数字逻辑实验指导书.docx
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数字逻辑实验指导书
数字电路与数字逻辑实验指导书
ZY11DC12BD
SchoolofComputerScience&Technology
计算机体系结构教研室编写
目录
实验箱总体框图1
实验箱使用说明2
实验注意事项6
数字逻辑电路实验基本知识7
数字逻辑与数字电路实验项目9
实验一半加器实验9
实验二全加器实验10
实验三译码器实验11
实验四奇/偶校验电路实验13
实验五组合逻辑电路的设计与测试15
实验六数据选择器实验18
实验七计数器实验19
实验八移位寄存器及其应用21
实验九综合设计实验24
实验十TTL门电路的逻辑功能测试
注：
1.加法器实验做半加器实验2.奇/偶校验电路实验
3.组合逻辑电路实验（74ls10，表决电路）
4.电子器件测试做实验十
实验箱总体框图
实验箱使用说明
实验箱组成模块：
一、数字逻辑电路实验箱主电路板
二、RAM&ROM模块扩展板
三、A/D、D/A模块扩展板
四、数字钟模块扩展板
五、ALTERA7128适配板
六、LATTICE1032E适配板
各个组成模块的主要功能：
一、数字逻辑电路实验箱主电路板
1、信号源单元：
该模块为实验箱其它功能模块提供丰富的信号源。
主要由固定频率信号源，模拟信号源，单次脉冲源组成。
固定频率信号源包含各种频率的方波：
1HZ，10HZ，100HZ，500HZ，1KHZ，10KHZ，100KHZ，200KHZ，500KHZ，1MHZ，2MHZ，4MHZ；模拟信号源包含三角波、正弦波和方波三种波形，通过跳线TX1，TX2，TX3改变电容的容值来改变模拟信号源各输出波形的频率段范围，电容有1000pf（102）,0.01uf（103）,0.1uf（104）可选，调节电位器W203可以细调各波形频率段范围的输出频率，另外调节电位器W206可改变模拟信号源正弦波和三角波的输出幅值（方波不可调），W204和W205调节正弦波的失真度，W202调节方波的占空比，正弦波和三角波的输出通过拨动“波形选择”开关来选择；单次脉冲源有正脉冲输出和负脉冲输出两种，按下S201就会产生一个正的或负的脉冲，它与按下的时间长短无关。
当要使用信号源模块中的信号源时，只需要将其接入相应的输入端，对该模块上电即可。
2、逻辑电平输出
此模块的主要功能是提供高低电平。
当需要一个高电平时，将拨位开关拨上即可，对应的发光二极管发光，同样需要一个低电平将拨位开关拨下即可。
除了16个拨位开关提供的逻辑电平输出以外，本实验系统还提供由8个轻触按键开关组成的电平输出，将其按下输出为低电平，不按始终输出高电平。
3、点阵和喇叭
点阵为8×8点阵，即有8行和8列。
它的发光规律为：
列为低电平，行为高电平时，对应的点发光，例如第一列为低电平，第一行为高电平则对应点阵的最左上角的点亮，即第一行，第一列亮。
喇叭是带有功率放大的，调节W501，可以改变输出功率的大小。
4、逻辑电平显示
它的主要作用是对输出电平的高低进行显示，如果发光二极管发光，则对应的输出为高电平，相反发光二极管不发光，则对应的输出为低电平。
5、可置换元件库
此元件库的最大特点是元器件的可置换性。
元件库中提供了八组元器件的转接装置，您可以根据需要自行选择合适的元件插入库中相应的位置，然后通过实验系统自带的连接线引出。
元器件库的可置换性为实验系统的操作使用提供了足够的空间和极度的方便性、灵活性。
10K，100K两个多圈精密电位器使得实验箱的硬件资源更加丰富。
6、数码管模块
此模块包含两个部分：
Ø共阴数码管和共阳数码管
此模块设计力求灵活可变，当需要两个共阴的数码管时，只需将共阳数码管拔起，换上共阴数码管即可，同样需要两个共阳数码管，只需将共阴数码管拔起，换上共阳数码管。
另外还可以做共阴共阳数码管的单独实验。
（实验箱上提供的TOS5101AH为共阴数码管，TOS5101BH为共阳数码管，它们的第3脚和第8脚为公共端。
）
Ø带驱动显示电路的数码管模块
此模块含有六个带有驱动显示电路的共阴极数码管。
数码管由74LS248驱动，能够正常显示十进制数字。
这种带有驱动显示电路的设计是在经过6.1模块的学习以后，节省实验时间的最好选择。
7、逻辑笔模块
此模块为使用者提供了一个非常方便而又实用的小工具——逻辑笔。
此逻辑笔能够显示逻辑电平的高、低、高阻、脉冲等四种状态。
当被测电平为逻辑高电平（高于2.4V）时，对应高电平红色指示灯发光。
当被测电平为逻辑低电平（低于0.4V）时，对应低电平黄色指示灯发光。
当被测输出端为高阻态（介于0.4～2.4V之间）时，对应的高阻态绿色指示灯发光。
当被测端为脉冲序列时，高低电平指示灯依照脉冲频率，轮换闪烁发光。
二、RAM&ROM模块
此模块主要是关于大规模集成电路中的存储器实验，分为RAM实验和EEPROM实验。
1、RAM实验
该实验是关于静态RAM即SRAM的实验，我们所要做的工作就是将数据按照一定的时序写入RAM中，然后按照一定的时序关系将其读出，这样来达到模拟实际应用中暂存数据的目的。
通过这样一些操作来理解SRAM的使用方法和使用规则。
2、EEPROM实验
