数字电路实验指导书(1)

数字电路实验指导书(1) 数字电路实验指导书 第一章 概述 随着科学技术的发展，数字电子技术在各个科学领域中都得到 了广泛的应用，它是一门实践性很强的技术基础课，实验是数字逻 辑电路课程重要的教学环节，通过实验不仅能巩固和加深理解所学 的数字电子技术知识，更重要的是在建立科学实证思维方面，在掌 握基本的测试手段和方法上，在电平检测、波形测绘和数据处理方 面，对培养学生理论联系实际和解决实际问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 的能力，树立科学的 工作作风，起到很重要的作用。 1.1数字集成电路的分类、特点及注意问题 当今，数字电子电路几乎已完全集成化了。因此，充分掌握和 正确使用数字集成电路，用以构成数字逻辑系统，就成为数字电子 技术的核心内容之一。 集成电路按集成度可分为小规模、中规模、大规模和超大规模 等。小规模集成电路（SSI）是在一块硅片上制成约1～10个门，通常为逻辑单元电路，如逻辑门、触发器等。中规模集成电路（MSI）的集成度约为10～100门/片，通常是逻辑功能电路，如译码器、数 据选择器、计数器、寄存器等。大规模集成电路（LSI）的集成度约为100门/片以上，超大规模（VLSI）约为1000门/片以上，通常是一个小的数字逻辑系统。现已制成规模更大的极大规模集成电路。 数字集成电路还可分为双极型电路和单极型电路两种。双极型 电路中有代表性的是TTL电路；单极型电路中有代表性的是CMOS电路。国产TTL集成电路的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 系列为CT54/74系列或CT0000系列，其功能和外引线排列与国际54/74系列相同。国产CMOS集成电路主要为CC（CH）4000系列，其功能和外引线排列与国际CD4000系列相对应。高速CMOS系列中，74HC和74HCT系列与TTL74系列相对应，74HC4000系列与CC4000系列相对应。 必须正确了解集成电路参数的意义和数值，并按规定使用。特 别是必须严格遵守极限参数的限定，因为即使瞬间超出，也会使器 1 数字电路实验指导书 件遭受损坏。 TTL器件的特点： 1．输入端一般有钳位二极管，减少了反射干扰的影响。 2．输出电阻低，增强了带容性负载的能力。 3．有较大的噪声容限。 4．采用+5V的电源供电。 为了正常发挥器件的功能，应使器件在推荐的条件下工作，对 CT0000系列（74LS系列）器件，主要有：（1）电源电压应4.75～5.25V 的范围内。（2）环境温度在000C～70C之间。（3）高电平输入电压V>2V，低电平输入电压V<0.8V。（4）输出电流应小于最大推荐IHSL 值（查手册）。（5）工作频率不能高，一般的门和触发器的最高工作 频率约30MHZ左右。 TTL器件使用注意问题： 1．电源电压应严格保持在5V?10%的范围内，过高易损坏器件，过 低则不能正常工作，实验中一般采用稳定性好、内阻小的直流稳 压电源。使用时，应特别注意电源与地线不能错接，否则会因过 大电流而造成器件损坏。 2．多余输入端最好不要悬空，虽然悬空相当于高电平，并不能影响 与门（与非门）的逻辑功能，但悬空时易受干扰，为此，与门、 与非门多余输入端可直接接到V上，或通过一个公用电阻（几cc 千欧）连到V上。若前级驱动能力强，则可将多余输入端与使cc 用端并接；不用的或门、或非门输入端直接接地，与或非门不用 的与门输入端至少有一个要直接接地，带有扩展端的门电路，其 扩展端不允许直接接电源。若输入端通过电阻接地，电阻值的大 小将直接影响电路所处的状态，当R?680Ω时，输入端相当于逻 辑“0”；当R?4．7KΩ时，输入端相当于逻辑“1”。对于不同系 列的器件，要求的阻值不同。 3．输出端不允许直接接电源或接地，有时为了使后级电路获得较高 的输出电平，允许输出端通过电阻R接至Vcc，一般取R＝3~5.1 KΩ；不允许直接并联使用（集电极开路门和三态门除外）。 2 数字电路实验指导书 4．应考虑电路的负载能力（即扇出系数），要留有余地，以免影响 电路的正常工作。扇出系数可通过查阅器件手册或计算获得。 5．在高频工作时，应通过缩短引线、屏蔽干扰源等措施，抑制电流 的尖峰干扰。 CMOS数字集成电路的特点 1．静态功耗低：电源电压V=5V的中规模电路的静态功耗小于100DD μW，从而有利于提高集成度和封装密度，降低成本，减小电源 功耗。 2．电源电压范围宽：4000系列CMOS电路的电源电压范围为3～18V， 从而使选择电源的余地大，电源设计要求低。 3．输入阻抗高：正常工作的CMOS集成电路，其输入端保护二极管 处于反偏状态，直流输入阻抗可大于100MΩ，在工作频率较高 时，应考虑输入电容的影响。 4． 扇出能力强：在低频工作时，一个输出端可驱动50个以上的 CMOS器件的输入端，这主要因为CMOS器件的输入电阻高的缘 故。 5．抗干扰能力强：CMOS集成电路的电压噪声容限可达电源电压的 45%，而且高电平和低电平的噪声容限值基本相等。 6．逻辑摆幅大：空载时，输出高电平V ＞（V-0.05V）,输出低OHDD 电平V＜（V+0.05V）。 OLSS CMOS集成电路还有较好的温度稳定性和较强的抗辐射能力。不 足之处是，一般CMOS器件的工作速度比TTL集成电路低，功耗随工作频率的升高而显著增大。 