数字逻辑电路实验指导书.docx

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数字逻辑电路实验指导书

数字逻辑电路

实验指导书

2013年6月

前言

数字逻辑电路是计算机科学与技术及相关专业的一门专业基础课，是一门重点课程。

在计算机硬件的各个领域中均会用到数字逻辑的有关知识。

本实验课程的主要目的是使学生通过实验手段掌握各种集成电路及其设计，同时训练学生一定的实验动手能力，也使学生系统科学地受到分析问题和解决问题的训练。

本实验指导书的内容主要包括门电路逻辑功能及测试、组合逻辑电路的分析与设计、译码器、选择器、触发器、计数器、时序逻辑电路的分析与设计等的综合实验。

实验的重点是通过实验认识并验证各种集成芯片工作原理及其相关注意事项；实验的难点也在于用所学知识设计综合性实验。

数字逻辑电路实验作为计算机各专业数字逻辑课程的一个重要环节。

在这一环接中，数字逻辑侧重讨论各种集成芯片，学会设计简单的电路。

因此，它的先修课程是计算机基础、离散数学、大学物理、模拟电子线路等。

本实验指导书以素质教育为目标，力求使学生通过实验加深对基础知识的理解，同时强化实际的动手能力，切实做到理论与实际应用相结合。

本书中所涉及的实验都是以启东市东疆计算机有限公司生产的DJ-SD型数字逻辑实验箱为模板进行讲解，由于编者水平有限，书中难免存在纰漏之处，恳请各位同仁赐教。

实验须知

数字逻辑电路实验课程是一门专业基础课，具有很强的实践性，是数字逻辑电路教学中必不可少的环节。

使学生通过实验手段掌握各种集成电路及其设计，同时训练学生一定的实验动手能力，也使学生系统科学地受到分析问题和解决问题的训练，为后续专业课的学习打下坚实的基础。

在实验的过程中需要注意一下两点问题：

一、实验要求：

1．做好课前的预习准备工作。

为了能够保证实验的顺利进行，且提高实验效率，实验前必须做好充分的预习，仔细阅读将要做的实验内容，复习相关理论知识，明确实验目的和要求，熟悉实验要用到的芯片功能及各引脚的作用，熟悉实验原理、实验步骤和实验注意事项，对思考题、实验的结果和可能出现的问题进行分析和预估，并将相应的预习结果记录下来，以备使用。

2．按时进入实验室进行实验，并在实验开始之前，认真检查实验仪器，领取实验要用的芯片，如有问题及时向老师反应，未经许可，不得擅自更换实验设备。

3．实验过程中，认真按照实验步骤和老师的要求完成，并记录数据，实事求是。

4．接线和拆线时要轻拿轻放，不能死拉硬拽；连接芯片时要注意接地和接电源的引脚位置，防止反接时芯片过热烧毁，接通电源之前再次检查电路连接是否正确，尽量减少导线和芯片等耗材的损坏。

