数字电路逻辑设计实验讲义.docx

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数字电路逻辑设计实验讲义

数字电路逻辑设计

实验讲义

喻嵘王艳庆丁杰张莉叶小丽陈燕彬编

内容提要

本实验讲义根据最新制定的实验教学大纲，由南昌大学信息工程学院电子信息工程系几位多年从事数字电路逻辑设计课程教学的老师合编而成。

可用于电子信息工程专业、通信工程专业《数字电路逻辑设计》实验课程的实验指导教材。

实验教学内容包括三大部分：

基础性实验、比较复杂并要求学生独立思考的设计性实验、自选设计课题的综合设计性实验。

内容涵盖了数字电路的大部分基础知识，包括常用的组合逻辑电路、时序逻辑电路和脉冲电路的验证和设计，以及这些基础数字电路的在实际系统中的综合应用。

实验一用SSI设计组合电路和冒险现象观察1

实验二MSI组合功能件的应用4

实验三集成触发器的应用—第一信号鉴别电路的设计9

实验四用集成移位寄存器实现序列检测器11

实验五MSI时序功能件的应用13

实验六序列信号发生器18

实验七555定时器及分频电路22

实验八D/A转换器25

附录：

实验芯片引脚排列图30

实验一用SSI设计组合电路和冒险现象观察

一、实验目的

1．掌握用SSI设计组合电路及其检测方法;

2．观察组合电路的冒险现象。

二、实验原理

使用小规模集成电路（SSI）进行组合电路设计的一般过程:

1．根据任务要求列出真值表;

2．通过化简得出最简逻辑函数表达式;

3．选择标准器件实现此逻辑函数。

逻辑化简是为了使电路结构简单和使用器件较少，要求逻辑表达式尽可能简化。

但由于实际使用时要考虑电路的工作速度和稳定可靠等因素，在较复杂的电路中，还要求逻辑清晰易懂，所以是在保证速度、稳定可靠与逻辑清楚的前提下，尽量使用最少的器件，以降低成本。

组合逻辑设计过程通常是在理想情况下进行的，即假定一切器件均没有延迟效应。

但是实际上并非如此，信号通过任何导线或器件都需要一个响应时间。

例如，一般中速TTL与非门的延迟时间为10一20ns。

而且由于制造工艺上的原因，各器件的延迟时间离散性很大，往往按照理想情况设计的逻辑电路，在实际工作中有可能产生错误输出。

一个组合电路，在它的输入信号变化时。

输出出现瞬时错误的现象称为组合电路的冒险现象。

组合电路的冒险现象有两种，一种称为函数冒险（即功能冒险），另一种称为逻辑冒险。

函数冒险：

当电路有两个或两个以上变量同时发生变化时，变化过程中必然要经过一个或数个中间状态，如果这些中间状态的函数值与起始状态和终了状态的函数值不同，就会出现瞬时的错误信号。

是函数本身固有的。

逻辑冒险：

在一个输人变量发生变化时，由于各传输通路的延迟时间不同导致输出出现瞬时错误。

本实验通对逻辑冒险中的静态0型冒险现象的观察和修正，说明组合电路的逻辑冒险的出现的原理及对策。

静态0型冒险：

在输出恒等于1时，出现瞬时0输出的错误现象。

分析和判断：

1．对于函数的与或表达式，可以通过对除变量A以外的其他变量逐个进行赋值，若能使表达式出现

时，则表示电路在变量A发生变化时可能存在0型冒险。

增加校正项，该校正项就是被赋值各变量的乘积项。

使其改变成

来消除。

2．对于函数的卡诺图，分析发现若有两个被圈项的圈相切，相切部分之间相应的变量发生变化时，函数可能存在冒险现象。

消除该险象的方法是增加把其两个相切部分圈在一起的一个圈项。

3．由与非门组成的逻辑图中，若变量A通过两条传输路径（分别经过的门数量差为奇数）后，驱动同一个门电路，若在给其他各变量赋一定的值后，使这两条路径是畅通的。

则A变量发生变化时，可能会出现冒险现象。

假定每个门的平均传输延迟时间均为ltpd那么两条路径经过门的数量差就是险象脉冲的可能宽度。

根据不同情况还可以采取下述方法消除各种冒险现象。

1．由于组合电路的冒险现象是在输入信号变化过程中发生的，因此可以设法避开这一段时间，待电路稳定后再让电路正常输出。

具体办法有:

（1）在存在冒险现象的与非门的输入端引进封锁负脉冲。

当输入信号变化时，将该门封锁（使门的输出为1）。

（2）在存在冒险现象的与非门的输入端引进选通正脉冲选通脉冲不作用时，门的输出为

1,选通脉冲到来时，电路才有证常输出，显然，选通脉冲必须在电路稳定时才能出现。

（3）由于冒险现象中出现的干扰脉冲宽度一般很窄，所以可在门的输出端并接一个几百皮法的滤波电容加以消除，但这样做将导致输出波形的边沿变坏，这在有些情况下是不允许的，仅用于低速电路。

实际设计中应当注意组合电路的冒险现象，当设计出一个组合逻辑电路后,首先应进行分析是否存在冒险可能。

如果应用于较高要求场合，则应先行在静态测试（按真值表依次改变输人变量,测得相应的输出逻辑值，验证其逻辑功能）后进行动态测试，观察是否存在冒险。

然后根据不同情况分别采取消除险象的措施。

三、实验任务

1．设计一个保险箱的数字代码锁，该锁有规定的4位代码A1,A2,A3,A4的输入端和一

个开箱钥匙孔信号E的输人端，锁的代码由实验者自编（例如1011）。

当用钥匙开箱时

（E＝1），如果输入代码符合该锁规定代码，保险箱被打开（Z1＝1）。

如果不符、电路将发出

报警信号（Z2=1）要求使用最少数量的与非门实现电路。

检测并记录实验结果。

提示:

实验时锁被打开或报警可以分别使用两个发光二极管指示电路显示示意。

代码需要使用的反相器外，最简设计仅需使用5个与非门。

2．按表1-1设计一个逻辑电路

（1）输入信号仅提供原变量，要求用最少数量的2输入端与非门，画出逻辑图;

（2）搭试电路，进行静态测试，验证逻辑功能，记录测试结果;

（3）分析输入端B、C、D各处于什么状态时能观察到输入端A信号变化时产生的冒险现象;

（4）估算此时出现的干扰脉冲宽度是门平均传输延迟时间1tpd的几倍。

（5）在A端输人f=100kHz一lMHz的方波信号;观察电路的冒险现象，记录A和Y点的工作波形图。

（6）观察用增加校正项的办法消除由于输入端A信号变化所引起的逻辑冒险现象。

画出此时的电路图，观察并记录实验结果。

表1-1

ABCD

0000

1000

0001

1001

0010

1010

0011

1011

0100

1100

0101

1101

0110

1110

0111

1111

3．使用与非门设计一个十字交叉路口的红绿灯控制电路，检测所设计电路的功能，记录测试结果。

图1-1是交叉路口的示意图，图中A、B方向是主通道，C、D方向是次通道，在A、B、C、D四通道附近各装有车辆传感器，当有车辆出现时，相应的传感器将输出信号1，红绿灯点亮的规则如下：

（1）A、B方向绿灯亮的条件：

（a）A、B、C、D均无传感信号

（b）A、B均有传感信号

（c）A或B有传感信号，而C和D不是全有传感信号

（2）C、D方向绿灯亮的条件：

（a）C、D均有传感信号，而A和B不是全有传感信号

（b）C或D有传感信号，而A和B均无传感信号

四、实验设备与器材

1．二踪示波器

2．脉冲信号发生器

3．晶体管直流稳压电源

4．通用实验台

5．主要集成电路:

7400四2与非门2片;7420双4与非门1片。

五、实验报告要求图1-1

1．写出任务的设计过程（包括叙述有关设计技巧），画出设计电路图;

2．记录检测结果，并进行分析;