CMOS器件的输入端和V之间接有保护二极管，除了电平变换SS 器等一些接口电路外，输入端和正电源V之间也接有保护二极管，DD因此，在正常运转和焊接CMOS器件时，一般不会因感应电荷而损 坏器件。但是，在使用CMOS数字集成电路时，输入信号的低电平 不能低于（V-0.5V），除某些接口电路外，输入信号的高电平不得SS 高于（V+0.5V），否则可能引起保护二极管导通，甚至损坏进而可DD 能使输入级损坏。 3 数字电路实验指导书 CMOS器件使用注意事项： 1．电源连接和选择：V端接电源正极，V端接电源负极（地）。DDSS 绝对不许接错，否则器件因电流过大而损坏。对于电源电压范围 为3V～18V系列器件。如CC4000系列，实验中V通常接+5VDD 电源。V电压选在电源变化范围的中间值，例如电源电压在8～DD 12V之间变化，则选择V=10V较恰当。CMOS器件在不同的DD V值下工作时，其输出阻抗、工作速度和功耗等参数都有所变DD 化，设计中须考虑。 2．输入端处理：多余输入端不能悬空。应按逻辑要求接V或接DD V，以免受干扰造成逻辑混乱，甚至还会损坏器件。对于工作速SS 度要求不高，而要求增加带负载能力时，可把输入端并联使用。 对于安装在印刷电路板上的CMOS器件，为了避免输入端悬空， 在电路板的输入端应接入限流电阻R和保护电阻R，当V=+5VPDD 时，R取5.1KΩ，R一般取100KΩ～1MΩ。 P 3．输出端处理：输出端不允许直接接V或V，否则将导致器件DDSS 损坏，除三态（TS）器件外，不允许两个不同芯片输出端并联使 用，但有时为了增加驱动能力，同一芯片上的输出端可以并联。 4．对输入信号V的要求：V的高电平V＜V，V的低电平VIIIHDDILIL 小于电路系统允许的低电压；当器件V端未接通电源时，不允DD 许信号输入，否则将使输入端保护电路中的二极管损坏。 1.2集成电路外引线的识别 使用集成电路前，必须认真查对识别集成电路的引脚，确认电 源、地、输入、输出、控制等端的引脚号，以免因接错而损坏器件。 引脚排列的一般规律为： 圆形集成电路：识别是，面向引脚正视，从定位销顺时针方向 依次为1.2.3„„如图B1.1（a）。圆形多用于集成运放等电路。 扁平和双列直插型集成电路：识别时，将文字，符号标记正放 （一般集成电路上有一圆点或有一缺口，将圆点或缺口置于左方）， 由顶部俯视，从左下脚起，按逆时针方向数，依次1.2.3„„如图B1.1 4 数字电路实验指导书 （b）。在标准形TTL集成电路中，电源端Vcc—般排列在左上端，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。若集成电路芯片引脚上的功能标号为NC，则表示该引脚为空脚，与内部电路不连接。 扁平型多用于数字集成电路，双列直插型广泛用于模拟和数字 集成电路。 1.3数字逻辑电路的测试方法 1. 组合逻辑电路的测试 组合逻辑电路测试的目的是验证其逻辑功能是否符合设计要 求，也就是验证其输出与输入的关系是否与真值表相符。 (1). 静态测试。静态测试是在电路静止状态下测试输出与输入 的关系。将输入端分别接到逻辑电平开关上，用电平显示灯分别显 示各输入和输出端的状态。按真值表将输入信号一组一组地依次送 入被测电路，测出相应的输出状态，与真值表相比较，借以判断此 组合逻辑电路静态工作是否正常。 (2). 动态测试动态测试是测量组合逻辑电路的频率响应。在输 入端加上周期性信号，用示波器观察输入、输出波形。测出与真值 表相符的最高输入脉冲频率。 2. 时序逻辑电路的测试 时序逻辑电路测试的目的是验证其状态的转换是否与状态图或 时序图相符合。可用电平显示灯、数码管或示波器等观察输出状态 的变化。常用的测试方法有两种，一种是单拍工作方式：以单脉冲 源作为时钟脉冲，逐拍进行观测，来判断输出状态的转换是否与状 5 数字电路实验指导书 态图相符。另一种是连续工作方式：以连续脉冲源作为时钟脉冲， 用示波器观察波形，来判断输出波形是否与时序图相符。 1.4数字实验的基本过程 实验的基本过程，应包括：确定实验内容、选定最佳的实验方 法和实验线路、拟出较好的实验步骤、合理选择仪器设备和元器件、 进行连接安装和调试、最后写出完整的实验报告。 在进行数字电路实验时，充分掌握和正确利用集成器件及其构 成的数字电路独有的特点和规律，可以收到事半功倍的效果，对于 完成每一个实验，应做好实验预习、实验记录和实验报告等环节。 实验预习: 认真预习是做好实验的关键。预习好坏，不仅关系到实验能否 顺利进行，而且直接影响实验效果。预习应按本教材的实验预习要 求进行，在每次实验前首先要认真复习有关实验的基本原理，掌握 有关器件使用方法，对如何着手实验做到心中有数，并用电子仿真 软件Multisim对所预习的实验内容进行验证，以保证所预习设计的 内容正确，这样不但可拓宽设计思路，也可大大节省实际在实验室 操作的时间和排错的时间，提高实验效率。通过预习还应做好实验 前的准备，写出一份预习报告，其内容包括： 1.绘出设计好的实验电路图，该图应该是逻辑图和连线图的混 合，既便于连接线，又反映电路原理，并在图上标出器件型号、使 用的引脚号及元件数值，必要时还须用文字说明。 2.拟定实验方法和步骤。 3.拟好记录实验数据的表格和波形座标，并记录预习的理论值。 4.列出元器件清单。 实验记录是实验过程中获得的第一手资料。测试过程中所测试 的数据和波形必须和理论基本一致，所以记录必须清楚、合理、正 确，若不正确，则要现场及时重复测试，找出原因。实验记录应包 括如下内容： 1.