数字逻辑电路分析与设计实验指导书.doc

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部分集成电路外部引脚排列和功能49学生实验前注意事项 一、实验前要完成指定的各项预习任务。 二、检查仪器设备能否满足实验要求。 三、熟悉准备调试的元件和器件的功能。 四、严格按实验要求连线，经仔细检查无误后方可通电。 五、实验过程中应仔细观察实验现象，认真做记录，实验完成后测试结果需经教师审查签字后再拆除线路。六、发生事故时，应立即断开电源，保持现场，待找出并排除故障后，方可继续进行实验。七、在变更实验内容或完成全部实验之后，必须先断开电源，再拆除实验线路。八、培养踏实、严谨、实事求是的科学作风。不抄袭他人作业。九、爱护公共财产，当发生仪器设备损坏时，必须认真检查原因并按规定的条例处理。十、保持实验室内安静、整洁和良好的秩序，实验后应将仪器整理后放好，并协助实验室老师搞好清洁卫生。十一、不迟到、不早退、不无故缺席，按时交实验报告。实验报告要求一、实验名称二、实验目的三、实验中实际使用的仪器型号和器材型号、数量等。四、实验内容和步骤1、实验课题和方框图、状态图、真值表、逻辑图，对于设计性课题应有整个设计过程和关键的设计技巧和说明。2、实验记录以及经过整理和处理的数据，曲线和波形图，其中曲线和波形图必须坐标纸画出，贴在相应的内容中。3、实验结果的分析与讨论。并得出结论，实验过程中遇到的故障及排除故障的方法。4、完成实验报告中相应的思考题。作为完整的实验文件，实验报告应附有实验记录，以备查阅，实验报告必须用统一的实验报告纸，其它纸张一律不能用，实验报告在下次做实验时交给实验教师，过期作迟交处理，若此次实验没来做者不给成绩，若实验来做而报告不交者只能得40分。实验一 集成逻辑门测试及其应用一、实验目的1、 熟悉和掌握门电路的逻辑功能及其测试方法，并通过功能测试判断其好坏。2、熟悉数字逻辑实验组件的使用方法。3、掌握与非门、异或门的逻辑功能及特点、基本应用。二、TDS-1数字电路实验系统简介及集成电路引脚设定l TDS-1数字电路实验系统简介（一）、集成电路的插座和插孔12个IC圆孔插座供中小规模器件、GAL器件和EPROM器件实验使用。其中14个引脚的有4个，16个引脚的有3个，20个引脚的有2个（引脚多的插座也可以插引脚少的集成电路，只要注意引脚的编号）。器件引脚通过自锁紧插座对外接线。一插孔可引多根引线。这些插座没有提供电源和地，实验时使用者应注意连接它们。做实验时将需做实验的集成电路插入插座中，从对应的引脚插孔按实验要求进行连线即可构成实验的电路。（二）、数字信号输入方式数字电路实验系统根据实验要求提供了多种信号源1、 逻辑电平信号：2、 单脉冲输出信号：3、 连续脉冲信号（三）、信号输出指示方式1、LED电平显示：发光二极管及驱动电路。共指示电平使用。当输入插孔信号为高电平时，发光二极管点亮；当输入插孔为低电平时，发光二极管不点亮。2、7段数码管显示（带译码器）：由6个发光数码管组成，用来表示6位十进制码输出，当译码器DCBA端输入8421BCD码时，显示09十个数码。l 集成电路引脚编号设定先找到集成电路器件上的缺口，然后以缺口为基准，左面第一个引脚设定编号为“1”。以逆时针方向旋转依次编号顺序为“2、3、4、5、7”集成电路各引脚的具体意义需要对照集成电路手册，本实验讲义附录中选录部分常用的集成电路器件引脚。三、实验内容1、 测试与非门、异或门逻辑功能的好坏。2、 TTL门电路多余输入端的处理方法。3、 用异或门实现奇校验电路。4、 与非门的简单应用四、实验步骤1、 测试与非门（74LS00）逻辑功能的好坏。按图1-1（A）所示接好连线。把与非门电路的输入端连接逻辑电平输入开关K1、K2，把与非门电路输出端连接发光二极管。改变输入端的高低电平，观察其输出端发光二极管的亮暗变化，并将输出状态填入表1-1图1-1（A）测试与非门逻辑功能连线图图1-1（B）测试与非门逻辑功能原理图表1-1与非门真值表ABY000110112、 测试异或门（74LS86）逻辑功能的好坏按图1-2（A）所示接好连线。