3．观察冒险现象的工作波形。

六、思考题

设每个门的平均传输延迟时间是1tpd，试画出图中电路在输入A信号发生变化时，各点的工作波形。

实验二MSI组合功能件的应用

一、实验目的

１．掌握数据选择器、译码器和全加器等MSI的使用方法；

２．熟悉MSI组合功能件的应用。

二、实验原理

中规模集成电路（MSI）是一种具有专门功能的集成功能件。

常用的MSI组合功能件有译码器、编码器、数据选择器、数据比较器和全加器等。

借助于器件手册提供的功能表，弄清器件各引出端（特别是各控制输入端）的功能与作用，就能正确地使用这些器件。

在此基础上应该尽可能地开发这些器件的功能，扩大其应用范围。

对于一个逻辑设计者来说，关键在于合理选用器件，灵活地使用器件的控制输入端，运用各种设计技巧，实现任务要求的电路功能。

在使用MSI组合功能件时，器件的各控制输入端必须按逻辑要求接入电路，不允许悬空。

１．数据选择器

T4153是一个双4选1数据选择器，其逻辑符号如图2-1所示，功能表见表2-1。

其中D0、D1、D2、D3为4个数据输入端；Y为输出端；S是使能端，在

时使能，在

时

；A1、A0是器件中两个选择器公用的地址输入端。

该器件的逻辑表达式为

表2-1T4153功能表

控制输入

输出

图2-1T4153逻辑符号图2-2实现8选1选择器功能图2-3实现全加器功能

数据选择器是一种通用性很强的功能件，它的功能很容易得到扩展。

4选1数据选择器经如图2-2所示的组合，很容易实现8选1选择器功能。

使用数据选择器进行电路设计的方法是合理地选用地址变量，通过对函数的运算，确定各数据输入端的输入方程。

例如，使用4选1数据选择器实现全加器逻辑的连线图如图2-3所示。

再如，利用4选1数据选择器实现有较多变量的函数

从函数表达式可以看出，各乘积项均包含有A和B两个变量，可将表达式整理得

此表达式可用图2-4所示的电路实现。

从上述例子中可见，数据选择器的地址变量一般的选择方式：

⑴选用逻辑表达式各乘积项中出现次数最多的变量（包括原变量与反变量），以简化数据输入端的附加电路；

⑵选择一组具有一定物理意义的量。

2．译码器

译码器可分为两大类，一类是通用译码器，另一类是显示译码器（此类译码器参见附录三，本实验将不做讨论）。

图2-4实现函数图2-5T4138逻辑符号

T4138是一个3线-8线译码器，它是一种通用译码器，其逻辑符号如图2-5所示，表2-2是其功能表。

其中，A2、A1、A0是地址输入端，Y0、Y1、…、Y7是译码输出端，S1、S2、S3是使能端，当

时，器件使能。

3线-8线译码器实际上也是一个负脉冲输出的脉冲分配器。

若利用使能端中的一个输入端输入数据信息，器件就是成为一个数据分配器。

例如，若从S1输入端输入数据信息，

，地址码所对应的输出是S1数据信息的反码；若从S2输入端输入数据信息，

，

，地址码所对应的输出就是数据信息

。

译码器的每一路输出，实际上是地址码的一个最小项的反变量，利用其中一部分输出端输出的与非关系，也就蛇们相应最小项或逻辑表达式，能方便地实现逻辑函数。

与数据选择器一样，利用使能端能够方便地将两个3线-8线译码器组合成一个4线-16线的译码器。

表2-2T4138功能表

输入

输出

3．全加器

T4183是一个双进位保留全加器，其逻辑符号如图2-6所示。

其中，An和Bn分别为被加数和加数的数据输入端，Cn是低位向本位进位的进位输入端，Fn是和数输出端，FCn+1是本位向高位进位的进位输出端。

逻辑方程是

T4283是一个数位二进制超前位全加器，其逻辑符号如图2-7所示，其中A3、A2、A1、A0和B3、B2、B1、B0分别是被加数和加数（两组4位二进制数）的数据输入端，Cn是低位器件向本器件最低位进位的进位输入端，F3、F2、F1、F0是和数输出端，FCn+1是本器件最向位向高位器件进位的进位输出端。

二进制全加器可以进行多位连接使用，也可组成全减器、补码器或实现其它逻辑功能等电路。

日常习惯于进行十进制的运算，利用4位二进制全加器可以设计组成进行NBCD码的加法结果相同，但若两个相加数的和大于或等于1010时，由于4位二进码是逢十六进一的，而NBCD码是逢十进一的，它们的进位数相差六，因此NBCD加法运算电路必须进行校正，应在电路中插入一个校正网络，使电路在和数小于或等于1001时，校正网络不起作用（或加一个0000数），在和数大于或等于1010时，校正网络使此和数再加上一个0110数，从而达到实现NBCD码的加法运算的目的。

