数字电路实验讲义8实验 2选做实验.docx
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数字电路实验讲义8实验2选做实验
《数字电子技术基础》实验指导手册
首都师范大学信息工程学院
2015年8月
目录
第一章数字电路实验基本知识
第二章基本实验
实验一基本逻辑门特性
实验二逻辑门电路的功能
实验三 基本触发器
实验四 译码器和多路数据选择器
实验五全加器设计与实现
实验六 简单时序电路
实验七减法计数器的设计与实现
实验八 集成计数器
第三章选作实验
选做实验一 组合逻辑中的竞争冒险
选做实验二秒计时显示器的制作
第一章数字电路实验基本知识
一、数字集成电路芯片：
中，小规模数字IC中最常用的是TTL（晶体三极管逻辑）电路和CMOS（互补场效应管逻辑）电路，TTL器件型号以74（或54）作为前缀，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电路为74HC/HCT系列。
TTL电路与CMOS电路各有优缺点，一般来说TTL电路速度快，驱动能力强；CMOS电路功耗小，电源范围大，输入阻抗高。
由于TTL在世界范围内应用极广，在数字电路教学实验中主要使用TTL电路的74系列作为实验用器件，采用单一的+5V作为供电电源。
数字IC器件有多种封装形式。
在实验教学中主要采用74系列的双列直插封装形式的IC芯片。
双列直插封装芯片的正面示意图如右图所示,它有以下特点：
1.双列直插封装器件的引脚从正面看，器件的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。
图中的数字表示引脚号。
双列直插封装的IC引脚有8、14、16、20、24、28等若干种。
2.双列直插封装器件有两种引脚。
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）有窄（7.62毫米）两种。
将器件插入实验台相应的插座中去或从插座中拔出时要小心，不要将器件的引脚搞弯或折断。
通常要借助小起子进行操作。
特别注意：
不要带电插拔器件！
插拔器件只能在关断+5V电源的情况下进行。
二、数字电路测试及故障查找、排除：
1.数字电路测试
数字电路测试大体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，测试其输出值是否正确。
在静态测试的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。
一般来说，时序电路应进行动态测试。
2.数字电路故障查找和排除
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。
一般来说，有四方面的原因产生问题：
器件故障；接线错误；设计错误；测试方法不正确。
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。
实验故障大部分是由于接线错误引起的，因此一定要认真、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。
确认若无上述问题，可取下器件测试，以检查器件好坏，或直接更换一个新的器件。
如果器件和接线都正确，则需考虑电路的设计是否有问题。
三、TDS数字电路实验台简介：
TDS-1数字电路实验系统是一种通用的实验设备。
在这个设备上既能够使用中小规模器件做简单数字电路实验，又可以用PLD、CPLD或ISPLD器件做较为复杂的数字系统实验。
图1－1是TDS-2数字电路实验系统布局图。
下面介绍它的基本组成部分。
1.电源
TDS数字电路实验系统自备一路+5V、1A电源。
2.双列直插芯片插座
为了适应数字电路实验不同阶段的要求，实验台上安排了11个双列直插芯片插座（14芯4个、16芯2个、20芯2个、24芯2个、28芯1个）
3.时钟源
TDS-2数字电路实验系统提供5路时钟（10MHz、5MHz、1MHz、500KHz、100KHz）和1路可调频率的时钟（从1KHz～100KHz的可调方波信号）。
4.单脉冲及相位滞后脉冲
TDS-2数字电路实验系统安排了4个单脉冲按钮（AK1、AK2、AK3、AK4），
可分别可产生4路脉冲信号，按键上方的上排插孔连续输出1～4个窄脉冲，下排插孔输出一个宽脉冲。