实验任务、名称及内容。 6 数字电路实验指导书 2.实验数据和波形以及实验中出现的现象，从记录中应能初步判 断实验的正确性。 3.记录波形时，应注意输入、输出波形的时间相位关系，在座标 中上下对齐。 4.实验中实际使用的仪器型号和编号以及元器件使用情况。 实验报告是培养学生科学实验的总结能力和分析思维能力的有 效手段，也是一项重要的基本功训练，它能很好地巩固实验成果， 加深对基本理论的认识和理解，从而进一步扩大知识面。实验报告 是一份技术总结，要求文字简洁，内容清楚，图表工整。 报告内容应包括实验目的、实验内容和结果、实验使用仪器和 元器件以及分析讨论等，其中实验内容和结果是报告的主要部分， 它应包括实际完成的全部实验，并且要按实验任务逐个书写，每个 实验任务应有如下内容： 1.实验课题的方框图、逻辑图（或测试电路）、状态图，真值表 以及文字说明等，对于设计性课题，还应有整个设计过程和关键的 设计技巧说明。 2.实验记录和经过整理的数据、表格、曲线和波形图，其中表格、 曲线和波形图应充分利用专用实验报告简易座标格，并且三角板、 曲线板等工具描绘，力求画得准确，不得随手示意画出。 3.实验结果分析、讨论及结论，对讨论的范围，没有严格要求， 一般应对重要的实验现象、结论加以讨论，以便进一步加深理解， 此外，对实验中的异常现象，可作一些简要说明，实验中有何收获， 可谈一些心得体会。 1.5数字实验中操作规范和常见故障检查方法 实验中操作的正确与否对实验结果影响甚大。因此，实验者需 要注意按以下规程进行。 1.搭接实验电路前，应对仪器设备进行必要的检查校准，对导线 是否导通，用万用表进行测量，对所用集成电路是否好坏，搭接简 单电路进行功能测试。 7 数字电路实验指导书 2.搭接电路时，应遵循正确的布线原则和操作步骤（即要按照先 接线后通电，做完后，先断电再拆线的步骤）。 3.掌握科学的调试方法，有效地分析并检查故障，以确保电路工 作稳定可靠。 4.仔细观察实验现象，完整准确地记录实验数据并与理论值进行 比较分析。 5.实验完毕，经指导教师同意后，可关断电源拆除连线，整理好 放在实验箱内，并将实验台清理干净、摆放整洁。 实验操作的布线原则和故障检查。 布线原则：应便于检查、排除故障和更换器件。在数字电路实 验中，有错误布线引起的故障，常占很大比例。布线错误不仅会引 起电路故障，严重时甚至会损坏器件，因此，注意布线的合理性和 科学性是十分必要的，正确的布线原则大致有以下几点： 1.接插集成电路芯片时，先校准两排引脚，使之与实验底板上的 插孔对应，轻轻用力将芯片插上，然后在确定引脚与插孔完全吻合 后，再稍用力将其插紧，以免集成电路的引脚弯曲，折断或者接触 不良。 2.不允许将集成电路芯片方向插反，一般IC的方向是缺口（或标记）朝左，引脚序号从左下方的第一个引脚开始，按逆时钟方向 依次递增至左上方的第一个引脚。 3.布线时，最好采用各种色线以区别不同用途，如电源线用红色， 地线用黑色。 4.布线应有秩序地进行，随意乱接容易造成漏接错接，较好的方 法是首先接好固定电平点，如电源线、地线、门电路闲置输入端、 触发器异步置位复位端等，其次，在按信号源的顺序从输入到输出 依次布线。 5.连线应避免过长，避免从集成器件上方跨接，避免过多的重叠 交错，以利于布线、更换元器件以及故障检查和排除。 6.当实验电路的规模较大时，应注意集成元器件的合理布局，以 便得到最佳布线，布线时，顺便对单个集成器件进行功能测试。这 8 数字电路实验指导书 是一种良好的习惯，实际上这样做不会增加布线工作量。 7.应当指出，布线和调试工作是不能截然分开的，往往需要交替 进行，对大型实验元器件很多的，可将总电路按其功能划分为若干 相对独立的部分，逐个布线、调试（分调），然后将各部分连接起来 （联调）。 故障检查：实验中，如果电路不能完成预定的逻辑功能时，就 称电路有故障，产生故障的原因大致可以归纳以下四个方面： 1.操作不当（如布线错误等） 2.设计不当（如电路出现险象等） 3.元器件使用不当或功能不正常 4.仪器（主要指数字电路实验箱）和集成器件本身出现故障。 因此，上述四点应作为检查故障的主要线索，以下介绍几种常 见的故障检查方法： 1.查线法。由于在实验中大部分故障都是由于布线错误引起的， 因此，在故障发生时，复查电路连线为排除故障的有效方法。应着 重注意：导线是否导通，有无漏线、错线，导线与插孔接触是否可 靠，集成电路是否插牢、集成电路是否插反、是否完好等。 2.观察法。用万用表直接测量各集成块的V端是否加上电源电cc压；输入信号、时钟脉冲等是否加到实验电路上，观察输出端有无 反应。重复测试观察故障现象，然后对某一故障状态，用万用表测 试各输入/输出端的直流电平，从而判断出是否是插座板、集成块引 脚连接线等原因造成的故障。 3.信号注入法。在电路的每一级输入端加上特定信号，观察该级 输出响应，从而确定该级是否有故障，必要时可以切断周围连线， 避免相互影响。 4.信号寻迹法。在电路的输入端加上特定信号，按照信号流向逐 级检查是否有响应和是否正确，必要时可多次输入不同信号。 5.替换法。对于多输入端器件，如有多余端则可调换另一输入端 试用。必要时可更换器件，以检查器件功能不正常所引起的故障。 6.动态逐线跟踪检查法。对于时序电路，可输入时钟信号按信号 9 数字电路实验指导书 流向依次检查各级波形，直到找出故障点为止。 7.断开反馈线检查法。对于含有反馈线的闭合电路，应该设法断 开反馈线进行检查，或进行状态预置后再进行检查。 