数字电路实验指导书第一次实验用.docx
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数字电路实验指导书第一次实验用
数字电路
实验指导书
上海大学精密机械工程系
2010年10月
一、前言
二、实验一基本电路逻辑功能实验
三、实验二数字键输入编码功能实现电路设计
四、实验三二进制数字存储功能电路设计
五、实验四译码器实验
六、实验五比较器实验
七、实验六加法器实验
八、实验七计数器实验
九、附录一数字电路实验基本知识
一十、附录二常用实验器件引脚图
一十一、附录三实验参考电路
一十二、附录四信号定义方法与规则
一十三、附录五DS2018实验平台介绍
前言
《数字电路A》课程是机电工程及自动化学院机械工程自动化专业和测控技术与仪器专业的学科基础必修课。
课程介绍数字电路及控制系统的基本概念、基本原理和应用技术，使学生在数字电路方面具有一定的理论知识和实践应用能力。
该课程是上海大学和上海市教委的重点课程建设项目和上海大学精品课程，课程教学内容和方式主要考虑了机械类专业对电类知识的需求特点，改变了电子专业类（如信息通信、电气自动化专业）这门课比较注重教授理论性和内部电路构成知识的方式，加强应用设计性实验，主要目的是让学生能在理论教学和实验中学会解决简单工程控制问题的基本方法和技巧，能够设计基本的实用逻辑电路。
本书是《数字电路A》的配套实验指导书，使用自行开发的控制系统设计实验箱，所有实验与课堂理论教学相结合，各实验之间相互关联，通过在实验箱上设计构建不同的数字电路功能模块，以验证理论教学中学到的各模块作用以及模块的实际设计方法。
在所有功能模块设计结束后，可以将各模块连接在一起，配上输入输出装置，构成一个完整的工程控制系统。
为本课程配套的输入输出装置是颗粒糖果自动灌装控制和一维直线运动控制，颗粒糖果自动灌装系统的框图如下图所示：
颗粒糖果灌装系统框图
本套实验需要设计的功能模块包括：
编码器、寄存器、译码器、比较器、加法器、计数器、光电码盘辩向处理电路、步进电机旋转控制环形分配电路等。
上述各功能电路模块、完整的颗粒糖果灌装或一维直线运动控制系统可以由实验箱上的可编程逻辑器件完整实现。
同时，系统中各功能模块也可由实验者分别用小规模的数字集成电路芯片在实验箱的散件区构建和调试，当小规模的数字集成电路芯片构建的功能模块符合要求后，可以将所设计的分功能模块电路与实验箱上的由可编程逻辑器件实现的颗粒糖果灌装或一维直线运动控制系统电路按预定规则连接，即可看到整个控制系统的工作状态，又能了解分模块电路的设计方法和在整个控制系统中的应用技术。
从而帮助实验者建立实用控制工程系统设计的基本理念。
实验中所需要的常用集成电路芯片引脚信息、实验箱的使用说明等资料可以在本指导书后面的附录中查找。
实验一基本电路逻辑功能实验
1、实验目的
学习简单的逻辑电路的设计方法，掌握简单逻辑控制工程问题用逻辑电路实现的方法。
2、实验仪器和器件
1、DG2018数字电路实验系统
2、74LS00二输入与非门
3、74LS06非门
4、万用表
3、实验内容和步骤
1、实验内容：
参考教科书p34的信息，设计楼梯灯两位开关控制电路
2、实验要求：
（1）用与门和或门设计
（2）用与非门设计（3）用或非门设计（实验时可用的集成电路芯片型号和引脚图见附录）
3、在DG2018数字电路实验系统上分别接好设计好的电路，两个开关变量分别接在两个逻辑开关上，输出接发光二极管指示器L，并将集成电路芯片的Vcc、地（GND）分别与电源的+5V和地接通。
4、改变逻辑开关K，实现各输入高、低电平变换，用发光二极管L观察输出逻辑状态，并用万用表测量输出电平值，用真值表形式记录输入输出关系，并由真值表写出逻辑表达式。
四、预习内容
1、熟悉有关门电路的内容，预习实验指导书后附录所给出的实验箱的使用说明。
2、按三、2中要求，列出3种形式的逻辑表达式，画出逻辑电路图，从实验指导书后列出的可用的集成电路芯片中选择芯片，设计出接线图，设计实验结果记录表。
五、实验报告要求
1、分别写出三、2中要求设计的3种形式的逻辑表达式、逻辑电路图、接线图；在DG2018数字电路实验系统上进行功能测试的实验记录。
根据实验记录的数据分析上述设计的逻辑表达式的正确性。
2、思考题：
在居家房屋装潢中，如何实现上述的楼梯两位开关控制逻辑，画出工程电气图。
实验二数字键输入编码功能实现电路设计
一、实验目的
1、了解数字键输入信号转换为二进制编码信号的工作原理，掌握用小规模集成数字编码器电路实现数字键输入编码功能的应用技术。
2、理解数字键输入方法和在颗粒糖果灌装或一维直线运动控制中设定参数的输入方法和工程应用技术。
3、理解并掌握小规模集成数字编码器电路的工作原理及应用技术。
4、思考如何用多块小规模集成数字编码器电路实现多位编码器功能的扩展技术。
二、实验仪器和器件
1、DG2018数字电路实验系统
2、74LS00二输入与非门
3、74LS08二输入与门
4、74LS06非门
5、74LS148八-三编码器
6、万用表
三、实验内容和步骤
1、74LS148等逻辑芯片的引线和逻辑图见附录。
2、采用74LS00、74LS08和74LS06等逻辑门芯片设计一个四-二编码器。
在DG2018数字电路实验系统上用逻辑芯片实现数字编码器功能，信号输入接拨码开关SW1~SW4，输出信号接LED0~LED1。