在EEPROM中，存有字符的程序，我们所要做的就是将这些数据正确的读出来并显示，因为在微电子高速发展的今天，ASIC已经应用到各个领域，对于初学这些知识的学生来说，首先要弄清楚它们的基本原理，在此基础上，再学习它们的使用方法。
如果条件允许，可以自己编写字符，然后用专用的芯片烧录器将程序写入EEPROM中。
三、A/D、D/A模块
此模块包含D/A和A/D两个部分的实验。
1、D/A转换实验
此实验有两种数据的输入方式，一种是自己通过高低电平输入数据，另外一种就是从计算机的并行口由计算机通过软件发送数据。
经过D/A转换后，观察显示的模拟输出量，并分析D/A转换的原理。
2、A/D转换实验
此实验有两种处理数据的方式，一种是自己输入一个模拟量，如直流信号源，正弦波，三角波等，经过A/D转换后用逻辑电平显示单元的发光二极管进行数据的显示，另外一种就是将A/D采集到的数据由计算机的并行口传送至计算机，通过软件处理后显示在一个界面上。
注意做此实验时，转换时钟使用的是信号源单元的500KHZ时钟。
四、数字钟模块
数字钟实验由秒计时电路，分计时电路，小时计时电路，校时电路和报时电路组成。
首先它们是一个一个单独的部分，只有读懂了他们的原理，才可能将其组成一个完整的数字钟。
通过秒计时电路，分计时电路可以观察60进制的显示，小时计时电路是一个特殊的12进制计数器。
当时钟走的不准，就需要校准，在数字钟实验中，只对分和小时进行校准，它有快校准和慢校准两种方式。
当时钟走到了整点，就会模仿电台，进行4低音1高音报时。
此模块在数字钟的校时和整点报警部分只给出了电路原理图。
需要学生自行搭建电路调试，最后实现数字钟的整体组合。
这样设计的目的是增加本实验系统的实践动手性，此实验也是本实验系统中，由浅入深的六个数字电路分析、设计与实现实验的开始。
此部分实验渐进式为学生充分掌握数字系统的分析、设计与实现方法、手段提供了精心的设计，合理的深度安排，各有侧重的知识点。
使得学生通过完成此部分实验，真正领会数字电路系统开发的精髓。
五、ALTERA7128适配板
1、安装
将ALTERA7128适配板装到实验箱主电路板的扩展区域上，注意保持线桥畅通以及稳固的连接，否则芯片无法上电，更无法下载，甚至有可能损坏器件。
另外四周的四个孔插上固定用橡胶头，以免摆动，损坏芯片。
2、下载
在计算机的并口与7128适配板的并口之间连上实验箱所附25芯电脑线，然后上电，此时适配板上的电源指示灯会发光指示。
下载时，按照实验指导书中的步骤操作。
六、LATTICE1032E适配板
1、安装
将LATTICE1032适配板装到实验箱主电路板的扩展区域上，注意保持线桥畅通以及稳固的连接，否则芯片无法上电，更无法下载，甚至有可能损坏器件。
另外四周的四个孔插上固定用橡胶头，以免摆动，损坏芯片。
2、下载
在计算机的并口与1032适配板的并口之间连上实验箱所附25芯电脑线，然后上电，此时适配板上的电源指示灯会发光指示。
下载时，按照实验指导书中的步骤操作。
数字逻辑电路实验箱扩展板
1、关于线桥结构的说明
本实验系统主电路板与扩展板（包括适配板）的连接方式采用线桥结构。
主电路板有2个线桥接口，分别为线桥接口一和线桥接口二；扩展板与适配板可能用到1～2个线桥接口。
每一个线桥接口有40路数据（或信号）通路，分别从扩展板的相应输出端连接至主电路板上的IC插座模块中。
线桥接口一在每一个扩展板实验中都会用到，它的每个引脚端口引至IC插座模块的第四排，由IC-8（20个端口）、IC-9（14个端口）、A、B、C、D、+5V、GND共四十个端口组成。
其中IC-8和IC-9的34个端口具有复用性：
在进行扩展板实验时它们是输入或输出端口，在进行基础性实验时，它们分别是20PIN和14PIN的IC插座。
A、B、C、D四个端口为纯预留端口，它们只与线桥连接。
+5V和GND端口已经与电源模块+5V和GND连接，实验时不用另外连接；线桥接口一从上到下，从左往右引脚值依次递增。
插孔数顺序：
从DIP20（IC-8）的1脚开始到20脚，再从DIP14（IC-9）的1脚开始到14脚，然后是A、B、C、D、GND、＋5V。
线桥接口二则是专门为7128适配板、1032适配板预留的，它的每个引脚端口引至IC插座模块的第三排，由IC-7组成，同样IC-7的40个端口具有复用性。
线桥接口二与DIP40周围的40个插孔一一对应。
线脚接口二从上到下，从左往右引脚值依次递增。
插孔数顺序：
DIP40的1脚开始到40脚。
用户也可以根据实际需要自行设计扩展板，以配合实验系统提供的丰富的硬件资源和信号资源综合使用。
这样高二次开发性能的结构也正是本实验系统的设计初衷。
2、安装与连接
将数字逻辑电路实验箱扩展板或适配板装到实验箱主电路板的扩展区域上，注意保持线桥畅通以及稳固的连接（注意正反顺序不要接错），否则扩展板无法固定，更无法上电。
另外四周的四个孔插上固定用的香蕉头，以免摆动，损坏芯片。
做相关扩展板或适配板的实验时扩展板或适配板的线桥接口和主板的线桥接口通过实验箱提供的40芯连接线对应连接。
3、使用
将扩展板或适配板固定并连接后，实验操作全部在主电路板上完成，这样方便各种资源的利用和操作的集中性。