以上检查故障的方法，是指在仪器工作正常的前提下进行的， 如果实验时电路功能测不出来，则应首先检查供电情况，若电源电 压已加上，便可把有关输出端直接接到0—1显示器上检查，若逻辑开关无输出，或单次CP无输出，则是开关接触不好或是内部电路坏 了，一般就是集成器件坏了。 需要强调指出，实验 经验 班主任工作经验交流宣传工作经验交流材料优秀班主任经验交流小学课改经验典型材料房地产总经理管理经验 对于故障检查是大有帮助的，但只要 充分预习，掌握基本理论和实验原理，就不难用逻辑思维的方法较 好地判断和排除故障。 1.6实验要求 1.实验前的要求 (1) 认真阅读实验指导书，明确实验目的要求，理解实验原理， 熟悉实验电路及集成芯片，拟出实验方法和步骤，设计实验 表格。 (2) 完成实验指导书中有关预习的相关内容。 (3) 初步估算(或分析)实验结果(包括各项参数和波形)，写出预 习报告。 (4) 对实验内容应提前设计并使用Multisim软件仿真验证，将 有关数据写入预习报告中，设计电路在实验前一天上传到服 务器中。 2.实验中的要求 (1) 参加实验者要自觉遵守实验室规则。 (2) 严禁带电接线、拆线或改接线路。 (3) 根据实验内容，准备好实验所需的仪器设备和装置并安放 适当。按实验方案，选择合适的集成芯片，连接实验电路 和测试电路。 (4) 要认真记录实验条件和所得各项数据，波形。发生小故障时， 10 数字电路实验指导书 应独立思考，耐心排除，并记下排除故障过程和方法。实验 过程中不顺利，并不是坏事，常常可以从分析故障中增强独 立工作的能力。相反，实验“一帆风顺”不一定收获大，能 独立解决实验中所遇到的问题，把实验做成功，收获才是最 大的。 (5) 发生焦味、冒烟故障，应立即切断电源，保护现场，并报告 指导老师和实验室工作人员，等待处理。 (6) 实验前应检查实验仪器编号与座位号是否相同，仪器设备不 准随意搬动调换。非本次实验所用的仪器设备，未经老师允 许不得动用。若损坏仪器设备，必须立即报告老师，作书面 检查，责任事故要酌情赔偿。实验做完后，应让指导老师检 查签字，经老师同意后方可拆除线路，清理现场。 (7) 实验要严肃认真，要保持安静，整洁的实验环境。 3. 实验后的要求 实验后要求学生认真写好实验报告（含预习内容） a) 实验报告（含预习内容）的内容 (1) 实验目的。 (2) 列出实验的环境条件，使用的主要仪器设备的名称编号，集 成芯片的型号、规格、功能。 (3) 扼要记录实验操作步骤，认真整理和处理测试的数据，绘制 实验电路图和测试的波形，并列出表格或用坐标纸画出曲线。 (4) 对测试结果进行理论分析，作出简明扼要的结论。找出产生 误差的原因，提出减少实验误差的措施。 (5) 记录产生故障情况，说明排除故障的过程和方法。 (6) 写出本次实验的心得体会，以及改进实验的建议。 b) 实验报告（含预习内容）的要求 文理通顺、书写简洁、符号标准、图表规范、讨论深入、结论 简明。 为方便大家学习，本指导书附TPE—D31型数字电路实验箱 说明书 房屋状态说明书下载罗氏说明书下载焊机说明书下载罗氏说明书下载GGD说明书下载 和Multisim软件简介。 11 数字电路实验指导书 第二章 实验内容 实验一 门电路逻辑功能及测试 一．实验目的 1. 熟悉门电路逻辑功能的测试方法。 2. 熟悉数字电路实验箱及示波器使用方法。 二．实验预习要求 1. 复习基本门电路的逻辑功能及逻辑函数表达式。 2. 复习实验的各芯片结构和管脚图，附图2-1-1，图2-1-2，图 2-1-3，图2-1-4。 3. 复习实验所用的相关原理。 4. 了解示波器原理及使用方法。 5. 使用Multisim7电路仿真软件，分别完成硬件实验内容。 三．实验原理 1. 测试门电路的逻辑功能有两种方法： （1）静态测试法：就是给门电路输入端加固定高、低电平，用万 用表、发光二极管等测输出电平。 （2）动态测试法：就是给门电路输入端加一串脉冲信号，用示波 器观测输入波形与输出波形的关系。 2. 门电路的逻辑功能： （1）与非门的逻辑功能：有0出1，全1出0。 与非门的逻辑函数式：Y=AB，74LS00为四2输入与非门，即在一块集成块内含有四个互相独立的与非门,每个与非门有2个输入端，如图2-1-1所示。 （2）或非门的逻辑功能：有1出0，全0出1。 或非门的逻辑函数式：Y=A+B，74LS02为四2输入或非门，即在一块集成块内含有四个互相独立的或非门,每个或非门有2个输 12 数字电路实验指导书 入端，如图2-1-2所示。 （3）非门的逻辑功能：有1出0，有0出1。 非门的逻辑函数式：Y=A，74LS04为六反相器，即在一块集成块内含有六个互相独立的非门,如图2-1-3所示。 （4）异或门的逻辑功能：相同出0，相反出1。 异或门的逻辑函数式：Y=A?B=AB+AB 74LS86为四2输入异或门，即在一块集成块内含有四个互相 独立的异或门,每个异或门有2个输入端。如图2-1-4所示。 3. 门电路的逻辑变换：就是用与非门等组成其它门电路。 方法：先对其它门电路的函数式用摩根定理等公式变换成与非 式，再画出相应逻辑图，然后用与非门实现之。 四．实验仪器及设备 1. Multisim7电路仿真软件 2. TPE—D31型系列数字电路实验箱 3. 双踪示波器 4. 器件：74LS00 二输入端四与非门 1片 74LS02 二输入端或非门 l片 74LS04 六反相器 l片 74LS86 二输入端四异或门 1片 附：基本门电路结构图与管脚图如图： 1．