数字电子技术与逻辑设计.docx

《数字电子技术与逻辑设计》

实验指导书

河北政法职业学院 计算机系

计算机信息管理、经济信息管理、电子商务专业用

2006年11月

前 言

“数字电子技术”课可分成三部分，分别是基础知识、组合逻辑电路和时序逻辑电路。基础知识包括数制与代码、逻辑代数与逻辑函数，有各种门（与、或、非、与非、或非、与或非、异或和触发器（RS、JK、D、T），还有公式法化简、卡诺图化简；组合逻辑电路包括分析、设计和常用组合部件三部分；时序逻辑电路包括同步时序电路、异步时序电路和计数器三部分。
开设“数字电子技术实验”的目的在于巩固课堂所学知识；培养学生分析、设计、组装、调试数字电路的基本技能；为后继课打下坚实基础。实验内容的编排既要紧密联系课堂教学又要考虑后继课的需要。
本实验指导书以TPE-D实验箱为例编写，实用性比较强。水平有限，指导书中若有不妥之处，敬请各位老师同学不吝赐教。

目 录
实验一 示波器、函数信号发生器的使用……………………………3
实验二 各种门电路功能测试（与非门）……………………………5
实验三 1.用与非门实现三人多数表决器
2.用数据选择器实现三输入奇校验…………………………7
实验四 集成触发器的功能测试……………………………………14
实验五 中规模集成电路计数器的应用…………………………… 17

实验一：函数信号发生器、双踪示波器的使用

一、 函数信号发生器
(一)函数信号发生器的技术参数：
频率范围：0.1~10MHz/0.5~5MHz/0.2~2MHz
输出波形：正弦波、方波、三角波等七种波形
输出幅度： 20Vp-p
输出衰减：0dB、-20dB、-40dB 、-60dB
对称度调节：15%~85%
直流偏置:　±10V
扫描方式：线性、对数、外扫描
外测频率：0.1Hz~30MHz
输出功率：10W（仅P型机有）
外形尺寸：240mm x 90mm x 280mm
(二)函数信号发生器的使用
1. 电源按钮：按下此开关，电源接通，频率计显示。
2. 数字显示：频率显示，单位kHz,灯亮有效。电压显示，单位V，灯亮有效。
3. 频率范围：按下有效。X2、 X20、 X200、 X2K、 X200K、X2M。
4. 波形选择：按下有效。正弦波、三角波、方波。
5. 频率调节：与“频率倍乘”按钮配合选择工作频率。
6. 波形对称：逆时针到底—关。
7. 直流偏置：逆时针到底—关。
8. 输出幅度：调节输出电压值。
9. 扫描信号：内。
10. 扫描波形：线性。
11. 计数方式：弹出。
12. 输出幅度弹出。