把异或门的输入端连接逻辑电平输入开关K1、K2，把异或门电路输出端连接发光二极管。改变输入端的高低电平，观察其输出端发光二极管的亮暗变化，并将输出状态填入表1-2图1-2（A）测试异或门逻辑功能连线图图1-2（B）测试异或门逻辑功能原理图表1-2异或门真值表ABY000110113、 TTL门电路多余输入端的处理方法将74LS00和74LS86按图1-1（A）和图1-2（A）连线后，A输入端分别接地、电源端、悬空、与B并接，观察当B输入端输入信号分别为高、低电平时，相应输出端的状态，并填表1-3表1-3输入输出AB74LS00（L）74LS86（L）接地接电源悬空A、B并接4、 用异或门实现奇校验电路图1-3（A）测试奇校验电路的连线图图1-3（B）测试校验电路功能的原理图电源开关拨向OFF。按图1-3连接，把异或门电路的输入端A、B、C、D连接逻辑电平输入开关K1、K2、K3、K4，把异或门电路输出端L连接发光二极管。把电源开关拨向ON，改变输入端的高低电平，观察其输出端发光二极管的亮暗变化，并将输出状态填入表1-4表1-4奇校验电路真值表输入DCBA输出L输入DCBA输出L输入DCBA输出L输入DCBA输出L00000100100011000001010110011101001001101010111000110111101111115、 用异或门和与非门实现半加器电源开关拨向OFF。按图1-4连接，把半加器的输入端A、B连接逻辑电平输入开关K1、K2，把半加器输出端S、C连接发光二极管。把电源开关拨向ON，改变输入端的高低电平，观察其输出端发光二极管的亮暗变化，并将输出状态填入表1-5图1-4（A）半加器原理图图1-4（B）半加器连线图表1-5半加器真值表ABSC000110116、用与非门的简单应用测试图1-5（A）、（B）组成的组合逻辑电路，按要求完成表1-6图1-5（A）组合逻辑电路之一图1-5（B）组合逻辑电路之二表1-6 组合逻辑电路（A）、（B）真值表ABY1Y200011011五、预习要求1、 预习本实验所用设备“数字电路实验系统”的结构、原理及使用方法。2、 预习本实验所用到的集成电路器件的功能和外部引脚的排列及使用方法。六、实验报告要求1、 整理实验数据结果，并画有关的时间波形图。2、 TTL门电路输出端为什么不允许并联使用。3、 用与非门实现或门、或非门、异或门，要求画出原理图。4、 在下图1-6与或非门实现Y=的功能，多余输入端引脚应如何处理？图1-6与或非门逻辑符号实验二 Multisim在数字电路中的虚拟仿真（一） 一、实验目的1、熟悉Multisim 软件的基本功能。2、掌握如何用Multisim软件进行门电路的逻辑功能测试。3、通过Multisim软件进行半加器、全加器电路的设计，进一步熟悉软件的使用 方法，特别是仿真方法4、掌握Multisim软件中数字信号发生器、逻辑分析仪的使用方法二、实验原理1、集成逻辑门 集成逻辑门有许多种，如：与门、或门、非门、或非门、与或非门、异或门、OC门、TS门等。但其中与非门用途最广，用与非门可以组成其他许多逻辑门。 要实现其他逻辑门的功能，只要将该门的逻辑函数表达式化成与非-与非表达式，然后用多个与非门连接起来就可达到目的。例如，要实现或门，根据摩根定律，或门的逻辑函数表达式可以写成：Y= ，可用3个与非门连接实现。 集成逻辑门还可以组成许多应用电路，比如利用与非门组成时钟脉冲源电路就是其中一例，它电路简单、频率范围宽、频率稳定。 74LS00是“TTL系列”中的与非门，CD4011是“CMOS系列”中的与非门。它们都是4-2输入与非门电路，即在一块集成电路内含有4个独立的与非门。每个门有2个输入端。 与非门的逻辑功能是：当输入端中有一个或一个以上是低电平时，输出端为高电平；只有当输入端全部为高电平时，输出才是低电平（有“0”得“1”，全“1”得“0” ）。