7400 四2输入与非门 结构图 管脚图 图2-1-1 13 数字电路实验指导书 2．7402 四2输入或非门 结构图 管脚图 图2-1-2 3．7404 六反相器 结构图 管脚图 图2-1-3 4．7486 四2输入异或门 结构图 管脚图 图2-1-4 14 数字电路实验指导书 五．硬件实验内容 实验前按先检查实验箱电源是否正常，然后选择实验用的集成 电路，按自己设计的实验接线图接好连线，特别注意Vcc及地线不能接错。线接好后检查无误方可通电实验。实验中改动接线须先断 开电源，接好线后再通电实验。 1. 测试门电路逻辑功能 (1) 选用二输入端四与非门74LS00一只，插入面包板，按图2-1-5 接线，输入端接S1～S4(电平开关输出插口)，输出端接电平显示 发光二极管(D1～D8任意一个)。 图2-1-5 (2) 电平开关按表2-1-1置位，通过发光二极管观测输出逻辑状 态并用电压表测出输出电压，填入表2-1-1。 表2-1-1 输入 输出 Y A B 理论值 观测电平 实测电压(V) H H H L L H L L 15 数字电路实验指导书 2. 逻辑电路的逻辑关系 图2-1-6 (1) 按图2-1-6接线，将输入输出逻辑关系分别填入表2-1-2中。 表2-1-2 输入 输出Y A B C 理论值 Multisim值 观测值 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 (2) 写出上面电路逻辑表达式。 3. 用与非门组成其它门电路并测试验证。 (1) 组成非门 用一片74LS00组成一个非门Y=A,A =A,1=A，画出电路图，测试并填表2-1-3。 16 数字电路实验指导书 表2-1-3 输入 输出Y 理论值 Multisim值 观测值 (2) 组成或非门 用一片74LS00组成一个与非门组成或非门，写出或非门转化为 与非门表达式，画出电路图，测试并填表2-1-4。 表2-1-4 输入 输出Y A B 理论值 Multisim值 观测值 0 0 0 1 1 0 1 1 (3) 组成异或门 用74LS00组成一个异或门，写出异或门转化为与非门表达式， 画出电路图，测试并填表2-1-5。 表2-1-5 输入 输出Y A B 理论值 Multisim值 观测值 0 0 0 1 1 0 1 1 4. （选作）利用与非门控制输出。 用一片74LS00按图2-1-7、图2-1-8接线，S接任一电平开关，用示波器观察S对输出脉冲的控制作用。 17 数字电路实验指导书 1Y3 &S2 1图2-1-7 Y3&S2 4 Y6& 51 S3& 42Y6 &5 1S3图2-1-8 &2 六．实验报告要求与思考题 1. 按各步骤要求填表并画逻辑图。 2. 回答问题： (1) 怎样判断门电路逻辑功能是否正常? (2) 与非门的一个输入接连续脉冲，其余端是什么状态时允许脉 冲通过？什么状态时 禁止脉冲通过？ (3) 异或门又称可控反相门，为什么？ (4) 在软件Multisim中的高低电位开关如图2-1-5、图2-1-6中 所示与实际数字实验箱中的高低电位开关使用起来有何不同？ 18 数字电路实验指导书 实验二 译码器及其应用 一．实验目的 1．熟悉MSI器件的功能。 2．掌握利用译码器设计组合逻辑电路的方法。 二．实验预习要求 1. 复习实验所用芯片的逻辑功能及逻辑函数表达式。 2. 复习实验的各芯片的结构图、管脚图和功能表。附图2-2-1，图 2-2-2，表2-2-1。 3. 复习实验所用的相关原理。 4. 按要求设计实验中的各电路。 5. 使用Multisim7电路仿真软件，分别完成硬件实验内容。 三．实验原理 1. 组合逻辑电路的设计：就是按照具体逻辑命题设计出最简单的组 合电路。步骤： （1）根据给定事件的因果关系列出真值表； （2）由真值表写函数式； （3）对函数式进行化简或变换； （4）画出逻辑图，并测试逻辑功能。 2. 在数字系统中，常常要在一定的条件下将代码翻译出来作为控制 信号，这就需要有译码器来实现。 （1）译码器特点：多输入、多输出组合逻辑电路，输入是以n位 二进制代码形式出现，输出是与之对应的电位信息。 （2）译码器分类：通用译码器：二进制、二?十进制译码器。 显示译码器：TTL共阴显示译码器（用高电平 点燃共阴显示器）、TTL共阳显示译码器（用低电平点燃共阳显示 器）、CMOS显示译码器。 （3）译码器应用：用于代码的转换、终端的数字显示、数据分配、 存贮器寻址组合信号控制等。 19 数字电路实验指导书 3. 数码显示器（简称数码管）：用来显示数字、文字或符号的器件。 目前广泛使用的是七段数码显示器。七段数码显示器由a～g等 七段可发光的线段拼合而成,控制各段的亮或灭可以显示不同的 字符或数字。 七段数码显示器有发光二极管（LED）数码管和液晶显示器（LCD） 两种。LED数码管分为共阴管和共阳管，目前使用最广泛。 4. 与非门的逻辑函数式：Y=AB 74LS20为双4输入与非门, 即在一块集成块内含有二个互相独立 的与非门,每个与非门有4个输入端,如图2-2-1所示。 5. 74LS138芯片引脚。其中三根地址输入线C，B，A，它们共有八 种状态的组合，即可译出8个输出信号Y0~Y7。G1、G2A和G2B 为三个使能输入端，对于正逻辑，当G1为1，且G2A和G2B为0 时，译码器处于工作状态, 如图2-2-2所示,其逻辑功能如表 2-2-1所示。 