3、采用74LS148和逻辑门芯片设计将“0至9”的十个数字键的输入信号转换为四位二进制的编码输出的优先编码器功能，实现按键/拨动开关的数字编码功能。
（1）在DG2018数字电路实验系统上用逻辑芯片实现数字编码器功能，信号输入接拨码开关SW1~SW9，输出信号接LED0~LED3。
（2）改变拨码开关，实现各输入信号的改变，用发光二极管L观察输出逻辑状态，并用万用表测量输出电平值，记录输入输出关系，并做好实验记录。
（3）将输出信号接实验箱的F1、F2、F3、F4，改变输入拨动开关，观察实验箱的二位数码显示器的变化。
四、预习内容
1、设计所需逻辑电路，画出逻辑电路图和接线图。
设计实验结果记录表。
2、掌握数字编码器的工作原理及扩展应用技术。
3、了解“0至9”的十个数字键的输入信号转换为四位二进制的编码输出的优先编码器功能，编写四位数字编码器的逻辑关系并写出逻辑表达式，并要求SW0优先权最低，SW9有最高优先权。
数字编码器电路在颗粒糖果灌装或一维直线运动控制系统中的功能是将用按键或拨动开关输入的每瓶要灌装的颗粒数转换为对应的二进制编码。
五、实验报告要求
1、编写四-二编码器的真值表与逻辑表达式，并画出逻辑门实现电路。
2、采用74LS148和逻辑门芯片设计“0至9”键的四位数字编码器，画出实现电路。
3、整理出各项测试结果记录，根据实测结果列出各种门电路的真值表。
4、思考“0至9”数字键的四位数字编码器在颗粒糖果灌装或一维直线运动控制系统中所起的功能，该功能有否其它替代方法。
附录一数字电路实验基本知识
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74LSl0、74F161、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，采用+5V作为供电电源。
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。
图1是双列直插封装的正面示意图。
图1双列直插式封装图
双列直插封装有以下特点：
1．从正面（上面）看，器件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1中的数字表示引脚号。
双列直插封装IC引脚数有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有宽（15．24毫米）、窄（7．62毫米）两种。
两列引脚之间的距离能够少做改变，引脚问距不能改变。
将器件插入实验台上的插座中去或者从插座中拨出时要小心，不要将器件引脚搞弯或折断。
3．74系列器件一般左下角的最后一个引脚是GND，右上角的引脚是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它的引脚图，找对电源和地，避免因接线错误造成器件损坏。
1、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。
1．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。
把线路的输入接逻辑开关输出，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。
2．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，然后解决它。
一般地说，主要有四个方而的原因产生问题（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（例如ALL-07／1l或者SUPERPRO系列编程器等）测试器件。
需要指出的是，一般的集成电路测试仪只能检测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
接线错误是最常风的错误。
据有人统计，在教学实验中，大约百分之七十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：
连线与插孔接触不良：
连线经多次使用后，有可能外面塑料包皮完好，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块不工作或工作不正常，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：
检查连线和插孔接触是否良好；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，如果用示波器观察，而示波器没有同步或者同步设置有问题，则造成波形不稳的假象。
因此要学会证确使用所用仪器、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，这点应引起足够注意。
不过，在数字电路实验中，这种现象很少发生。
但是对于高频电路，示波器探头一般要采用高阻档，否则会造成比较严重的波形失真。
当实验中发现结果与预期不一致时，千万不要慌乱。
应仔细观察现象，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，首先检查连线是台正确。