按AK1产生4个窄脉冲和一个宽脉冲，AK2产生3个和一个宽脉冲，……，按AK4产生1个窄脉冲和一个宽脉冲，见图1－2所示。
5.逻辑电平开关及发光二极管LED
逻辑电平开关由12个拨动开关组成，（向上为1，向下为0）。
12只发光二极管LED用来指示信号电平的高低（接高电平时亮，接低电平时灭）。
6.数码管及驱动电路
实验系统上安装了6个共阳极数码管。
每个数码管由1片BCD七段显示译码器（74LS47）驱动。
只需在各数码管的4个输入插孔（D为高位，A为低位）
图1－1是TDS-2数字电路实验系统布局图
接入BCD码，数码管就能显示出相应的数字。
当TEST接低电平时，所有数码管显示“8”。
图1－2宽脉冲和四个窄脉冲
7.喇叭及驱动电路（说明省略）
可用于发声，时钟报时、音乐发声装置。
8.EPROM和GAL编程器（说明省略）
9.ISP器件下载及实验电路（说明省略）
第二章基本实验
实验一
（一）基本逻辑门的逻辑特性
一、实验目的
1.掌握TTL与非门、与或非门和异或门输入与输出之间的逻辑关系。
2.熟悉TTL中、小规模集成电路的外型、管脚和使用方法。
3.熟悉数字逻辑实验台的操作方法
二、实验所用器件和仪表
1．二输入四与非门74LS001片
2．二输入四或非门74LS02（28）1片
3．二输入四异或门74LS861片
4．数字万用表，镊子等
三、实验内容
1．测试二输入四与非门74LS00一个与非门的输入和输出之间的逻辑关系。
2．测试二输入四或非门74LS02一个或非门的输入和输出之间的逻辑关系。
3．测试二输入四异或门74LS86一个异或门的输入和输出之间的逻辑关系。
四、预习要求
1．复习门电路工作原理及相应逻辑表达式。
2．熟悉所用集成电路的引脚位置和用途。
3．准备好实验报告纸，预先写好实验内容、实验步骤。
五、实验提示
1．选择实验用的芯片，确定其引脚个数后插在实验板上合适的位置，通常芯片的半圆缺口朝左。
2．查阅附录，了解所用芯片引脚的排列及输入输出定义。
3．将被测器件插入实验台上的14芯插座中。
插拔集成电路芯片时要仔细认真，管脚一定要对准插座孔，正确无误地插入，避免管脚插歪引起管脚折断。
4．将器件的引脚7与实验台的“地（GND）”连接，将器件的引脚14与实验台的+5V连接。
注意不要接反，否则芯片会烧毁损坏。
5．用实验台的电平开关输出作为被测器件的信号输入。
拨动开关向上，输出高电平，向下则输出低电平。
6．将被测器件的输出引脚与实验台上的电平指示灯（LED）连接，LED由非门驱动，当输入端接高电平时LED灯亮，即指示灯亮表示被测电路输出为1（高电平），指示灯灭表示被测电路输出为0（低电平）。
7．实验电路的连线全部接好并检查无误，并仔细检查后，方可打开电源开关。
8．若有不确定或不明白之处请问实验指导教师。
六、实验接线图
74LS00中包含4个二与非门，74LS02（28）中包含4个二或非门，74LS86中包含4个异或门，下面各画出测试第一个逻辑门逻辑关系的接线图。
测试其他逻辑门时的接线图与之类似。
测试时各器件的引脚7接地，引脚14接+5V。
图中的K1、K2是电平开关输出，LED0是电平指示灯。
1．测试74LS00的逻辑关系接线图2．测试74LS02（28）的逻辑关系接线图
K2
K1
K2
K1
LED0
LED0
K1
3.测试74LS86的逻辑关系接线图
K2
LED0
参考：
74LS0074LS2874LS86引脚定义
与非门74LS00或非门74LS02（28）异或门74LS86
4．分别测试上述逻辑电路（00，02，86）的逻辑关系，将测试输出结果填入下面的表格中。
基本门电路的逻辑关系表
输入A
输入B
00输出Y1
02输出Y2
86输出Y3
L
L
1
1
0
L
H
1
0
1
H
L
1
0
1
H
H
0
0
0
逻辑表达式
七、实验报告要求：
1．实验名称（题目），班级、学号、姓名
2．实验目的
3．实验仪器
4．实验内容
（1）画出三个实验的接线图。
（2）用真值表表示出实验结果。
实验一
（二）逻辑门电路的功能
一、实验目的
1．熟悉门电路的逻辑功能
2．学习逻辑门电路的应用
二、
实验所用器件和仪表
1．根据实验要求在74LS00，74LS02，74LS04，74LS86中选择可用的芯片
2．示波器
三、实验内容
1．
用与非门组成或非门并测试验证：
（或者用非门加与非门）
画出电路图，连线，测试并填写真值表
2．利用与非、或非门控制输出