四．实验仪器及设备 1．Multisim7电路仿真软件 2．TPE—D31数字电子技术实验系统 3．器件： 74LS20 四输入端双与非门 l片 74LS138 3—8线译码器 1片 附：1．7420双四输入与非门 结构图 管脚图 20 数字电路实验指导书 图2-2-1 2．74l38 3线-8线译码器/多路分配器 结构图 管脚图 图2-2-2 表2-2-1 五．硬件实验内容 1．分别测试74LS138的逻辑功能，画出测试图，表格自拟（含仿真 数据）。 2．用74LS138设计一位全减器电路，其模型如图2-2-4，其要求如下： A Y 全减器 B Co Ci 21 数字电路实验指导书 图2-2-3 a．列出真值表。 b．写出相关表达式。 c．画出接线图。 d．实验验证其逻辑功能。 3．用74LS138设计产生逻辑函数CC=+?+，其要求如BCBAYA下。 a．列出真值表。 b．写出相关表达式。 c．画出接线图。 d．实验验证其逻辑功能。 4．在实验箱中，将数码管的四输入端分别接入四个开关，给定输入 信号0000到1111，观察数码管的显示并记录。 六．实验报告要求与思考题 1．整理有关实验数据，总结利用MSI器件设计组合逻辑电路的方法。 2．如用两片3线-8线译码器74LS138组成4线-16线译码器，如何连接，试画出接线图，并在Multisim中实现。 3．在软件Multisim实验中，若将硬件实验2中的全减器电路作为一个可被调用的子电路模型如何做？ 22 数字电路实验指导书 实验三 数据选择器及其应用 一．实验目的 1．熟悉MSI器件的功能。 2．掌握利用数据选择器设计组合逻辑电路的方法。 二．实验预习要求 1. 复习实验所用芯片的逻辑功能及逻辑函数表达式。 2. 复习实验所用芯片的结构图、管脚图和功能表。附图2-3-1，表 2-3-1。 3. 复习实验所用的相关原理。 4. 按要求设计实验中的各电路。 5. 使用Multisim7电路仿真软件，分别完成硬件实验内容。 三．实验原理 1．数据选择器又称多路选择开关。数据选择器的主要作用是在地址 码的控制下，从多个输入数据中选择其中一个送至输出端。通常 把数据输入端的个数称为通道数。它除了具有选择信息的功能 外，更广泛地用来形成各种逻辑函数。 2．74LS153是双4选1数据选择器如图2-3-1所示。 其中C0～C3是数据输入端；A、B为控制输入端，或称地址输入 端；Y是输出端；G为使能端，G=0时，数据选择器工作，G=1时， 无论地址码是什么，Y总是输出0，输出端的状态与输入数据无 关。 当G=0时，输出函数为 BA=00，则Y=C0； BA=01，则Y=C1； BA=10，则Y=C2； BA=11，则Y=C3。 3输出Y的表达式为Y=mC= BAC，BAC，BAC，BAC,0123iii,0 式中mi为BA最小项。 23 数字电路实验指导书 四．实验仪器及设备 1．Multisim7电路仿真软件 2．TPE—D31数字电子技术实验系统 3．器件： 74LS00 二输入端四与非门 1片 74LS153 双4选1数据选择器 1片 附：1二.双4线-1线数据选择器/多路转换器. 结构图 管脚图 图2-3-1 表2-3-1 24 数字电路实验指导书 五．硬件实验内容 1．分别测试74LS153的逻辑功能，画出测试图，表格自拟（含仿真 数据）。 2．用74LS153设计一位全加器电路，其模型如图2-3-2，其要求如 下： A Y 全加器 B Co Co Ci 图2-3-2 a．列出真值表。 b．写出相关表达式。 c．画出接线图。 d．实验验证其逻辑功能。 3.用74LS153设计产生逻辑函数CC=?+?+BC，其要求BBAYA如下。 a．列出真值表。 b．写出相关表达式。 c．画出接线图。 d．实验验证其逻辑功能。 六．实验报告要求与思考题 1．整理有关实验数据，总结利用MSI器件设计组合逻辑电路的方法。 2．应用74LS151和74LS138设计一个8位数据传输电路。其功能是能将8个输 入数据中的任何一个传送到8个输出端中的任何一个输出端，如何连接，试画 出接线图，并在Multisim中实现。 3．在软件Multisim实验中，若将硬件实验2中的全加器电路作为一个可被调用的子电路模型如何做？ 25 数字电路实验指导书 实验四 集成触发器 一．实验目的 1. 熟悉并掌握D，J-K触发器的构成，工作原理和功能测试方法。 2. 学会正确使用触发器集成芯片。 3. 了解不同逻辑功能FF相互转换的方法。 4. 熟悉示波器测量触发器的信号的方法。 二．实验预习要求 1. 复习实验所用芯片的逻辑功能及逻辑函数表达式。 2. 复习实验的各芯片的结构图、管脚图和功能表。附图2-4-1，图 2-4-2，表2-4-2，表2-4-3。 3. 复习实验所用到的相关原理。 4. 按要求设计实验中的各电路。 5. 使用Multisim7电路仿真软件，分别完成硬件实验内容。 三．实验原理 1．触发器是具有记忆功能能存储数字信息的最常用的一种基本单元 电路，是构成时序逻辑电路的基本逻辑部件。触发器具有两个稳 定的状态：0状态和1状态；在适当触发信号作用下，触发器的 状态发生翻转，即触发器可由一个稳态转换到另一个稳态。当输 入触发信号消失后，触发器翻转后的状态保持不变（记忆功能）。 2．根据电路结构和功能的不同，触发器有RS触发器、D触发器、 JK触发器、T触发器、T/触发器等类型。