5．实验过程中，要保持实验室的干净和整洁，不准将零食带入实验室，不准吸烟，不可大声喧哗、随意谈笑。

6．实验结束，要将所用的实验仪器、试验箱、导线整理好，将芯片放回原处。

二、安全用电：

安全用电是实验中始终需要注意的重要问题，在实验的过程中，为了防止触电事故的发生，确保人身和设备安全，必须做到以下几点：

1．注意要先连线再通电，先断电再拆线，严禁带电接线、改线、拆线，接通电源之前须通知同组同学，以防触电事故。

2．严禁在实验过程中触及带电部位，一旦遇到触电事故，应立即切断电源。

3．实验过程中，要随时注意设备仪器的工作情况，如果发现有超流量、过热、异味、冒烟等现象，应立即切断电源。

三、实验报告书写要求：

书写实验报告是实验课的主要环节之一，通过实验报告的书写，可以系统的梳理和分析实验课中所获得的知识，以及实验中的不足之处，同时提高了学生的总结能力。

实验报告主要包括以下内容：

1）实验目的；

2）实验仪器；

此项内容要清楚罗列出实验要用到的仪器和芯片型号、个数。

3）实验内容；

此项中概述本次实验中需要做的实验项目。

4）实验步骤；

详细介绍实验过程、需要用到的电路图、如何连线、数据的预估及实验结果、错误分析等。

5）思考题；

通过实验，认真思考和解答实验指导书中所列的思考题。

6）总结

该项是学生写出对本次实验的总体感受，如学到什么、个人在实验中有什么不好的习惯、在连线调试时发现了什么错误、如何处理错误、在后继的实验中还要注意那些不足等。

目录

实验一门电路逻辑功能及测试6

实验二组合逻辑电路的分析与设计13

实验三编码器和译码器17

实验四数据选择器和数值比较器21

实验五触发器

（一）25

实验六触发器

（二）30

实验七时序电路分析和设计33

实验八移位寄存器功能测试及其应用36

实验九计数器40

实验十555定时器功能测试及其应用45

附录50

实验一门电路逻辑功能及测试

一、实验目的

1．熟悉数字电路箱的结构、基本功能和使用方法；

2．熟悉各种逻辑门电路的逻辑符号和逻辑功能；

3．掌握各种常用集成门电路逻辑功能的验证方法；

4．熟悉所用集成电路的引脚位置及各引脚用途。

5．了解由与非门所组成的其他门电路的分析方法；

6．掌握由与非门组成非门的三种方法及其构造原理。

二、实验仪器

1．数字逻辑电路实验箱；

2．配套芯片：

74LS00二输入端四与非门2个

74LS10三输入端三与非门1个

74LS20四输入端二与非门1个

74LS86二输入端四异或门1个

3．导线若干。

三、实验原理

集成逻辑门电路是最简单、最基本的数字集成元件，是数字逻辑电路的基本组成但愿，任何复杂的组合电路和时序电路都可用逻辑门通过适当的组合连接而成。

虽然中、大规模集成电路相继问世，但组成某一系统时，仍少不了各种门电路。

因此,掌握逻辑门的工作原理，熟练、灵活地使用逻辑门是数字技术工作者所必备的基本功之一。

另外，门电路也是开关电路的一种，它具有一个或多个输入端，只有一个输出端，当一个或多个输入端有信号时其输出才有信号。

门电路在满足一定条件时，按一定规律输出信号，起着开关作用。

基本门电路有与门、或门、非门三种，也可将其组合而构成与非门、或非门、异或门、同或门和与或非门五种常用的组合逻辑门。

本实验中主要选用了TTL74LS系列与非门和异或门进行参数的实验测试，以掌握门电路的主要参数的意义和测试方法。

图1-1为74LS00芯片的引脚图，图1-2为其中一个与非门电路原理图，其基本功能是：

只有在输入信号A、B全为高电平时输出才为低电平，否则，输出都为高电平。

输出与输入的逻辑关系为：

。

74LS10和74LS20芯片的基本原理与74LS00一致，只是输入端的个数不同，74LS10是三个输入端的与非门芯片，74LS20是四个输入端的与非门芯片。

图1-174LS00芯片引脚图图1-2两输入与非门原理图

74LS86为异或门芯片（图1-374LS86芯片引脚图），其中有四个异或门，如图1-4所示，每个异或门有两个输入端和一个输出端，其基本功能是：

当两个输入端相异（即一个为‘0’，另一个为‘1’）时，输出为‘1’；当两个输入端相同时（同为‘0’或者同为‘1’），输出为‘0’。

即：

Y=AB=A’B+AB’。

图1-374LS86芯片引脚图图1-4两输入与非门原理图

四、预习要求

1．复习各种门电路的工作原理及相应的逻辑表达式；

2．熟悉所用集成电路的引线位置及各引线的功能、用途；

3．将各门电路理论值标在真值表上，以便在实验中验证；

4．阅读本节实验说明，预习相关内容。

五、实验内容

1．熟悉数字逻辑电路实验箱的使用方法；

2．检测芯片的逻辑功能（74LS00、74LS10、74LS20、74LS86）；

3．用与非门组成其他门电路，并测试验证。

六、实验步骤

实验前先检查数字电路实验箱的电源是否正常，然后选择实验将要使用的集成芯片进行实验。

1．数字电路实验箱的介绍

DJ-SD型数字逻辑实验仪是DJ系列产品之一，它适用于数字逻辑电路、脉冲电路等课程的教学实验，同时也适用于相关电子课程设计、产品开发及科研。

该实验仪在吸取国内外同类产品优点的基础上设计定型的，它具有设计精良、性能稳定、接触可靠、使用方便等特点，为开发型实验创造了理想的实验环境，是广大高等院校实验室首选产品。