图2-6T4183逻辑符号图2-7T4283逻辑符号图2-8输血者血型与受血者血型关系示意图

利用两个4位二进制全加器可以组成一个1位NBCD码全加器，该全加器应有进位输入端和进位输出端，电路由读者自行设计。

三、预习思考题

⒈什么是异或门、半加器和全加器？

用两个异或门和少量与非门组成1位全加器，画出其电路图；

⒉利用T4153设计一个1位二进制全减器，画出电路边线图；

⒊利用一个3-8线译码器和与非门，实现一个三变量函数式

。

四、实验任务

（一）

⒈利用4选1数据选择器设计一个表示血型遗传规律的电路，画出设计电路图，检测并记录电路功能。

父母和子女之间的血型规律如表2-3所示，其中父母血型栏中若仅有一项是非功过，则表示父母是同一种血型。

⒉使用一个3线-8线译码器和与非门设计一个1位二进制全减器，画出设计逻辑图，检测并记录电路功能。

⒊利用两个4位二进制全加器和与非门，设计一个1位NBCD码的全加器，画出设计电路图，检测电路功能。

记录下列运算式的实验结果：

0000+0100，0111+0010，0100+0110，0101+0111，1000+0111，1001+1001。

（二）

⒋利用一个4选1数据选择器和最少数量的与非门，设计一个符合输血一受血规则的4输入1输出电路。

检测所设计电路的逻辑功能。

人类有四种基本血型——A、B、AB和O型。

输血者与受血者的血型必须符合下述规划：

O型血可以输给任意血型的人，但O血型的人只能接受O型血；AB型血只能输给AB血型的人，但AB血型的人能接受所有血型的血；A型的人，而A血型的人能接受A型血和O型血；B型血型血和O型血（其示意图见图2-8）。

表2-3父母和子女之间的血型规律

父母血型

子女血型

⒌设计一个4位二进制加法/减法器电路（仅要求适用于两数差大于或等于0的情况），检测电路功能。

[提示：

两数相减相当于被减数与减数的补码（即取反后加1）相加。

电路应有一个运算控制端M，用来控制电路实现加法或减法运算。

]

五、实验设备与器材

⒈晶体管直流稳压电源

⒉通用实验底板

⒊万用电表及工具

⒋主要器材：

T41532只，T41382只，T41832只，T400001只，T40201只，T40861只。

六、实验报告要求

每个实验任务必须写出设计过程，画出设计逻辑图，附有实验记录，并对结果进行分析。

七、思考题

⒈利用一只双4选1数据选择器和一只四2输入端与非门，实现一个8选1数据选择器功能。

⒉利用两个3线-8线译码器，构成一个4线-16线译码器。

⒊利用4位二进制全加器，实现NBCD码与余3码之间的变换。

⒋设计一个4位二进制加法/减法电路，输出用原码表示，运算结果应有符号位指示数字的正、负值。

实验三集成触发器的应用——第一信号鉴别电路的设计

一、实验目的

1．掌握集成触发器的使用方法和逻辑功能的测试方法

2．学习并掌握第一信号鉴别电路，又称作抢答器的设计方法

二、第一信号鉴别电路的工作原理

图3-1所示，为由4个JK触发器组成的第一信号鉴别电路，用以判别S0~S3送入的4个信号中，哪一个信号最先到达，其工作过程如下：

开始工作前，先按复位开关SR，FF0~FF3都被置0，

都输出高电平1，发光二极管LED0~LED3不发光。

这时，G1输入都为高电平1，G2输出1，FF0~FF3的J=K=1，这4个触发器处于接收输入信号的状态。

在S0~S3的4个开关中，如S3第一个按下时，则FF3首先由0状态翻到1状态，

=0，这一方面使发光二极管LED3发光，同时使G2输出0，这时FF0~FF3的J和K都为低电子0，都执行保持功能。

因此，在S3按下后，其它三个开关S0~S2，任一个再按下时，FF0~FF2的状态不会改变，仍为0状态，发光二极管LED0~LED2也不会亮，所以，根据发光二极管的发光可判断开关S3第一个按下。

