2009年数字电路与逻辑设计实验

2009年数字电路与逻辑设计实验第一页，共101页。一、实验目的巩固和扩充学过的理论知识通过实验训练，使同学掌握必要的实验技能和培养科学的实验作风。第二页，共101页。二，实验要求了解所用仪器，熟练使用仪器具备对基本电路的分析和设计的能力拟定实验步骤，对电路进行必要的检测，查出故障与排除故障的能力综合实验结果与写实验报告的能力要求独立完成设计、安装、调整、测试的全过程实验中遇到问题自行解决。第三页，共101页。三、预习做实验之前要求先预习，每次实验课前检查完成预习报告见模板在实验过程中将实验数据直接填入预习报告。作为正式的实验报告。第四页，共101页。四，实验课要求上课时间：3学时课堂要求固定座位，不要随意走动，不要大声喧哗实验过程中做好记录每做完一个内容，先不要拆电路，待老师检查合格后签字才能做下一个内容下课时间到，即停止做实验离开实验室，要老师检查签字未做完的实验可抽时间补做第五页，共101页。实验器件一次发放，请妥善保管。到课程考试结束，交回实验室，发多少，交回多少。损坏照价赔偿。第六页，共101页。五、写实验报告实验报告需要按要求完成首页表格中信息必须完全模板中各项必不可少实验报告用A4纸单面书写实验中文字用钢笔书写，电路图及波形用铅笔画实验成绩：平时实验成绩：50％实验考试成绩：30％实验操作技术：20％第七页，共101页。六、实验考试第15周补作实验。第16周考试：考试时间：三小时。内容：方式：题目当场抽签，当场设计，当场作实验，当场写报告。实验完毕要记录实验所用时间。第17周补考。第八页，共101页。常用电子仪器的使用第九页，共101页。示波器万用表稳压电源函数信号发生器第十页，共101页。一，示波器示波器是利用示波管内电子射线的偏转，在荧光屏上显示出电信号波形的仪器。第十一页，共101页。示波器第十二页，共101页。示波器工作原理示波器是利用电子示波管的特性，将人眼无法直接观测的交变电信号转换成图像，显示在荧光屏上以便测量的电子测量仪器。示波器由示波管和电源系统、同步系统、X轴偏转系统、Y轴偏转系统、延迟扫描系统、标准信号源组成。第十三页，共101页。第十四页，共101页。示波器的特点能显示电信号的波形；能测量电信号的幅度、周期、频率和相位等；测量灵敏度高、过载能力强；输入阻抗高第十五页，共101页。示波器第十六页，共101页。示波器使用注意事项显示波形时，亮度不宜过亮尽量在屏幕的中心区域进行波形观察被测信号电压的数值不应超过示波器允许的最大输入电压调节各种开关、旋钮时，不要过分用力探头和示波器应配套使用不能互换第十七页，共101页。二，万用表可测多种电量的多量程电工测量仪表；测电阻测电流测电压…第十八页，共101页。万用表第十九页，共101页。数字万用表第二十页，共101页。