其逻辑函数表达式为：Y= 。 TTL电路对电源电压要求比较严，电源电压Vcc只允许在+5V10%的范围内工作，超过5.5V，将损坏器件；低于4.5V，器件的逻辑功能将不正常。 CMOS集成电路具有功耗低（TTL功耗则大得多）、高输入阻抗（远高于TTL器件的输入阻抗）、接近理想的传输特性、电源电压范围广（可在+5V+18V范围内正常运行。2、虚拟仪器使用介绍 字信号发生器和逻辑分析仪在数字电路中应用很广，这里介绍Multisim软件中字信号发生器和逻辑分析仪的基本使用方法。1） 字信号发生器字信号发生器是能够产生32路（位）同步逻辑信号的一个多路逻辑信号源，可用于对数字逻辑电路的测试，也称为数字逻辑信号源。见图2-1 图2-1 字信号发生器字信号发生器图标的左右各有16个端子，左边为015端子，右边为1631端子这32个端子是该仪器产生的信号输出端。每一个输出端子都可接入数字电路的输入端。在该仪器图标的下方还有两个端子，R端子为数据备用（Ready）信号端，T为外部触发（Trigger） 信号端。从字信号发生器- XWG1 界面可以看到，该仪器界面共分为以下6个区。 “Controls控制”区 Cycle（循环）：代表字信号在设置地址初值到最终值之间周而复始地以设定频率输出。该输出方式的速度可由Frequency控制。 Burst 单帧）：代表字信号在设置地址逐条输出，直到最终值时自动停止。该输出方式的速度可由Frequency控制。 Step（单步）：代表每单击鼠标一次就输出一条字信号。 Set （设置）：单击该按钮后，出现如图2-2所示的对话框。图2-2 设置对话框“图2-2 设置对话框”中包含以下4个区的内容。 Pre-set Patterns( 预置模式）区（按对话框中的顺序介绍） No Change : 不改变。 Load：打开先前保存字信号文件。 Save：保存字信号文件，文件后缀为.DP Clear buffer清除缓冲区：清除字信号编辑区。 Up Counter：表示在字信号编辑区地址范围0000H03FFH内，其内容按0000，0001，0010顺序，即以递增方式进行编码 。 Down Count：表示在字信号编辑区地址范围0000H03FFH内，其内容按03FF，03FE，03FD顺序，即以递减方式进行编码 Shift Right：右移方式进行编码，即字信号按8000，4000，2000， 1000，0800，0400，0200，0100的顺序进行编码。 Shift Left：左移方式进行编码，即字信号按0001，0002，0004， 0800，0010，0020，0040，0080的顺序进行编码。 Display Type（显示类型 ） Hex：十六进制格式显示。 Dec：十进制格式显示。 Buffer Size：显示在编辑器里字的数目 Initial Pattern：设置递增编码、递减编码、右移编码、左移编码 的初始值 “Display显示”区：设置字输出信号的显示方式。 Hex：十六进制格式显示。 Dec：十进制格式显示。 Binary：二进制格式显示。 ASCII：ASCII格式显示。 “Trigger 触发”区：设置触发方式。 Internal（内部触发）：选择该方式触发时，字信号的输出直接受输出方式按钮Step、Burst、Cycle的控制。 External（外部触发）：选择该方式触发时，必须接入外触发脉冲信号，而且要设置“上升沿触发”或“下降沿触发”，然后单击“输出方式”按钮。只有外部触发脉冲信号到来时才启动信号输出。 ：选择上升沿触发还是下降沿触发。 “Frequency 频率” ：设置输出频率。 接线端部分：共有32个仪器所产生的信号输出端。 在仪器界面的右边为字信号编辑区，可在该区里面以二进制或十六进制输入数据。图2-3 逻辑分析仪2） 逻辑分析仪逻辑分析仪用于对数字逻辑信号的高速采集和时序分析，可同步记录和显示16路数字信号。如图2-3所示。 