⑴或非门一输入端接500KHZ信号源，另一端接电平控制开关K1，输出端接示波器，观察K1对输出脉冲的控制作用并列写实验结果。
⑵将或非门换成与非门，重复实验步骤⑴。
四、实验预习要求
1．正确选择实验用芯片，
2．根据实验要求画出完整的逻辑电路图，标注出引脚编号
3．准备好实验报告纸，完成实验预习报告（实验目的，实验仪器、材料，实验原理图、表格等）
五、实验报告
1．按测试步骤和内容要求列写实验结果，填写相应表格；
2．用理论分析实验内容2的实验结果。
参考：
74LS00、74LS28、74LS86的管脚定义参考实验一。
下图是74LS04的管脚定义。
74LS04（六反相器）
实验二TTL、HC和HCT器件的电压传输特性
一、实验目的
掌握TTL、HC和HCT器件的传输特性。
二、实验所用器件和仪表
1．六反相器74LS041片
2．六反相器74HC041片
3．六反相器74HCT041片
4．数字万用表等
三、实验说明
与非门的输出电压VO与输入电压VI的关系VO=f（VI）叫做电压传输特性，也称电压转移特性。
它可以用一条曲线表示，叫做电压传输特性曲线。
从传输特性曲线可以求出非门的下列有用参数：
●输入高电平（VIH），输入低电平（VIL）
●输出高电平（VOH），输出低电平（VOL）
●门槛电压（VT）
四、实验内容
1．测试TTL器件74LS04一个非门的传输特性。
2．测试HC器件74HC04一个非门的传输特性。
3．测试HCT器件74HCT04一个非门的传输特性（选做实验）。
五、实验提示
1．注意被测器件的引脚7和引脚14分别接地和+5V。
2．将实验台上4.7K电位器的一端接地，另一端接+5V。
电位器的中端接非门输入端，作为被测非门的输入电压。
旋转电位器可改变电压值。
3．万用表放在测电压挡，接好连线，确认无误后，打开电源开关。
4．从输入电压为0V开始测量，电位器旋转要缓慢。
曲线变化较慢的地方按步长0.5V，变化较大的地方按0.05V调整非门输入电压。
先用万用表监测非门的输入电压，调好以后，再用万用表测量非门的输出电压，并记录下来。
5．重复步骤4，直到测至输入电压为5V。
六、实验接线图及实验结果
1．实验接线图
由于74LS04、74HC04和74HCT04的逻辑功能相同，因此三个实验的接线图是一样的。
下面以第一个逻辑门为例，画出实验接线图（电压表表示电压测试点）如下：
2．填写输出无负载时74LS04、74HC04和74HCT04电压传输特性测试结果
表2－2电压传输特性测试表
输入VI（V）
输出V0（V）
74LS04
74HC04
7474HCT04
0
3．画出输出无负载时74LS04、74HC04和74HCT04电压传输特性曲线。
4．求出74LS04、74HC04和74HCT04的VIL，VIH，VOL，VOH和VT。
5．从VIL，VIH和VOL几方面比较三条电压传输特性曲线，说明各自的特点。
七、实验报告要求
1．实验目的
2．实验仪器
3．实验内容：
（1）用表格形式记录74LS04、74HC04和74HCT04的电压传输特性。
（2）画出74LS04、74HC04和74HCT04的电压传输特性曲线。
（3）比较三条电压传输特性曲线，说明各自的特点。
4．总结对本次实验的收获。
实验三三态门实验
一、实验目的
1．掌握三态门逻辑功能和使用方法。
2．掌握用三态门构成总线的特点和方法。
3．学会用示波器测量简单的数字波形
二、实验所用器件和仪表
1．四2输入正与非门74LS001片
2．三态输出的四总线缓冲门74LS1251片
3．示波器、万用表
三、实验内容
1．接法：
74LS125三态门的输出负载为74LS00一个与非门输入端。
74LS00同一个与非门的另一个输入端接低电平（见实验内容1，2接线图）。
测试：
74LS125三态门的高阻态输出、高电平输出、低电平输出的电压值。
同时测试74LS125三态输出时74LS00输出值。
2．接法：
74LS125三态门的输出负载为74LS00一个与非门输入端。
74LS00同一个与非门的另一个输入端接高电平。
测试：
74LS125三态门的高阻态输出、高电平输出、低电平输出的电压值。
同时测试74LS125三态输出时74LS00输出值。
3．用74LS125两个三态门输出构成一条总线。
使两个控制端一个为低电平，另一个为高电平（见实验内容3接线图）。
一个三态门的输入接1MHZ信号，另一个三态门的输入接500KHZ信号。
用示波器观察三态门的输出。
四、实验提示