V档：测电压，红“＋”，黑“－”；V-用于测量直流电压；V~用于测量交流电压；A档：测电流，串联入电路，电流从红表笔流入，从黑表笔流出；注意不能将电流表直接接在电源的“＋”、“－”之间；Ω档：测电阻，此时万用表使用内部电源，黑表笔对应高电势，红表笔对应低电势。第二十一页，共101页。注意事项使用前调零；注意万用表面板插孔的极性；量程转换开关必须拨在需测档位置；测直流电压、电流时，正负端应与被测的电压、电流正负端相接，测电流时须将表串接入电路；注意所测电量是交流还是直流；测电阻，需要先将表笔短路并“调零”，以确保测量的准确性；表盘上有多条标尺，要根据不同的被测量来读数；每次测量完毕，将转换开关拨到交流电压最高档。第二十二页，共101页。三，直流稳压电源是将交流电转变为稳定的、输出功率符合要求的直流电设备。第二十三页，共101页。稳压电源第二十四页，共101页。稳压电源使用方法可调电源作为稳压源使用将稳流调节旋钮顺时针调节到最大打开电源开关调节电压输出至所需值第二十五页，共101页。可调电源作稳压电源使用时，任意限流保护值的设定打开电源调节电流旋钮向正上方调节电压旋钮至5.7V将稳流输出调节旋钮逆时针调至最小短接正、负端输出顺时针调节稳流输出调节旋钮，使输出电流等于所要设定的限流值0.5A解除电源正负极之间的短接第二十六页，共101页。稳压电源使用注意事项避免电源正负端短路输出电压正极接负载正端、输出电压负极接负载负端第二十七页，共101页。四，函数信号发生器一种能够产生多种波形的信号发生器可产生：正弦波、方波、三角波输出电压大小和频率可以调节第二十八页，共101页。函数信号发生器第二十九页，共101页。函数信号发生器使用方法打开电源选择所需产生的信号波形选择所需信号的频率视需要调节输出幅度或信号直流分量视需要调节占空比TTL输出：输出TTL方波或脉冲波，信号高低电平固定，分别为5V和0V第三十页，共101页。练习内容熟悉以上仪器的使用方法用函数信号发生器产生频率为1kHz的TTL方波，并在示波器上显示；调节函数信号发生器上频率其他按钮，观察波形有何变化。用函数信号发生器产生频率为1kHz的正弦波，并在示波器上显示；调节函数信号发生器上频率其他按钮，观察波形有何变化。用直流稳压电源产生5V直流电压，保护电流值设为500mA，分别用万用表和示波器进行测量。第三十一页，共101页。实验一TTL与非门的静态参数测试一、器件使用1、集成芯片的使用1234567地141312111098Vcc74LS00注意：TTL门电路对电源电压VCC要求较严，VCC只允许在+5V±10%的范围内工作，超过5.5V将损坏器件，低于4.5V器件的逻辑功能不正常。第三十二页，共101页。2、实验箱（电位器）3、万用表4、示波器二、实验内容每块74LS00包含4个与非门，前面的内容选其中的一个进行测试。高电平输入电流IIH较小，难以测量，测不出则以0µA记录。第三十三页，共101页。集成电路的功耗和集成密度密切相关。功耗大的的元器件则集成度不能很高。