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进插座中，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，则需考虑设计问题。
附录二常用实验器件引脚图
1、四2输入正与非门74LS00
2、六反相器74LS04
3、四2输入正或非门74LS02
4、
双J—K触发器（带消除端）74LS73A
5、双D型正边沿触发器（带预置和清除端）74LS74
6、四2输入异或门74LS86
7、三态输出的四总线缓冲器74LS125
8、双2-4线译码器/分配器74LS139
9、
双4—1线数据选择器/多路开关74LS153
10、同步十进制计数器74LS162
11、三—八译码器74LS138
12、八选一数据选择器74LS151
13、可逆计数器74LS193
14、二输入与门74LS08
15、八-三编码器74LS148
16、四位数字寄存器74LS194
17、BCD译码器74LS247
18、四位比较器74LS85
19、四位加法器74LS283
20、四位计数器74LS161
附录三实验参考电路
实验2
实验3
实验4
实验5
实验6
实验7
附录四DS2018实验平台介绍
1、实验平台硬件的介绍
DS2018实验的硬件平台基本功能分布图如下所示：
图1实验平台功能分布图
上图中，IC为开头的区域是用于单逻辑芯片的组合实验中使用的，共有12个区域，其中有4个14引脚，3个16引脚，2个20引脚，1个24引脚，1个28引脚，1个40引脚的插座，用于单逻辑器件的实验使用；拨动开关区有16个开关，用于输入开关量信号使用；单脉冲区有4个单脉冲按钮，用于输入单脉冲量信号使用；4X4的键盘区，用于键盘实验；液晶显示区，用于液晶的显示使用；发光二极管区域共有16个发光二极管，可以用于信号的显示；静态数码管，有两个七段数码管，可以显示2位的数字；主控CPLD和CPU负责实验过程某些过程的功能实验；主控CPLD区的上下两端，各有扩展总线，可以连接额外的FPGA或CPLD，可以进行FPGA或CPLD的实验；另外实验平台上还有光电开发，直流电机，步进电机的模块，可以进行相关的实验。
在器件的周围有对应管脚的插孔连线，用于不同部分之间的连接。
还有部分的连线在电路板内部已经做好，在实验中会具体说明。
2、DS2018实验平台的电路原理具体如下：
（1）矩阵键盘
（2）单脉冲电路图
（3）拨码开关电路图
（4）七段数码管电路图
（5）发光二极管
（5）FPGA管脚说明
编号
管脚号
编号
管脚名
编号
管脚号
F1
3
F21
40
F41
SPI_SI（195）
F2
4
F22
41
F42
SPI_SCK（197）
F3
5
F23
43
F43
SPI_SO（199）
F4
6
F24
44
F44
193
F5
8
F25
45
F45
192
F6
10
F26
46
F46
191
F7
11
F27
47
F47
189
F8
12
F28
48
F48
188
F9
13
F29
56
F49
187
F10
14
F30
57
F50
185
F11
15
F31
58
F51
182
F12
30
F32
59
F52
181
F13
31
F33
60
F53
139
F14
32
F34
61
F54
200
F15
33
F35
63
F55
201
F16
34
F36
64
F56
203
F17
35
F37
70
F57
205
F18
36
F38
69
F58
206
F19
37
F39
68
F59
207
F20
39
F40
67
F60
208
10MHz
130
cBuzzer
168
1KHz
28
PAUSE0
72
KR0
92
KR4
90
PAUSE1
24
KR1
88
KR5
87
PAUSE2
27
KR2
86
KR6
84
PAUSE3
74
KR3
77
KR7
82
KL0
89
KL1
81
LCD_RW
75
LCD_E
76
LCD_RS
80
（6）CPLD管脚说明
编号
管脚号
编号
管脚名
编号
管脚号
F1
90
F21
19
F41
81
F2
91
F22
20
F42
78
F3
92
F23
21
F43
82
F4
95
F24
26
F44
77
F5
96
F25
27
F45
76
F6
97
F26
28
F46
75
F7
98
F27
29
F47
74
F8
100
F28
30
F48
73
F9
1
F29
33
F49
72
F10
2
F30
34
F50
71
F11
3
F31
35
F51
70
F12
4
F32
36
F52
69
F13
5
F33
37
F53
99
F14
6
F34
38
F54
83
F15
7
F35
39
F55
84
F16
8
F36
40
F56
85
F17
15
F37
49
F57
86
F18
16
F38
50
F58
87
F19
17
F39
47
F59
88
F20
18
F40
48
F60
89
10MHz
12
cBuzzer
68
1KHz
14
PAUSE0
64
KR0
67
KR4
61
PAUSE1
42
KR1
57
KR5
58
PAUSE2
41
KR2
55
KR6
56
PAUSE3
62
KR3
52
KR7
53
KL0
66
KL1
54
LCD_RW
44
LCD_E
43
LCD_RS
51
升级会员 