逻辑分析仪图标的左侧由上至下的16个端子为输入信号端子，使用时将这些端子连接到电路的测量点。图标下方的三个端子分别为：C（外部时钟输入端）；Q（时钟控制输入端）；T（触发控制输入端）。 从展开的逻辑分析仪的面板图，见图2-3（右部），仪器界面的左侧有16个成一竖列的小圆圈为仪器的16个输入端。如其中某个连接端接有被测信号后，该端的小黑点中会出现一个黑点。被采集的16路输入信号以方波的形式显示在屏幕上。当改变输入信号连接导线的颜色时，显示波形的颜色立刻改变。在仪器界面的下端从左到右，其按钮分别为：Step按钮代表停止仿真；Reset按钮代表复位并清除显示内容；Reverse按钮的作用在于改变显示屏幕的背景色。单击T1和T2右侧的左、右箭头可以移动读数指针上部的三角形，读取波形的逻辑数据。T1为读书指针1离开时间基线零点的时间；T2为读书指针2离开时间基线零点的时间；T2T1为两读数指针间的时间差。Clock时钟区：设置时钟来源及相关参数。 ClockDiv（时钟格）：用于设置在显示屏上每个水平刻度显示的时钟脉冲数。 Set（设置）：设置时钟脉冲，单击该按钮后出现如图2-4所示的时钟设置对话框。图2-4 时钟设置图2- 触发方式设置 “ Clock Source时钟源”区的功能在于选择时钟脉冲的来源： External代表采用外部时钟脉冲； Internal代表采用内部时钟脉冲。 “ Clock Rate时钟频率”区：用于设置时钟脉冲的频率。 “ Sampling Setting采样设置”用于设置取样方式Trigger 触发区：设置触发方式。Set（设置）：单击Set按钮后出现如图2-5所示的触发方式设置对话框。3）双踪示波器 示波器是电子实验中使用最为频繁的仪器之一。它可用来显示电信号波形的形状、幅度、频率等参数。 图3-1为该仪器的图标（左）及操作界面（右），图标上共有6个端子，分别为A通道的正负端、B通道的正负端，外触发的正负端。 图 3-1 双踪示波器三、实验内容和步骤1、与非门的逻辑功能测试在Multisim 软件中画与非门的测试图，如图2-6所示。图2-6与非门功能测试图开启仿真开关，按表2-1所示，分别按动键盘上的“”和“”键，使与非门的两个输入端为表中的种情况，从虚拟万用表的放大面板上读出各种情况的直流电位，将它们填入表内，并将电位转换成逻辑状态填入表内。表2-1与非门电路输出逻辑状态输入端输出端A B 电位（）逻辑状态000110112、“门”控制功能的测试 “与非”门控制功能的静态测试 设A为信号输入端，B为控制端，门的输出接“灯” ，高电平输出时灯将被点亮。调出图2-7中的元件，再按图2-7进行连线，连接电路完成，开启仿真开关，按表2-2 要求进行测试，总结“封门”、“开门”的规律。图2-7 与非门功能静态测试 表2-2ABX1 0010001001110111图2-8 与非门功能动态测试 “与非”门控制功能的动态测试 设A为信号输入端，输入CP脉冲， 频率f=1kHz；B为控制端接开关，分别输 入“0” 、“1” 。 a) 进入Multisim 仿真软件，按图2-8 所示调出元件及虚拟仪器“双踪示波器”，再按图2-8 完成连线。 b) 开启仿真开关，双击“示波器”， 对示波器作相应的设置，观察并记录波形。3、测试全加器的逻辑功能按图2-9所示组建全加器仿真电路 图 2-9 一位全加器仿真电路开启仿真开关，按表2-3要求，分别按动键盘上的A、B和C键（开关J3代表低位来的进位），观察并记录指示灯的发光情况，并将其转换为逻辑状态，将结果填入表2-3（注：S表示全加和；Ci表示向高位的进位）。表2-3一位全加器电路输出逻辑状态输入端输出端指示灯状况逻辑状态A B C（Ci-1）X1（S）X2(（Ci）X1（S）X2(（Ci）0000010100111001011101114、用逻辑分析仪观察一位全加器波形 关闭仿真开关，删除图2-9中除集成电路以外的其他元件。 调出“字信号发生器”和“逻辑分析仪”，按图2-10所示连线。