当输出端空载,门电路输出低电平时电路的功耗称为空载导通功耗Pon。当输出端为高电平时，电路的功耗称为空载截止功耗Poff。平均功耗P=(Pon+Poff)/2。例如74H系列TTL门电路，平均功耗为22毫瓦。而CMOS门电路平均功耗在微瓦数量级。第三十四页，共101页。电压传输特性第三十五页，共101页。平均传输延迟时间tpd

用七个与非门构成环形振荡器至示波器波形tV第三十六页，共101页。实验二组合逻辑电路分析与设计其中内容5选做一、电路故障排除：（1）电源、接地是否正确。（2）断线或接触不稳的判断：除非是悬空，否则，如果测得电压1.4伏左右。（3）线路连接错误。（4）设计错误。第三十七页，共101页。实验二组合逻辑电路分析与设计

内容1：将四位二进制码B3B2B1B0码转换为四位循环码G3G2G1G0。逻辑函数式：

G3=B3G2=B3B2+B3B2G1=B2B1+B2B1G0=B1B0+B1B0用与非门实现G2=B3B2.B3B2G1=B2B1.B2B1G0=B1B0.B1B0用异或门实现G2=B3⊕B2G1=B2⊕B1G0=B1⊕B0第三十八页，共101页。二、实验内容1、设计转换电路自行设计B3B2B1B0G3G2G1G0输入二进制码输出循环码第三十九页，共101页。转换电路B3B2B1B0接模拟开关接0-1显示器2.电路测试G3G2G1G0第四十页，共101页。接0-1显示器3、74LS197构成16进制计数器作为代码转换电路的输入信号74LS197QDQCQBQACPA手动单步脉冲CrLD11QDQCQBQA0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111CPB第四十一页，共101页。转换电路B3B2B1B0接0-1显示器74LS197QDQCQBQACPA手动单步脉冲CrLD11CPBG3G2G1G0第四十二页，共101页。转换电路B3B2B1B0接示波器74LS197QDQCQBQACPA(接函数发生器）连续脉冲（10KHz）CrLD114.动态测试CPBG3G2G1G0第四十三页，共101页。电压波形图之间相位测试两路输入，VerticalMode置AltTriggeringMode置AUTO，或NORMTriggeringSource置CH1或CH2如果波形图不稳或不出现则可调LEVEL第四十四页，共101页。CPG1G2G3G00000100011000100第四十五页，共101页。下周实验实验三利用MSI设计组合逻辑电路第四十六页，共101页。实验三利用MSI设计

组合逻辑电路要求：内容1，内容2作完要分别检查。内容1：用八选一数据选择器设计一个函数发生器电路注意接电源，接地，附加控制端应接低电平。01010011YS0S1BA+BA⊕BA功能表S1S0ABY00000001001000110100010101100111100010011010101111001101111011110001011101101100第四十七页，共101页。第四十八页，共101页。CPB(QA)A(QB)S0(QC)S1(QD)Y动态测试。74LS197接成16进制计数器，观测输出波形。第四十九页，共101页。内容2：1、原理：ABCF0F1F2F3F4F5F6F7000001010011100101110111D00000000D00000000D00000000D00000000D00000000D00000000D00000000D第五十页，共101页。2、线路连接，按教材提示连接。注意：地址输入端A、B、C与A2、A1、A0的连接顺序。3、静态测试地址输入端接模拟开关，输出端接0-1显示器。对照真值表检测。4、动态测试用74LS197连接成8进制。其输出作为地址输入端。观测记录输入输出波形。第五十一页，共101页。A0A1A2S274LS138第五十二页，共101页。实验四译码显示电路1、七段发光二极管数码管实验箱上数码管是共阴极，注意两个公共端已经相连，实验时连接一个即可。2、BCD码七段译码驱动器

74LS48，本身已有上拉电阻。实验时不必另接。3、四位双向移位寄存器74LS194

功能见本实验附表（2）其功能有：第五十三页，共101页。（1）S1=S0=0，保持原来的状态不变（2）S1=0，S0=1，右移DSR为右移送数端，当脉冲到来时，其状态变化情况。DSR→Q0→Q1→Q2→Q3Q0n+1=DSRQ1n+1=Q0Q2n+1=Q1Q3n+1=Q2第五十四页，共101页。（2）S1=1，S0=0，左移DSL为右移送数端，当脉冲到来时，其状态变化情况。DSL→Q0→Q1→Q2→Q3Q0n+1=Q1Q1n+1=Q2Q2n+1=Q3Q3n+1=DSL第五十五页，共101页。（3）S1=1，S0=1，并行送数D0、D1、D2、D3为并行送数端，当脉冲到来，其状态变化情况。Q0n+1=D0Q1n+1=D1Q2n+1=D2Q3n+1=D3第五十六页，共101页。Q0Q1Q2Q3S1DSRS0D0D1D2D3Cr5VQQR1c1JK5V接模拟开关CP接连续脉冲1-2Hz5V接0-1显示器15V74LS194第五十七页，共101页。设计灭灯电路。当输入为伪码即输入为1010—1111时，使灭灯输入IB有效即IB=0，显示电路灭灯。00110000111111110001101100011011A3A2A1A0f=A3+A2A1f=A3.A2A1实验四译码显示电路第五十八页，共101页。4设计伪码灭灯电路自己设计。第五十九页，共101页。YaYbYcYdYeYfYg74LS48A3A2A1A0LTIBRIB5V接模拟开关Q0Q1Q2Q3S1DSRS0D0D1D2D3Cr5VQQR1c1JK5V接模拟开关CP接连续脉冲1-2Hz5V接0-1显示器注意：启动节拍发生器时，应先清零，即将清零模拟开关放置在低电平，待清零置数后，清零模拟开关放置在高电平。cccccccc15V伪码灭灯电路74LS194第六十页，共101页。实验五组合电路中的竞争与冒险