二、双踪示波器
(一)熟悉示波器面板主要旋(按)钮的作用
1．电源控制及显示控制按钮
． INTENSITY(亮度)：调节基线的亮度。
． FOCUS(聚焦)：调节最佳的基线宽度。
． P0WER(电源)：开机和关机。
2．Y轴控制按钮(VERTICAL部分)
． POSITION(垂直位移)：上下移动基线。
． VERTICAL。 MODE(垂直方式)：输入信号显示选择。
☆ CHl，CH2：单独显示通道1或通道2的波形。
☆ ALT：交替显示通道l或通道2的波形。
☆ CHOP：以500KHz的速度在CH1和CH2之间切换。
☆ ADD：显示通道1和通道2的代数和。
．　VOLTS／DIV(垂直偏转系数)：选择垂直显示的偏转系数。
． VARIABLE(微调)：在VOLTS/DIV的校准位置之间提供连续变化的偏转系统
． GND(接地)：在GND时给出参考点。
． DC—AC(直流—交流)：输入信号耦合方式。
． CHl 0R X，CH2 0R Y(信号输入插座)：信号输入端。；
3．X轴控制按钮(HORIZONT部分)
． POSITION(水平移位粗调)：在水平方向控制基线位置。
． FINE水平移位细调)：在水平方向细调基线位置。
． HORIZONT MODE(水平方式)：水平显示方式。
． SEC／DIV(扫描时间系数)：选择时基速度。
， VARIABLE(微调)：提供连续变化的未校准的扫描速度。
4．触发控制按钮(TR{TRIGGER部分)
． LEVEL(电平)：选择信号的实际触发点。
． TRIGGER MODE：触发方式。
． SLOPE：选择触发扫描信号的极性。
． SOURCE：选择耦合到触发电路的信号源。
． COUPLINC：触发源耦合方式。
(二)示波器的使用
1．测量前的准备
(1．)各按钮的预备位置：
垂直部分
POSITl0N(垂直移位)：居中
MODE(垂直方式)：CH1
VOLTS／DIV(垂直偏转系数)：50mV
VARLABLE(微调)：顺时针到底·
GND(接地)：弹出
DC—AC(耦合方式)：AC
水平部分
． POSITl0N(水平移位)：居中
． MODE(水平方式)：X1
． SEC／DIV(扫描时间系数)：。0．2ms
． VARLABLE(微调)：顺时针到底
触发部分
． LEVEL(电平)：逆时针到底
． SLOPE(极性)：弹起
． MODE(方式)：AUT0
． SOURCE(触发源)：CHl
． COUPLING(触发耦合)：AC
(2)开启电源，调节亮度、聚焦、Y轴移位和X轴移位使荧光屏上出现一条清晰均匀的扫描亮线。
2．电压的测量
被测信号经示波器探头输入Y轴。
根据被测信号的幅度和频率，合理选择VOLTS／DIV(垂直偏转系数)的档位和DEC／D”
(扫描时间系数)的档位，并调节“LEVEL(电平)”旋钮，使荧光屏上出现二至三个周期
稳定波形。
(1)测量峰峰电压值 ，
读出被测信号的峰—峰在垂直方向上偏转的格数
则被测信号的峰峰电压为：Vp-p=垂直偏转(格数)╳VOLTS/IV
(2)测量波形上指定点的电压(相对于地)；
将GND(接地)按钮按下，调节垂直移位(POSIT10N)将基线移到中心刻度线，将输入
耦合设置为DC。
读出被测点与中心刻度线之间垂直偏转格数(在水平刻度线之上为正，之下为负)。
则该点的电压为＝垂直偏转格数VOLTS／DIV
3．时间的测量
被测信号经示波器探头输入Y轴。调节有关旋钮使荧光屏上出现1－2个稳定波形。
(1)测量信号波形任意两点间的时间间隔。
读出给定两点相距的水平格数。
则该两点的时间间隔=(水平格数╳DEC／DIV)／扩展倍率
(2)测量信号的周期和频率
按上面方法，测量波形一个完整波形周期的时间间隔，即为该波形的周期T，而频率是
周期的倒数f＝1/T。

三、实验内容
将函数信号发生器的正弦波信号输出端通过开路电缆与示波器CH1或CH2输入电缆相连。
调整示波器上的有关旋钮，使荧光屏上出现一个稳定的正弦波信号。
1．测量正弦波的峰—峰电压
由函数信号发生器输出f＝1KHz、电压分别为1V、2V、4V的正弦信号，测出相应的电压峰—峰值，并与信号发生器的电压输出值相比较。
2．测量指定点的电压
在上题中，测出每种信号中的最高点的电压值。
3.　测量波形上两点间的时间间隔
由“函数信号发生器”分别输入50Hz、100Hz、200 Hz、1k Hz、10k Hz的信号，利用示波器测出其周期，再计算各自的频率。

四、实验体会

实验二 集成逻辑门电路逻辑功能的测试
　    一、实验目的
    1、熟悉数字逻辑实验箱的结构、基本功能和使用方法。
    2、掌握常用与非门、非门、异或门的逻辑功能及其测试方法。
    二、实验仪器及设备
1、数字电路实验箱和TPE-D 1台
    2、双踪示波器1台
    3、元器件： 74LS00（四路2输入与非门） 74LS04（六路反相器）
　74LS86（四路2输入异或门） 各一块
    4、导线若干
    三、实验内容
1.集成电路芯片简介
数字电路实验中所用到的集成芯片都是双列直插式的，其引脚排列规则如图74LS00所示。识别方法是：正对集成电路型号(如74LS00)或看标记(左边的缺口或小圆点标记)，从左下角开始按逆时针方向以1、2、3…依次排列到最后一脚(左上角)。在标准型TTL集成电路中，电源端Vcc一般排在左上端。接地端GND一般排在右下端。如74LS00为14脚芯片，14脚为Vcc，7脚为GND。在门电路芯片中，输入端一般用A，B，C，D，…表示，输出端用Y表示。如一块集成芯片有几个门电路时，在其输入、输出端的功能标号前(或后)标上相应的序号。如74LS00为四个2输入与非门电路，1A、1B为第一个与非门的输入端；1Y为该门的输出端，2A、2B为第二个与非门的输入端，2Y为其输出端，依此类推。若集成芯片引脚的功能标号为NC，则表示该引脚为空脚，与内部电路不连接。
2.测试74LS00（四2输入端与非门）逻辑功能
    （1）将74LS00正确接入数字电路实验箱，注意识别1脚位置。
①按图1搭建电路。②按表1要求输入高、低电平信号，测出相应的输出逻辑电平。③得表达式