需要观察的实验现象，部分有扩展板提供，部分通过线桥连接到主电路板上的硬件资源中显示，如果需要借助其他的测量仪器（如数字万用表、双踪示波器等）测量时，在主电路板中都专门留出测试点以供测量。
具体的线桥连接示意图见各扩展板实验指导书后的附页。
实验注意事项
1、电源的打开顺序是：
先开交流开关（实验箱中的船形开关），再开直流开关，最后打开各个模块的控制开关。
电源关掉的顺序刚好与此相反。
2、切忌在实验中带电连接线路，正确的方法是断电后再连线，进行实验。
3、实验箱主电路板上所有的芯片出厂时已全部经过严格检验，因此在做实验时切忌随意插拔芯片。
4、实验箱中的叠插连接线的使用方法为：
连线插入时要垂直，插入后稍做旋转，切忌用力，拔出时用手捏住连线靠近插孔的一端，然后左右旋转几下，连线自然会从插孔中松开、弹出，切忌用力向上拉线，这样很容易造成连线和插孔的损坏。
5、实验中应该严格按照老师的要求和实验指导书来操作，不要随意乱动开关，芯片及其它元器件，以免造成实验箱的损坏。
6、IC插座的IC-7插座中，可以在上面的两个20PIN插座（J2、J3处）中插上相应芯片，只需管脚对应即可；也可以插上40PIN芯片（J1、J3插座中插上相应芯片）；但切忌在J1插座与J2插座之间装用芯片作实验，因为它们是连通的。
7、如果在实验中由于操作不当或其它原因而出现异常情况，如数码管显示不稳定、闪烁，芯片发烫等，首先立即断电，然后报告老师，切忌无视现象，继续实验，以免造成严重后果。
8、实验中所用的元件都需要自行配置，元件名称都在实验设备与器件中写出，在实验中不同公司和国家的同种功能的元件可替换，比如CD系列的与CC系的同各功能的集成芯片可替换。
数字逻辑电路实验基本知识
一、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、74F181、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。
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。
双列直插式封装有以下特点：
1、正面（上面）看，器件一端有一个半园的缺口，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。
双列直插式封装IC引脚数有8、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能够稍作改变，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；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楚它的引脚图，找对电源和地，避免因接线错误造成器件损坏。
本实验箱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，使插头与插孔之间松开，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、拔器件只能在关断电源的情况下进行。
二、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。
Ø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，观察输入和输出之间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上动态脉冲信号，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。
Ø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，从而解决它。
一般的说，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准确。
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测试器件。
需要指出的是，一般的集成电路测试仪只能检查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、延迟时间等动态特性，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
接线错误是最常见的错误。
据有人统计，在教学实验中，大约70％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；连接线和插孔接触不良连线经多次使用后，有可能外面的塑料包皮完好，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模块不工作或者工作不正常，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；检查连线和插孔是否接触良好；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。
最后画好逻辑图以及接线图。