DJ-SD系列数字逻辑实验仪主要由电源接口、通用电路单元、面包板、各式IC插座等组成。

通用电路包括四位8421BCD码LED显示器，1位LED显示器，时钟电路，时序启停电路，手动单脉冲电路，可调连续脉冲发生器，频率计，十六位二进制电平显示开关，十六位二进制电平输入开关，逻辑笔、电位器组等。

DJ-SD1实验箱的系统结构框图如1-5所示：

图1-5DJ-SD1实验箱的系统结构框图

2．检测芯片的逻辑功能

为了验证某一种门电路功能，首先选定元件型号，并正确连接好元件的工作电压端。

（1）选用两输入与非门74LS00一只，插入实验板上的IC插座，在断电的情况下，按图1-2接线，输入端A、B分别接K1～K2（电平开关输出插口，每个端都可以独立提供逻辑“0”和“1”两种状态），输出端接电平显示发光二极管（L1～L16中任意一个），特别注意Vcc及地线不能接错。

表1-1真值表

输入

输出

A

B

Y（理论值）

Y（实验值）

1（H）

1（H）

1（H）

0（L）

0（L）

1（H）

0（L）

0（L）

检查连线无误后，接通电源，并将输入电平开关按表1-1所列值进行变化，分别测出对应的逻辑状态，并将结果记录填入表1-1中。

74LS00中有四个两输入的与非门，按照刚才所描述的方法，依次检测另外三个，并将结果记录，以备后面实验使用。

（2）分别选用三输入与非门74LS10和四输入与非门74LS20各一只，插入实验板上的IC插座，按照

（1）中所述方法进行测试，并将结果记录。

（3）选取二输入四异或门电路74LS86，按图1-4接线，输入端A、B接输入电平开关，再把Y接发光二极管，仍按照表1-1中所示改变输入值，并记录对应结果。

3．用与非门组成其他门电路

（1）组成非门

如图1-6所示，将一个两输入与非门的A、B输入端连接在一起，将多个输入端变成一个输入端，即可实现非门功能，理论推导如下：

Y=（AB）’且A=B

所以Y=（AB）’=（AA）’=A’即：

Y=A’

图1-6由与非门构成非门电路

根据图1-6进行连线，按照表1-2中所列输入的变化而改变电路输入的值，并将理论推导结果和实验结果分别填入表1-2：

表1-2用与非门构造非门所得理论和实验结果

输入

输出

A

Y（理论值）

Y（实验值）

1（H）

0（L）

除了用与非门构造非门功能以外，还可以使用74LS04非门芯片（芯片的引脚图见附录）。

（2）组成与门

如图1-7所示，4、5、6三个引脚所构造的就是

（1）中所述的非门，在此基础上再加一个非门（1、2、3引脚），即可构造与门，理论推导如下：

Y=（（AB）’）’=AB即：

Y=AB

图1-7由与非门构成与门电路

根据图1-7进行连线，按照表1-3中所列输入的变化而改变电路输入的值，并将理论推导结果和实验结果分别填入表1-3：

表1-3用与非门构造与门所得理论和实验结果

输入

输出

A

B

Y（理论值）

Y（实验值）

1（H）

1（H）

1（H）

0（L）

0（L）

1（H）

0（L）

0（L）

（3）组成或门

电路结构如图1-8所示，由与非门所构造的或门，理论推导如下：

Y=（A’B’）’

根据反演率可得：

Y=A’’+B’’=A+B

图1-8由与非门构成或门电路

根据图1-8进行连线，按照表1-4中所列输入的变化而改变电路输入的值，并将理论推导结果