电路库栏中各个按钮的名称如下 从左到右 三端运放 五端运放 九端运放 比较器及锁相环 6 混合集成电路库 Mired ICs 混合集成电路库栏中各个按钮的名称如下 从左到右 A D 转换器 电流输出 D A 电压输出 D A 单稳态触发器及 555 电路 7 数字集成电路库 Digital ICs 8 逻辑门电路库 Logic Gates 逻辑门电路库栏中各个按钮的名称如下 从左到右 35 第一行 与门 或门 非门 或非门 与非门 异或门 同或门 三态缓冲 器 缓冲器及施密特触发器 第二行 与门 或门 非门 或非门 与非门 异或门 同或门 芯片及缓 冲芯片 9 数字器件库 Digital 数字器件库栏中各个按钮的名称如下 从左到右 第一行 半加器 全加器 RS 触发器 JK 触发器一 二 型及 D 触发器一 二 型 第二行 多路选择器 多路分配器 编码器 算术运算 计数器 移位寄存 器 芯片及触发器芯片 10 指示器件库 Indicators 指示器件库栏中各个按钮的名称如下 从左到右 电压表 电流表 灯泡 彩色指示灯 七段数码管 译码数码管 蜂鸣器 条形光柱及译码条形光柱 11 控制器件库 Contorls 控制器件库栏中各个按钮的名称如下 从左到右 电压微分器 电压积分器 电压比例模块 乘法器 除法器 三端电压加法 器 电压限幅器 电流限幅模块 电压滞回模块及电压变化率模块 12 其它器件库 Miscellaneous 其它器件库栏中各个按钮的名称如下 从左到右 熔断器 数据写入器 子电路网表 有耗传输线 无耗传输线 晶体 直流 36 电机 真空三极管 开关式升压变压器 开关式降压变压器 开关式升降压变压 器 文本框及标题栏 13 仪器库 Instruments 仪器库栏中各个按钮的名称如下 从左到右 数字万用表 函数发生器 示波器 波特图仪 字信号发生器 逻辑分析仪 逻辑转换仪 三 EWB 的基本操作方法 1 电路的创建 1 元器件的操作 主要包括 元器件的选用 元器件的移动 旋转 复制和删除 元器件标识 Label 编号 Reference ID 数值 Value 模型参数 Model 故障 Fault 等特性的设置 说明 元器件各种特性的设置可通过双击元器件弹出对话框进行 编号 Reference ID 通常由系统自动分配 必要时可以修改 但必 须保证编号的唯一性 故障 Fault 选项可供人为设置元器件的隐含故障 包括开路 Open 短路 Short 漏电 Leakage 无故障 None 等设置 2 导线的操作 主要包括 导线的连接 弯曲导线的调整 导线颜色的改变及连接点的使用 说明 连接点是一个小圆点 存放在无源元件库中 一个连接点最多可以 连接来自四个方向的导线 而且连接点可以赋予标识 向电路插入元件 可直接将元件拖曳放置在导线上 然后释放即可 插入电路中 3 电路图选项的设置 Circuit Schematic Open 对话框可设置标识 编号 数值 模型参数 接点 号等的显示方式及有关栅格 Grid 显示字体 Fonts 的设置 该设置对整个 电路图的显示方式有效 其中接点号是在连接电路时 ewb 自动为每个连接点分 配的 2 模拟仪表的使用 1 数字万用表 37 2 函数信号发生器 3 示波器 示波器的图标和面板以及各部分所代表的含义如下所示 其中 Expand 面板扩展按钮 Time base 时基控制 Trigger 触发控制 包括 Edge 上 下 跳变触发 Level 触发电平 触发信号选择按钮 Auto 自动触发按钮 A B A B 通道触发 按钮 Ext 外触发按钮 X Y position X Y 轴偏置 Y T B A A B 显示方式选择按 钮 幅度 时间 B 通道 A 通道 A 通道 B 通道 AC 0 DC Y 轴输入方 式按钮 AC 0 DC 4 波特图仪 38 波特图仪的图标和面板以及各部分所代表的含义如下所示 其中 Magniude P