1、三态门74LS125的控制端C为低电平有效。
2、用实验台的电平开关输出作为被测器件的输入。
拨动开关，则改变器件的输入电平。
五、实验接线图
1．实验内容1和2接线图：
图中K1、K2、K3是电平开关输出，电压表指示电压测量点。
拨动电平开关K1、K2、K1，则改变74LS00一个与非门输入端、74LS125三态门控制端、三态门输入端的电平。
2．实验内容3接线图：
用三态门74LS125构成总线时，只要将三态门输出并联即可，在任何时刻，构成总线的三态门中只允许一个控制端为低电平，其余控制端应为高电平。
图中K1是电平开关输出。
六、实验预习要求
准备好实验报告纸，完成实验预习报告（实验目的，实验仪器、材料，画出实验原理图、表格等）
七、实验报告
1．按测试步骤和内容要求列写实验结果，填写相应表格；
2．分析实验1和实验2中三态门输出电压不同的原因
3．分析用三态门实现数据双向传输的工作原理。
实验四 译码器和多路数据选择器
一、实验目的
1．熟悉译码器的逻辑功能和使用方法，
2．熟悉数据选择器的逻辑功能，
3．熟悉组合电路的设计方法。
二、实验所用器件和仪表
74LS139双2—4译码器1片
74LS1383—8译码器1片
74LS153双4选1数据选择器1片示波器
三、预习要求
1．复习译码器和多路数据选择器的基本概念和工作原理。
2．完成实验预习报告（实验目的，实验仪器、材料，画出实验原理图、表格等）
四、实验内容
1．测试集成译码器LS138的逻辑功能
将74LS138译码器的使能端G1、G2A、G2B和输入端C、B、A分别接电平开关Ki，i=1－6（C为高位，A为低位），输出端接电平指示灯，测试74LS138的逻辑功能，并填入真值表中。
输入
K1K2K3K4K5K6
输出
/Y7/Y6/Y5/Y4/Y3/Y2/Y1/Y0
100000
100001
100010
100011
100100
100101
100110
100111
0×××××
×11×××
74LS138
右图：
74LS138真值表
注：
×表示可取任意值。
2．译码器的转换
实现用一片双2—4译码器（74LS139）构成一个3—8译码器
1画出逻辑功能电路图。
2接线并验证结果是否正确。
参考：
74LS139实验测试接线图和74LS139逻辑状态表如下：
74LS139逻辑状态表
输入端
输出端
允许
G
选择
BA
Y0Y1Y2Y3
H
L
L
L
L
XX
LL
LH
HL
HH
HHHH
LHHH
HLHH
HHLH
HHHL
74LS139实验接线图
3．测试74LS153中一个４选１数据选择器的逻辑功能。
提示：
1如下图所示，将４个数据输入引脚C0、C1、C2、C3分别接实验台上的10MHz、1MHz、500KHz、100KHz脉冲源。
使能端引脚G和控制端引脚A、B接拨动开关K1、K2、K3。
参考：
74LS153实验测试接线图和74LS153逻辑状态表如下：
74LS153逻辑状态表
选择输入
数据输入
选通
输出
BA
C0C1C2C3
G
Y
XX
LL
LL
LH
LH
HL
HL
HH
HH
XXXX
LXXX
HXXX
XLXX
XHXX
XXLX
XXHX
XXXL
XXXH
H
L
L
L
L
L
L
L
L
L
L
H
L
H
L
H
L
H
图中K1、K2、K3是电平开关的输出。
2改变拨动开关K1、K2、K3的值，用示波器观测其不同组合下的数据选择器输出端OUT的波形，计算输出的频率值，填入表中。
可选择100KHz连续脉冲作为参照。
五、实验报告
1．按测试步骤和内容要求列写实验结果，填写相应表格；
2．分析74LS139和74LS153中引脚G的功能；
3．总结问题和收获。
74LS13974LS153
实验五全加器设计与实现
一、实验目的
1、熟悉全加器的逻辑功能
2、熟悉全加器的设计方法
二、实验所用器件和仪表
1、六反相器74LS04或者74HC041片
2、74LS153双4选1数据选择器1片
三、实验预习要求
1、复习理论课上讲述的一位全加器基本概念以及如何用数据选择器设计组合逻辑电路。
2、完成实验预习报告（实验目的，实验仪器、材料，画出实验原理图等）
四、实验内容
1、用一片74LS153数据选择器和必要的辅助门电路实现全加器功能。
提示：
1写出全加器的逻辑表达式
2画出连接图
3按连接图构成电路并测试其功能，通过实验验证方法的正确性。
4记录实验结果
2、思考如何用基本门电路和半加器实现全加器?