下面将它们的逻辑功能 的表示方法列于下表中： 26 数字电路实验指导书 表2-4-1 上表中逻辑符号上的RD是直接复位端，SD是直接置位端，只 要RD=0，SD=1,则触发器置0；RD=1，SD=0,则触发器置1；其作用 不受CP脉冲的控制。 3．集成触发器的主要产品是D触发器和JK触发器，其他功能的触 发器可由D、JK触发器进行转换。将D触发器的D端连到其输出端 Q，就构成T/触发器。将JK触发器的J、K端连在一起输入信号， 就构成T触发器；J、K端连在一起输入高电平（或悬空），就构成 T/触发器。 4．74LS74是双上升沿D触发器，有预置、清除功能，如图2-4-1， 表2-4-2。74LS73是双J-K触发器，有清除功能，如图2-4-2，表 2-4-3。 四．实验仪器及设备 1. Multisim7电路仿真软件 2. TPE——D31型系列数字电路实验箱 3. 双踪示波器 4. 器件： 74LS74 双D触发器 1片 74LS73 双J-K触发器 1片 附：1. 7474 双上升沿D触发器（有预置、清除功能） 27 数字电路实验指导书 结构图 管脚图 图2-4-1 表2-4-2 2. 7473 双J-K触发器（有清除功能） 结构图 管脚图 图2-4-2 28 数字电路实验指导书 表2-4-3 五．硬件实验内容 1. 维持一阻塞型D触发器功能测试 双D型正边沿维持一阻塞型触发器74LS74的逻辑符号如图2-4-3所示。 DRdQ cpQ Sd 图2-4-3 图中RdSd、端为异步置1端，置0端(或称异步置位，复位端)，CP为时钟脉冲端。试按下面步骤做实验： (1) 分别在QSdRd、端加低电平，观察并记录Q，端的状态。 (2) 令SdRd、端为高电平,D端分别接高、低电平，用点动脉 冲作为CP，观察当CP为O、?、l、?时Q端状态的变化并记录 当CP为?时变化情况。 (3) 当RdSd==1、CP=0(或CP=l)．改变D端信号，观察Q 端的 状态是否变化？ (4) 整理上述实验数据，将结果填入下表2-4-4中。 (5) 令RdQSd==1，将D和端相连，CP加连续脉冲，用双踪示波 器观察并记录Q相对于CP的波形。 29 数字电路实验指导书 表2-4-4 n，1 QnSdRd CP D Q 理论值 Multisim值 观测值 0 0 1 × × 1 0 1 0 × × 1 0 1 1 ? 0 1 0 1 1 ? 1 1 2. 负边沿J-K触发器功能测试 双J-K负边沿触发器74LS73芯片的逻辑符号如图2-4-4所示。 图2-4-4 自拟实验步骤，测试其功能，并将结果填入表2-4-5中。若令J=K=1时，CP端加连续脉冲，用双踪示波器观察Q～CP波形，和DFF的D和 Q端相连时观察到的Q端的波形相比较，有何异同点? 表2-4-5 n，1 QnRd CP J K Q 理论值 Multisim值 观测值 0 X X X 0 1 1 ? 0 0 0 0 0 1 1 ? 0 1 0 30 数字电路实验指导书 0 1 1 1 ? 1 0 0 1 0 1 1 ? 1 1 0 1 1 1 3. 连接如图2-4-5所示电路，从实验箱左面引出固定频率为1KHZ的CP信号，用示波器观察Q、Q的波形，并测Q、Q信号幅值。 0101 图2-4-5 4. (选作)触发器功能转换 (1) 将D触发器和J—K触发器转换成T’触发器，列出表达式， 画出实验电路图。 (2) 接入连续脉冲，观察各触发器CP及Q端波形，比较两者关 系。 (3) 自拟实验数据表并填写之。 六．实验报告要求与思考题 1. 整理实验数据并填表。 2. 按要求回答问题，并画出波形图。 3. 总结各类触发器特点。 31 数字电路实验指导书 Q4. 若将实验3中图2-4-5右边芯片的CP信号改为,波形会如何变0化，在Multisim中观察；另外Multisim中的CP信号与实验箱中的CP信号在给定的时候有何不同？ 32 数字电路实验指导书 实验五 计数器的测试及应用 一．实验目的 1. 掌握对集成计数器逻辑功能和各控制端作用的分析、测试及设计 方法。 2. 运用集成计数器构成任意进制计数器。 二．实验预习要求 1. 复习实验所用芯片的逻辑功能及逻辑函数表达式。 2. 复习实验的各芯片的结构图、管脚图和功能表。附图2-5-1，表 2-5-1。 3. 复习实验所用的相关原理。 4. 按要求设计实验中的各电路。 5. 使用Multisim7电路仿真软件，分别完成硬件实验内容。 二．实验原理 1．计数器是一个用以实现计数功能的时序逻辑部件，它不仅可以用 来对脉冲进行计数，还常用做数字系统的定时、分频和执行数字 运算以及其他特定的逻辑功能。计数器的种类很多，按构成计数 器中的各触发器是否使用一个时钟脉冲源来分有：同步计数器和 异步计数器；根据计数进制的不同分为：二进制、十进制和任意 进制计数器 ；根据计数的增减趋势分为：加法、减法和可逆计 数器；还有可预置数和可编程功能计数器等。 2．利用集成计数器芯片可方便地构成任意（N）进制计数器。 方法：?反馈归零法：是利用计数器清零端的清零作用，截取计 数过程中的某一个中间状态控制清零端，使计数器由此状态返回 到零重新开始计数。把模数大的计数器改成模数小的计数器。其 关键是清零信号的选择与芯片的清零方式有关，异步清零方式以 N作为清零信号或反馈识别码，其有效循环状态为0～N-1；同步 清零方式以N-1作为反馈识别码，其有效循环状态为0～N-1。还 要注意清零端的有效电平，以确定用与门还是与非门来引导。 ?