如要重复进行第一信号判别时，则在每次进行判别前应先按复位开关SR，使FF0~FF3处于接收状态。

图1所示电路又称作抢答器。

图3-2是由D触发器实现的4人抢答器，请同学自行分析其工作过程。

三、预习要求

1．复习RS、D、JK触发器的逻辑功能和触发方式

2．分析图1和图2所示第一信号鉴别电路，又称作抢答器的工作原理

3．熟悉本试验所用器件，如74LS000、74LS020、74LS074的功能管脚排列

4．设计4人抢答电路，画出电路原理图及由实验室提供的器件所组成的接线图，在实验前必须按以上要求写出预习报告。

四、实验任务

用D触发器和与非门设计智力竞赛4人抢答电路，设有4个开关（S0~S3），另有4个指示灯，第一抢答者（第一个按下开关时）所对应的指示灯亮，其它三个开关任一个再按下时，其它三个指示灯也不会亮。

五、实验设备与器材

1．试验组合箱一台

2．74LS000四2输入与非门一片

3．74LS020双四输入与非门一片

4．74LS074双上升沿D触发器两片

六、实验报告要求

按任务要求设计电路并画出试验电路图，简述工作过程，记录测试结果并对结果进行分析。

实验四用集成移位寄存器实现序列检测器

一、实验目的

1．掌握移位寄存器的使用方法和逻辑功能的测试方法。

2．掌握序列检测器的设计方法。

二、实验原理

在数字系统中能寄存二进制信息，并进行移位的逻辑部件称为移位寄存器。

根据移位寄存信息的方式有：

串入串出、串入并出、并入串出、并入并出四种形式，按移位方向有左移、右移两种。

本实验采用四位双向通用移位寄存器，型号为74LS194，它是一种用途广泛的集成移位寄存器，是由四个触发器和一些门电路组成的四位双向移位寄存器

其逻辑符号如图4—1所示，A、B、C、D为并行输入端；QA、QB、QC、QD为并行输出端：

DSR为右移串行输入端；DSL为左移串行输入端；S1、S2为操作模式控制端；

为异步清零端；CP为时钟输入端。

寄存器有四种不同操作模式：

①并行寄存；②右移（方向由QA—QD）；③左移（方向QD—QA）；④保持。

S1、S2和

的作用如表4—1所示。

图4-174LS194的逻辑符号

移位寄存器应用很广，可构成移位寄存型计数器；顺序脉冲发生器；串行累加器；可用作数据转换，即把串行数据转换为并行数据，或把半行数据转换为串行数据等。

本实验研究移位寄存器用作序列检测器的情况。

三、预习要求

1．复习移位寄存器的逻辑功能。

熟悉本实验所用器材，如74LS000，74LS194的功能及管脚排列。

2．设计1011序列检测器，画出由提供的器件所组成的电路接线图。

在实验前，必须按以上要求写预习报告。

四、实验任务

用移位寄存器和与非门设计一个1011序列检测器。

电路连续不停地工作，对串行输入的序列进行检测，当连续检测4个码元符合检测码1011时，检测器输出为1，指示灯亮，其他情况下输出为0，指示灯灭。

对串行输入的序列1011011001001011进行检测，并记录检测结果。

五、实验设备与器材

1．实验组合箱一台

2．主要器材74LS000（四2输入与非门）一片、74LS020（双4输入与非门）一片、74LS194（4位双向移位寄存器）一片

六、实验报告要求

根据设计要求，画出实验电路图，简述工作过程，记录测试结果并对结果进行分析。

表4-174LS194的功能表

输入

输出

说明

DSL

DSR

置零

保持

↑

并行置数

↑

右移输入1

↑

右移输入0

↑

左移输入1

↑

左移输入0

保持

实验五MSI时序功能件的应用

一、实验目的

1．掌握集成计数器和双向移位寄存器的使用方法；

2．熟悉中规模集成电路（MSI）时序功能件的应用

3．熟悉显示译码器和数码管的使用方法

二、实验原理

中规模集成电路（MSI）时序功能件常用的有计数器和移位寄存器等，借助于器材手册提供的功能表和工作波形图，就能正确的使用这些器材。

对于一个使用者，关键在于合理地选用器材，灵活地使用器材的各控制输入端，运用各种设计技巧，完成任务要求的功能并要求在使用MSI器件时，各控制输入端必须按照逻辑要求接入电路，不允许悬空。

集成计数器的种类很多，异步计数器的主要产品有2-5-10进制计数器；2-8-16进制计数器，双十进制计数器和双4位二进制计数器等。

同步计数器的主要产品有十进制计数器，二进制

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