（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，如果用示波器观测，而示波器没有同步，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，这点应引起足够的注意。
不过，在数字电路实验中，这种现象很少发生。
当实验中发现结果与预期不一致时，千万不要慌乱。
应仔细观测现象，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入插座中，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，则需要考虑设计问题。
数字逻辑与数字电路实验项目
实验一半加器实验
一、实验名称：
半加器实验
二、仪器、设备：
数字逻辑实验仪：
一台
74LS86：
一片
74LS08：
一片
三、实验（设计）目的：
1.熟悉数字逻辑实验仪的用法
2.设计并实现一个半加器
四、实验步骤：
1.熟悉数字逻辑实验仪的各组成部分及其功能；
2.熟悉芯片的用法；
3.分析实验原理，确定实验方案；
4.按照实验方案对所使用的芯片进行连线；
5.检查线路连接；
6.接通电源，验证实验结果，填写实验数据；
7.若实验结果出现错误，则切断电源，重新检查线路和芯片，查找并纠正错误；
8.实验结果完全正确，则完成实验，关闭电源，整理实验操作台。
五、实验原理、数据（程序）记录：
1.实验原理
①半加器真值表
被加数A
加数B
和S
进位C
0
0
0
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
0
1
②输出表达式
S=
；C=AB
③实验电路图和芯片引脚图
2.实验数据记录：
请同学们观察实验数据并填入下表：
被加数A
加数B
实验结果
SC
0
0
0
1
1
0
1
1
实验二全加器实验
一、实验名称：
全加器实验
二、仪器、设备：
数字逻辑实验仪：
一台
74LS86：
一片
74LS10：
两片
三、实验（设计）目的：
1.熟悉数字逻辑实验仪的用法
2.设计并实现一个全加器
四、实验步骤：
1.熟悉数字逻辑实验仪的各组成部分及其功能；
2.熟悉芯片的用法；
3.分析实验原理，确定实验方案；
4.按照实验方案对所使用的芯片进行连线；
5.检查线路连接；
6.接通电源，验证实验结果，填写实验数据；
7.若实验结果出现错误，则切断电源，重新检查线路和芯片，查找并纠正错误；
8.实验结果完全正确，则完成实验，关闭电源，整理实验操作台。
五、实验原理、数据（程序）记录：
1.实验原理
①全加器真值表
被加数A
加数B
进位输入Ci
和S
进位输出Co
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
1
0
1
0
0
1
1
0
1
1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
②输出表达式
S=
；Co=AB＋BCi+ACi
③实验电路图和芯片引脚图
2.实验数据记录：
请同学们观察实验数据并填入下表：
被加数A
加数B
进位输入Ci
实验结果
和S
进位输出Co
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
实验三译码器实验
一、实验名称：
译码器实验
二、仪器、设备：
数字逻辑实验仪：
一台
74LS138：
一片
三、实验（设计）目的：
验证三八译码器的功能。
四、实验步骤：
1.熟悉芯片的用法；
2.分析实验原理，确定实验方案；
3.按照实验方案对所使用的芯片进行连线；
4.检查线路连接；
5.接通电源，验证实验结果，填写实验数据；
6.若实验结果出现错误，则切断电源，重新检查线路和芯片，查找并纠正错误；
7.实验结果完全正确，则完成实验，关闭电源，整理实验操作台。
五、实验原理、数据（程序）记录：
1.实验原理
①三八译码器真值表
输入信号
CBA
输出信号
000
11111110
001
11111101
010
11111011
011
11110111
100
11101111
101
11011111
110
10111111
111
01111111
②芯片引脚图
2.实验数据记录：
请同学们观察实验数据并填入下表：
输入信号
CBA
输出信号
000
001
010
011
100
101
110
111
实验四奇/偶校验电路实验
一、实验名称：
奇/偶校验电路实验
二、仪器、设备：
数字逻辑实验仪：
一台
74LS86：
一片
三、实验（设计）目的：
设计并实现一个奇/偶校验电路
四、实验步骤：
1.熟悉芯片的用法；
2.分析实验原理，确定实验方案；
3.按照实验方案对所使用的芯片进行连线；
4.检查线路连接；
5.接通电源，验证实验结果，填写实验数据；
6.若实验结果出现错误，则切断电源，重新检查线路和芯片，查找并纠正错误；
7.实验结果完全正确，则完成实验，关闭电源，整理实验操作台。
五、实验原
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