图1 表1
（2）将与非门的一个输入端A接到1kHz的连续脉冲上，同时接入双踪示波器的CH1通道；另一个输入端B加高电平。将与非门的输出端F接入双踪示波器的CH2通道。观察与非门的输出与输入逻辑关系。并画出输入和输出波形。

(3) 将与非门的一个输入端A接到1kHz的连续脉冲上，同时接入双踪示波器的CH1通道；另一个输入端B加低电平。将与非门的输出端F接入双踪示波器的CH2通道。观察与非门的输出与输入逻辑关系。并画出输入和输出波形。

2、测试74LS04（六非门）的逻辑功能
    将74LS04正确接入数字电路实验箱，注意识别1脚位置。先按引脚图2搭建电路，然后按表2要求输入高、低电平信号，测出相应的输出逻辑电平。得表达式为

　　图2 表2
3、测试74LS86（四2输入异或门）逻辑功能
    将74LS86正确接入数字电路实验箱，注意识别1脚位置。
①按图3搭建电路。②按表3要求输入高、低电平信号，测出相应的输出逻辑电平。③得表达式为Y=A⊕B   

图3 表3
   四、实验体会

实验三：1.　设计与非门实现三人表决器的逻辑电路
　2.　用4选一数据选择器实现奇校验
一、实验目的
　　1、学会用与非门实现组合逻辑电路
    2、学会用中规模集成芯片四选一数据选择器74LS153实现组合逻辑电路。
    3、了解由小规模集成电路设计和由中规模集成电路设计组合逻辑电路的不同特点
二、实验仪器及设备
1、数字电路实验箱TPE-D 1台
    2、元器件：74LS00(二输入端四与非门) 74LS04(六路反相器) 74LS10(三输入端三与非门) 74LS20 74LS153(双4选一数据选择器) 各1块
    3、导线若干
四、实验内容（简单实验步骤、实验数据）
(一)设计与非门实现三人表决器的逻辑电路
1、搭建电路：
（1）输入A、B、C；同意为1，不同意为0；输出F；多数同意为1，多数不同意为0。
（2）根据要求列出真值表，化简后的函数表达式为

用与非门实现上述逻辑功能，按图1搭建电路：

输 入
输 出
A
B
C
F
0
0
0

0
0
1

0
1
0

0
1
1

1
0
0

1
0
1

1
1
0

1
1
1

　　　　　　　　　　　　　　　　　　三人多数表决器的真值表
图1
2、通过改变逻辑电平开关，实现输入信号的所有组合，观察输出状态，完成真值表。

(二)用4选一数据选择器实现奇校验

1、原理：
（1）输入A、B、C；输出F，输入变量中1的个数为奇数时输出为1，否则为0。
（2）列出真值表，写出函数表达式：

四选一数据选择器的输出函数表达式为：

设A＝A1，B＝A0；对照比较F＝Y，则I0＝I3＝C，I1＝I2＝C
2、按图2搭建电路。
输 入
输 出
A
B
C
F
0
0
0

0
0
1

0
1
0

0
1
1

1
0
0

1
0
1

1
1
0

1
1
1

奇校验的真值表

图2

3、通过改变逻辑电平的开关置位，实现各种输入，观察输出状态，完成真值表。
五、实验体会

实验四　各种类型触发器功能测试
一、实验目的
1、 掌握D触发器和J-K触发器的逻辑功能及触发方式。
2、 掌握触发器功能的测试方法。
3、掌握JK T，D T’的转换方法。
二、实验设备及器件
1、 数字电路实验箱TPE-D 1台
2、 74LS74 双上升沿D触发器 1片
3、 74LS73 双下降沿J-K触发器 1片
三、实验内容与步骤
1 测试74LS74Ｄ触发器逻辑功能
1）按图(1)接线。 表1
输 入
输 出
D