画出电路图。
在实验报告
五、实验报告
1．按测试步骤和内容要求列写实验结果，自行设计表格并填写；
2．总结问题和收获。
实验六 基本触发器
一、实验目的
1．掌握RS触发器、D触发器、JK触发器的逻辑特性和触发方式。
2．学会正确使用各集成触发器芯片。
二、实验所用器件和仪表
74LS002输入4与非门1片
74LS74双D触发器1片
74LS112双JK触发器1片
双踪示波器
三、实验内容
1．用74LS00构成一个基本RS触发器并测试其功能。
1基本RS触发器电路如下图所示。
Rd、Sd端接数据开关，/Q、Q端接电平指示灯。
2改变Sd、Rd的值，观测记录/Q、Q的状态值记录在下表中。
RS触发器真值表
RdSd
Q/Q
逻辑功能
00
11
10
01
注：
根据触法器的定义，/Q和Q应互补，因此R=0，S=0是非法状态。
3当Rd、Sd都接低电平时，观察Q、/Q的状态。
当Sd、Rd同时由低电平跳到高电平时注意观察Q、/Q端的状态，重复35次观察Q、/Q端的状态是否相同，以理解“不定”状态的含义。
2．D触发器（上升沿触发）功能测试
1如右图所示，将74LS74芯片CLR（复位）、PR（置位）、D端引脚分别接实验台数据开关K1、K2、K3，Q、/Q端接LED电平指示灯。
CP引脚接单步脉冲按钮开关AK1产生的宽单脉冲输出。
2按下表输入要求进行测量，并将结果填入表中。
（注意：
表中的×代表取值可任意（0或者1），表示上升沿触发。
）
D触发器真值表
CLRPR
CP
D
Qn
Qn+1
01
×
×
0
1
10
×
×
0
1
11
0
0
1
11
1
0
1
11
保持
0或1
×
0
1
3置CLR=1，PR=1，D接100KHz脉冲，CP接500KHz脉冲，示波器输入接D、Q端，同时观测并记录D端、Q端波形；
4示波器输入接CP、Q端，同时观测并记录Q的波形与CP前后沿的关系；
5置CLR端和PR端为“1”，将D和/Q端相连，CP接500KHz连续脉冲，用双踪示波器观察并记录Q相对于CP的波形，画出波形并总结。
3．JK触发器（下降沿触发）功能测试
1将74LS112按右图接线（引脚定义见附录）,Q、/Q端接电平指示灯。
2按JK触发器的真值表中标注的输入要求进行测量，并将结果填入表中。
（注意：
表中的×代表取值可任意（0或者1），表示下降沿。
）
JK触发器的真值表
CLRPR
CP
J
K
Qn
Qn+1
11
0
×
0
11
1
×
0
11
×
0
1
11
×
1
1
3置CLR端和PR端为”1”，J=K=”1”，CP端加连续脉冲，用双踪示波器观察并记录Q相对于CP的波形。
4将74LS112的波形与74LS74的波形比较，有何异同点？
四、按实验要求完成实验报告
实验七 简单时序电路
一、实验目的
1．掌握简单时序电路的分析、设计、测试方法。
2．了解计数器、寄存器的工作原理。
二、实验所用器件和仪表
74LS175四D触发器1片
74LS74双D触发器2片
双踪示波器
三、实
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