图 2-10 一位全加器波形仿真电路 双击“字信号发生器”图标，将打开它的放大面板，对其进行设置和编辑 开启仿真开关，双击“逻辑分析仪” ，将出现“逻辑分析仪”放大面板，对其做相应设置。 观察并记录一位全加器各输入、输出端波形。 按表2-4 要求，用读数指针读出4个观察点的状态，并将它们的逻辑状态填入表2-4中。表2-4测试点输 入输 出ABCi-1SCi11002110300140115、编码电路的仿真分析 按图2-11组建编码器的仿真电路图2-11 编码器电路仿真分析 按表2-5 的要求设置一种输入状态，按下仿真开关，观察并记录发光二级管的“亮”、“暗”情况，同时观察两个万用表显示的不同值。表2-5输 入输 出EI01234567A2A1A0GSEO111111111011111110001111111000111011110010111111 根据上表，总结74148编码电路的特点。四、实验设备电脑、Multisim 10 仿真软件五、预习要求1、预习Multisim 10 软件的基本操作。2、预习Multisim 10 软件中虚拟仪器“字信号发生器”、“逻辑分析仪”的使用。六、实验报告要求1、画出与非门动态测试的波形。2、画出全加器各输入、输出的波形。3、总结74LS148编码电路的功能。4、针对第四题写出“字信号发生器”的各自具体设置过程。实验三 Multisim在数字电路中的虚拟仿真（二）一、实验目的1、进一步熟练掌握“字信号发生器”、“逻辑分析仪”的使用” 。2、掌握Multisim 软件中虚拟仪器双踪示波器、4踪示波器的使用。3、掌握Multisim软件中逻辑转换仪的使用。4、掌握Multisim软件对组合电路的分析与设计方法。二、虚拟仪器介绍1、逻辑转换仪 逻辑转换仪如图 3-1所示，该仪器共有9个端子，均为输入端。这9个端子对应于该仪器界面上部的AH共9个输入端图3-1 逻辑转换仪图 3-2 逻辑转换仪界面 仪器界面（如图3-2）左上方提供A、B、C、D、E、F、G、H这8个输入变量；左边为真值表区；正下方为逻辑表达式栏；右边为逻辑转换操作区。它提供了6种转换功能 单击按钮 将逻辑电路转换成真值表，逻辑转换仪显示真值表结果。 单击按钮 将真值表转换成逻辑表达式，在转换前必须将在真值表栏中输入真值表，根据输入端的个数，使用鼠标单击逻辑转换仪界面顶部输入端的圆圈（AH），选择输入变量，这时真值表会自动组合输入的变量，此时显示右侧一栏 中的初始值均为“？”，使用鼠标单击“？”变成“0”，再使用鼠标单击“0”变成“X”。 单击按钮 由真值表导出简化表达式。可实现对已有的逻辑表达式进一步简化的目的。 单击按钮 由逻辑表达式得到真值表。 单击按钮 由逻辑表达式得到逻辑电路。 单击按钮 由逻辑表达式得到与非门电路。 三、实验内容和步骤1、变量译码电路的仿真分析 在 Multisim软件中构建仿真电路如图3-3 所示图3-3 译码器仿真电路 双击“字信号发生器”图标，弹出其设置面板，如图3-4所示。对其进行相应的设置。 图3-4 设置面板图3-5 字信号设置 在字信号编辑区，对字信号进行设置，并对数据的执行过程进行相应的设置，对数据流进行设置指针、设置起始位 、设置结束位、设置断点、去掉断点等的操作。如图3-5所示。 设置完毕后，按下仿真开关，观察8个灯泡的现象。 根据仿真结果，列出图3-3的译码器（74LS138）的真值表。 自拟一个能观察译码器（74LS138）的波形图的仿真电路图。2、BCD七段显示译码器仿真测试电路 在 Multisim软件中构建仿真电路如图3-6 所示，图中的显示器是LED共阳数码管。图3-6 BCD七段显示译码器仿真测试电路 开启仿真开关，分别按动各开关，使输入4位二进制码“DCBA”分别为00001001，这时对应输入的每个二进制码，经译码器译码后直接推动共阳LED数码管显示出十进制数09，同时也可从接在输入端的4盏指示灯知道输入的二进制码。 