1、F=AB+BCD+ACD要求只有原变量输入即实现时不能用模拟开关的反变量，要实现反变量，用非门。没有非门，可用与非门。要能观察到竞争冒险现象，实现时应尽可能使同一变量的经过两条路径到达同一点时，两条路径相差的门数尽可能多。F=AB.CBD.AD按上式画逻辑图（自己画）2、写出真值表111111110001101100011011ABCD第六十一页，共101页。3、静态测试验证真值表。4、观测A的险象。中值宽度毛刺幅度第六十二页，共101页。5、6、判断险象是否影响下一级电路的正常工作，应看毛刺的幅度大小。1FCFF’F’（5）（6）7、同内容48、使用公式AB+AC+BC=AB+AC本实验中F=AB+BCD+ACD=AB+BCD+ACD+BCD冗余项第六十三页，共101页。实验六同步计数器的设计第六十四页，共101页。实验内容二一、设计（1）根据实验要求可以的该特殊十二进制计数器状态转换图。0001→0010→0011→0100→0101→0110

↑↓1100←1011←1010←1001←1000←0111第六十五页，共101页。（2）确定电路所需触发器数目有效状态为m=12，求所需触发器数目n。

2n≥m=12可得n=4（3）画出次态卡诺图1011110010101001xxx00010111100001100101001101000010X0001101100011011Q3nQ2nQ1nQ0n第六十六页，共101页。（4）求出每个触发器的状态方程1001xxx11001100X0001101100011011Q3nQ2nQ1nQ0n1010xxx01010101X0001101100011011Q3nQ2nQ1nQ0n0100xxx01011010X0001101100011011Q3nQ2nQ1nQ0n1111xxx00100000X0001101100011011Q3nQ2nQ1nQ0nQ0n+1=Q0Q1n+1=Q0Q1+Q0Q1Q2n+1=Q1Q0Q2+(Q3Q1+Q3Q0)Q2Q3n+1=Q2Q3+Q2Q1Q0Q3第六十七页，共101页。(5)求各触发器的驱动方程Q0n+1=Q0Q1n+1=Q0Q1+Q0Q1Q2n+1=Q1Q0Q2+(Q3Q1+Q3Q0)Q2Q3n+1=Q2Q3+Q2Q1Q0Q3J0=K0=1J1=K1=Q0J2=Q1Q0，K2=Q3Q1+Q3Q0=Q3Q1Q0J3=Q2Q1Q0，K3=Q2第六十八页，共101页。（6）检查自启动1011110010101001001100000010000101111000011001010011010000100010001101100011011Q3nQ2nQ1nQ0n1111↓000011011111↓↓↓0001→0010→0011→0100→0101→0110↑↓1100←1011←1010←1001←1000←0111Q3Q2Q1Q0第六十九页，共101页。（7）画出逻辑图Q0Q1Q2Q3第七十页，共101页。二、实验1、电源：一般为5±0.25V