CP
Ｑn+1
x
0
0
x

x
0
1
x

x
1
0
x

x
1
1
0

0
1
1
０→１

1
1
1
０→１

图 图(1) x－任意状态
2）直接置位（SD）端、复位（RD）端功能测试，将结果填入表1中。
3）Ｄ与CP端功能测试
从ＣＰ端输入单个脉冲,按表1改变开关状态。将测试结果记入表1中。
2、将D触发器转换为T’触发器(翻转)。
原理：

1）按图(1)接线，将管脚2和6接一起。
2）将实验结果填入表2中。

表2
输 入
输 出

CP
Ｑn+1
0
0
x

0
1
x

1
0
x

1
1
０→１

4、 测试74LS73 Ｊ－Ｋ触发器逻辑功能。
按图(2)接线。

图(2)
1）直接复位（）功能测试，将测试结果填入表3中。
2）功能测试。
图(2)中CP端加单脉冲，按表3利用开关改变各输入端状态，在CP端加单脉冲，借助指示灯观测输出端状态并将结果记入表3。 (注：先在J、K端加信号，且在CP下降沿时刻，触发翻转)
表3
输 入
输 出

J
K
K

CP
Qn+1
x
x
0
x

0
0
1
1→0

0
1
1
1→0

1
0
1
1→0

1
1
1
1→0

4、将Ｊ－Ｋ触发器转换为T触发器(保持和翻转)。
原理：

1）按图(2)接线，将管脚3和14相连接电平开关。
2）将实验结果填入表4中。
表4
输 入
输 出

T
CP
Ｑn+1
0
x
x

1
0
1→0

1
1
1→0

四、实验体会
共3页

实验五 中规模集成电路计数器的应用　
一、实验目的
1.熟悉中规模集成电路计数器的及应用。
2.掌握用74LS161的异肯清零、同步置数实现十进制计数。
二、实验设备及器件
1. 数字电路实验箱TPE-D 1台
2. 74LS161 四位二进制计数器 1片
3. 74LS00 1片 74LS20 1片 74LS90 1片
三、实验内容与步骤
                   四、实验内容（简单实验步骤、实验数据）
    (一)用74LS161及辅助门电路实现一个10进制计数器：
    1、利用异步清0端  。电路图如图9-1。
    2、利用同步置数端LD，从0000开始计数电路图如图9-2。
    3、利用同步置数端LD，到1111结束。电路图如图9-3。
    4、利用同步置数端LD，从某状态DCBA开始，到另一状态D1C1B1A1结束。（例：从0001开始，到1010结束的10进制）电路图如图9-4。
    计数器的CP端接低频连续脉冲，输出状态接LED电平显示，逻辑电平开关作为并行输入数据，观察计数器的功能。列出表述其功能的计数状态顺序表，记录实验数据。            
CP
QD
QC
QB
QA
代表十进制数
0
0
0
0
1
1
1
0
0
1
0
2
2
0
2
1
1
3
3
0
1
0
0
4
4
0
1
0
1
5
5
0
1
1
0
6
6
0
1
1
1
7
7
1
0
0
0
8
8
1
0
0
1
9
9
1
0
1
0
10
10
0
0
0
0
0
    电路图9-4的数据为下表：
    （二）利用实验箱上的高频连续脉冲作CP，用示波器观察QD、QC、QB、QA的波形，并按时间对应关系记录下来。（略）
   74LS161的置0端为异步置0，置数端为同步置数。
   四、实验体会

附件1

TPE-D数字逻辑电路实验箱 面包版

双踪示波器(HG2020 ) 函数发生器　(HG1202P)

附件2 集成芯片的引脚图

四2输入与非门 六路反相器

四2异或门 二4与非门

三3输入与非门 双4选1数据选择器

双下降沿JK触发器 双上升沿D触发器

可置数的二-五-十进制加法计数器 可置数的四位二进制加法计数器