将实验结果填入表3-1中 表3-1输 入输 出输 入输 出DCBAOA OB OC OD OE OF OG数码管DCBAOA OB OC OD OE OF OG数码管00001000000110010010101000111011010011000101110101101110011111113、用于非门设计一个一位的全减器 表3-2 全减器真值表输 入输出ABCDS0000000111010110110110010101001100011111 设定A为本位被减数，B为本位减数，C为由低位来的借位输入，D为本位之差，S为向高位的借位。 D的设计图3-7 全减器真值表D 列 单击按钮 单击按钮 单击按钮 得图3-8图3-8 与非门构成的D逻辑电路 为了使电路简洁，将设置为子电路。步骤如图3-9、图3-10 图3-9 4个输入输出端子与电路连接图 3-10 D子电路图3-11 S子电路 将图3-10子电路D保存。 S 的设计 方法同D的设计，S子电路如图3-11。 将子电路D和子电路S连线画成如图3-12所示。 图3-13 全减器电路图 3-12 同样将图3-12设计成一个名称为QJQ的子电路，如图3-13 。 用逻辑转换仪来验证一位全减器的正确性 。 双击逻辑转换仪。 点击按钮，得如图3-14、图 3-15 。 图 3-14图3-15四、实验设备电脑、Multisim 10 仿真软件五、预习要求1、预习Multisim 10 软件中虚拟仪器 “逻辑转换仪”的使用。六、实验报告要求1、总结74LS138译码电路的功能。2、用逻辑转换仪设计一个一位全加器。实验四 译码器和编码器一、实验目的1、了解数码显示管的工作原理。2、熟悉中规模译码器的简单应用。二、实验原理（一）译码器1、译码器是一个多输入、多输出的组合逻辑电路。它的作用是把给定的代码进行“翻译”，变成相应的状态，使输出通道中相应的一路有信号输出。译码器在数字系统中有广泛的用途，不仅用于代码的转换，终端的数字显示，还用于数据分配，存储器寻址和组合控制信号等。实现不同的功能可选用不同种类的译码器。2、译码器可分为通用译码器和显示译码器两大类。前者又分为变量译码器和代码变换译码器。（1）变量译码器（又称二进制译码器）：用以表示输入变量的状态。若有n个输入变量，则有2n个不同的组合状态，就有2n个输出端供其使用。而每一个输出所代表的函数对应于n个输入变量的最小项（例如74LS138，74LS139等）。（2）代码变换译码器：能将一种码制变换成另一种码制。例如将二进制码制码转换为循环码；将四位二进制数表示的二十进制转换为十进制数等。（3）数码显示译码器：用来驱动各种显示器件，它可以将数符或字符的二进制码信息“还原”成相应的数符或字符。常用的有74LS47、74LS48、74LS247、74LS248等。（二）编码器编码与译码的过程刚好相反，通过编码器可对一个有效输入信号译成一组二进制代码。优先编码器的功能是允许同时在几个输入端有输入信号，编码器按输入信号排定的优先的顺序只对同时输入的几个信号中优先权最高的一个进行编码。例如74LS148，它是一个8线三线优先编码器，输入和输出都低电平有效。三、实验内容1、熟悉数码显示器。2、码制变换电路3、熟悉74LS138变量译码器。4、编码器的简单应用。四、实验器件1、74LS86 2、74LS138 3、74LS20 4、74LS148 5、74LS175 6、74LS32五、实验步骤1、熟悉数码显示器将任意一只显示译码驱动器的输入D、C、B、A分别和逻辑电平开关连接。按表4-1要求，拨动逻辑电平开关，记录数码显示器显示的字型。表4-1 数码显示器字型表输 入输出字型输 入输出字型DCBADCBA00001000000110010010101000111011010011000101110101101110011111112、码制变换译码器图4-1 是一个码制变换译码器，它可以把一个四位二进制码B3B2B1B0输入变成一个四位循环码G3G2G1G0。按表3-2要求，拨动逻辑电平开关，记录发光二极管变化状态。图4-1 码制变换译码器