（1）如果将电源接入电路后稳压源为零及指示灯暗，而将电源连线拔出，则稳压源正常及指示灯变亮，则可断定，你连接的电路中有短路现象。（2）如果低电平时“0-1”显示器微亮，高电平时更亮，则可断定接地有问题。2、时序逻辑器件，不能以悬空代替高电平。3、时序逻辑器件的清零端和置1端。如果是低电平有效，则正常工作时这两端都接1。反之如果是高电平有效，则正常工作时这两端都接。0。4、用示波器观察和记录波形：一般是比较两个波形的相位关系。待观察信号分别接入CH1、CH2VerticalMode置“ALT”第七十一页，共101页。TriggeringMode置“NORM”或“AUTO”TriggeringSource，置CH1或“CH2”若波形不显示或不稳定则可调“LEVEL”5、电路故障：（1）电源、接地是否正确。（2）断线或接触不稳的判断：除非是悬空，否则，如果测得电压1.4伏左右。（3）线路连接错误。（4）设计错误。（5）元器件使用不当或功能不正常（6）仪器（主要指数字电路实验箱）和集成器件本身出现故障。第七十二页，共101页。6、故障检查（1）查线法：由于在实验中大部分故障都是由于布线错误引起的，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）观察法：用万用表直接测量各集成块的Vcc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。第七十三页，共101页。（3）动态跟踪检查法对于时序电路，将触发器的输出接0-1显示器，输入时钟信号，观察状态变化。如发现某个触发器该触发而没有触发，则可判断该触发器有问题。（a）检查该触发器输入端连接是否正确。（b）这时将状态停留在错误的状态的前一个状态，用万用表测量该触发器的输入端状态。根据输入端状态，如果触发器该翻转而没有翻转，则判断触发器本身故障，应更换器件。以上检查故障的方法，是指在仪器工作正常的前提下进行的，如果实验时电路功能测不出来，则应首先检查供电情况，若电源电压已加上，便可把有关输出端直接接到0—1显示器上检查，若逻辑开关无输出，或单步CP无输出，则是开关接触不好或是内部电路坏了，否则，一般就是集成器件坏了。第七十四页，共101页。实验七计数译码显示综合实验1用74LS160分别构成8421码十进制和六进制计数器，并连接成一个60进制的计数器使用实验箱上LED显示以函数信号发生器提供1-2Hz的计数脉冲第七十五页，共101页。QAQBQCQD74LS160（2）CPABCDQAQBQCQD74LS160（1）CPABCDabcdefg74LS48（2）

A0A1A2A3abcdefg74LS48（1）

A0A1A2A3QCCS1S20LD&CPS1S21LD1CrCr1LTIB/YBRIBRLTIB/YBRIBR11第七十六页，共101页。实验七译码显示电路实验内容1，2按课本要求做，主要是实验内容3内容3，可选下列之一作（1）作一四位扫描显示电路（2）作一二位扫描显示电路第七十七页，共101页。1、作一二位扫描显示电路（1）设计灭灯电路。当输入为伪码即输入为1010—1111时，时灭灯输入IB有效即IB=0，显示电路灭灯。00110000111111110001101100011011A3A2A1A0f=A3+A2A1f=A3.A2A1第七十八页，共101页。YaYbYcYdYeYfYg74LS48A3A2A1A0LTIBRIB5V接模拟开关QQc11K1JCP接连续脉冲，1-2HzR15V5V5V&&&&第七十九页，共101页。2、作一四位扫描显示电路（1）设计灭灯电路。当输入为伪码即输入为1010—1111时，时灭灯输入IB有效即IB=0，显示电路灭灯。00110000111111110001101100011011A3A2A1A0f=A3+A2A1f=A3.A2A1第八十页，共101页。(2）设计四节拍顺序脉冲发生器Q0Q1Q2Q3MBDSRMAD0D1D2D3Cr5VQQR1c1JK5V接模拟开关CP接连续脉冲5V5V1第八十一页，共101页。YaYbYcYdYeYfYg74LS48A3A2A1A0LTIBRIB5V接模拟开关Q0Q1Q2Q3MBDSRMAD0D1D2D3Cr5VQQR1c1JK5V接模拟开关CP接连续脉冲1-2Hz5V接0-1显示器注意：启动节拍发生器时，应先清零，即将清零模拟开关放置在低电平，待清零置数后，清零模拟开关放置在高电平。&&&&cccccccc15V第八十二页，共101页。实验八8421码检测电路的设计一、设计

1、求原始状态转换图设电路输入为x，电路输出为F，当输入为非法码时输出为1，否则输出为0。假设起始状态S0，从该状态开始根据输入是0还是1，将分别转换到两个不同的状态S1和S2，从S1和S2接收第二个码元，又根据是0还是1又各自转换到两个不同的新状态。然后再接收第三、第四码元。在接收第四个码元后，根据所接收的代码是否是非法码而确定其输出是否是1，并回到初始状态S0，准备接受新的一组码组。第八十三页，共101页。S0S1S2S3S4S6S5S7S8S9S10S11S12S13S14S0S0S0S0S0S0S0S0Sx/F0/01/00/00/00/01/0S0S0S0S0S0S0S0S01/01/00/01/00/01/00/01/00/01/00/01/10/01/10/01/10/01/00/01/10/01/10/01/18421码检测器原始状态图第八十四页，共101页。原始状态转换表x01S0S1/0S2/0S1S3/0S4/0S2S5/0S6/0S3S7/0S8/0S4S9/0S10/0S5S11/0S12/0S6S13/0S14/0S7S0/0S0/0S8S0/0S0/1S9S0/0S0/1S10S0/0S0/1S11S0/0S0/0S12S0/0S0/1S13S0/0S0/1S14S0/0S0/1Sn+1S等效状态是输入相同输出相同并且次态也相同。等效状态可以合并。第八十五页，共101页。x01S0S1/0S2/0S1S3/0S4/0S2S5/0S6/0S3S7/0S8/0S4S9/0S10/0S5S11/0S12/0S6S13/0S14/0S7S0/0S0/0S8S0/0S0/1S9S0/0S0/1S10S0/0S0/1S11S0/0S0/0S12S0/0S0/1S13S0/0S0/1S14S0/0S0/1Sn+1S2、状态化简（找出等效状态合并）S8、S9、S10、S12、S13、S14为等效状态，合并为S8，在出现这些状态的地方用S8代替。S7和S11等效合并后用S7表示。x01S0S1/0S2/0S1S3/0S4/0S2S5/0S6/0S3S7/0S8/0S4S8/0S8/0S5S7/0S8/0S6S8/0S8/0S7S0/0S0/0S8S0/0S0/1S9S0/0S0/1S10S0/0S0/1S11S0/0S0/0S12S0/0S0/1S13S0/0S0/1S14S0/0S0/1Sn+1S第八十六页，共101页。x01S0S1/0S2/0S1S3/0S4/0S2S5/0S6/0S3S7/0S8/0S4S8/0S8/0S5S7/0S8/0S6S8/0S8/0S7S0/0S0/0S8S0/0S0/1Sn+1SS3和S5等效，合并为S3S4和S6等效，合并为S4x01S0S1/0S2/0S1S3/0S4/0S2S3/0S4/0S3S7/0S8/0S4S8/0S8/0S5S7/0S8/0S6S8/0S8/0S7S0/0S0/0S8S0/0S0/1Sn+1S第八十七页，共101页。x01S0S1/0S2/0S1S3/0S4/0S2S3/0S4/0S3S7/0S8/0S4S8/0S8/0S7S0/0S0/0S8S0/0S0/1Sn+1SS1和S2等效合并为S1x01S0S1/0S2/0S1S3/0S4/0S2S3/0S4/0S3S7/0S8/0S4S8/0S8/0S7S0/0S0/0S8S0/0S0/1Sn+1S第八十八页，共101页。x01S0S1/0S1/0S1S3/0S4/0S3S7/0S8/0S4S8/0S8/0S7S0/0S0/0S8S0/0S0/1Sn+1S令S0=A，S1=B，S3=C，S4=D，S7=E，S8=Fx01AB/0B/0BC/0D/0CE/0F/0DF/0F/0EA/0A/0FA/0A/1Sn+1S第八十九页，共101页。3、状态分配XXEFBCDA0100011011Q3nQ2nQ1n即A=000、B=010、C=011D=001、E=101、F=100代入简化状态表。x01000010/0010/0010011/0001/0011101/0100/0001100/0100/0101000/0000/0100000/0000/1Q3nQ2nQ1nx01AB/0B/0BC/0D/0CE/0F/0DF/0F/0EA/0A/0FA/0A/1Sn+1SA=000、B=010、C=011D=001、E=101、F=100第九十页，共101页。4、由状态转换表可