反馈置数法：是利用具有置数功能的计数器，截取从Nb 33 数字电路实验指导书 到Na之间的N个有效状态构成N进制计数器。其方法是当计数 器的状态循环到Na时，由Na构成的反馈信号提供置数指令，由 于事先将并行置数数据输入端置成了Nb的状态，所以置数指令 到来时，计数器输出端被置成Nb，再来计数脉冲，计数器在Nb 基础上继续计数直至Na，又进行新一轮置数、计数，其关键是反 馈识别码的确定与芯片的置数方式有关。异步置数方式以Na =Nb+N作为反馈识别码，其有效循环状态为Nb～Na；同步置数 方式以Na =Nb+N-1作为反馈识别码，其有效循环状态为Nb～Na。 还要注意置数端的有效电平，以确定用与门还是与非门来引导。 3．74LS161为异步清零计数器，即端输入低电平，不受CP控制， RD 输出端立即全部为“0”，功能表第一行。74LS161具有同步预置 功能，在端无效时，端输入低电平，在时钟共同作用下，RDLD CP上跳后计数器状态等于预置输入DCBA，即所谓“同步”预置 功能（第二行）。和都无效，ET或EP任意一个为低电平，RDLD 计数器处于保持功能，即输出状态不变。只有四个控制输入都为 高电平，计数器（161）实现模16加法计数，Q Q Q Q=11113210 时，C=1。如图2-5-1和表2-5-1所示。 O 四．实验仪器及设备 1. Multisim7电路仿真软件 2. TPE——D31型系列数字电路实验箱 3. 元器件： 74LS161 同步四位二进制计数器 2片 74LS20 四输入端双与非门 l片 74LS04 六反相器 l片 4. 附： 74161 4位二进制同步计数器（异步清除） (a) V QQQQCETLDCC0 1 2 3 O RD LD ET EP CP D D D D Q Q Q Q 3210321016 15 14 13 12 11 10 9 0 × × × × × × × × 0 0 0 0 1 0 × × ? D C B A D C B A 74LS161 1 1 0 × × × × × × 保 持 1 1 × 0 × × × × × 保 持 1 2 3 4 5 6 7 8 1 1 1 1 ? × × × × 计 数 DRDCPEPDDD GND 0 1 2 3 图2-5-1 表2-5-1 34 数字电路实验指导书 五．硬件实验内容 1．测试74LS161的逻辑功能，根据测试结果总结并描述其逻辑功能， 表格自拟。 2．应用一片74LS161设计一个六进制计数器，其要求如下： a．写明设计方案。 b．画出状态转换图。 c．写出功能表, 表格自拟。 d. 画出接线图。 e．实验验证其逻辑功能 3．应用两片74LS161设计一个六十进制计数器，若将连续脉冲信号 的周期调校为1秒，就构成了秒计数器，其要求如下： a．写明设计方案。 b．画出状态转换图。 c．写出功能表, 表格自拟。 d. 画出接线图。 e．实验验证其逻辑功能（输出接数码管） 六．实验报告及要求 1．按要求完成上述内容，并总结计数器设计的方法及多级计数器级 连有哪些规律？ 2．在Multisim中利用74LS161的预置数功能实现余三编码十进制计数器。 35 数字电路实验指导书 实验六 移位寄存器的测试及应用 一．实验目的 1. 掌握常用时序电路分析、测试及设计方法。 2．掌握对移位寄存器逻辑功能和各控制端作用的分析、测试及设计 方法。 二．实验预习要求 1. 复习实验所用芯片的逻辑功能及逻辑函数表达式。 2. 复习实验的各芯片的结构图、管脚图和功能表。附图2-6-1，图 2-6-2，表2-6-1，表2-6-2。 3. 复习实验所用的相关原理。 4. 按要求设计实验中的各电路。 5. 使用Multisim7电路仿真软件，分别完成硬件实验内容。 三．实验原理 1．时序逻辑电路的特点是任一时刻的输出信号不仅取决于该时刻电 路的输入信号，而且还与原输出状态有关，即还与以前的输入信 号有关。在电路结构上包含组合电路和存储电路两部分，而且存 储电路是必不可少的，存储电路输出的状态必须反馈到输入端， 与输入信号一起共同决定组合电路的输出。 2．时序逻辑电路的分析：就是找出给定时序逻辑电路的逻辑功能和 工作特点。步骤： （1）根据给定电路写出其时钟方程、驱动方程、输出方程； （2）求状态方程，即将各触发器的驱动方程代入相应触发器 的特性方程，就得出与电路相一致的具体电路的状态方 程。 （3）进行状态计算。把电路的输入和现态各种可能取值组合 代入状态方程和输出方程进行计算，得到相应的次态和 输出。 （4）画状态图（或状态表，或时序图）。 36 数字电路实验指导书 3．移位寄存器：是一个具有移位功能的寄存器，寄存器中所存的代 码能够在移位脉冲的作用下依次左移或右移。既能左移又能右移 的称为双向移位寄存器，改变左、右移的控制信号便可实现双向 移位。根据移位寄存器存取信息的方式不同分：串入串出、串入 并出、并入串出、并入并出四种形式。 4．74LS194是4位双向通用移位寄存器，具有异步清零功能，端RD 输入低电平信号，四个输出端都立即变为“0”。在无效时，两EN 工作方式输入端SS电平决定74LS194工作方式。SS=11，并1010 行预置数，在时钟上跳时刻，并行输入数据D D D D预置到3210 并行输出端；SS=10，左移寄存，左移输入端D输入数据寄存10SL 到Q，各位数据向高位移动；SS=01，右移寄存，右移输入端010 D输入数据寄存到Q，各位数据向低位移动；SS=00，寄存器SR310 处于保持工作方式，寄存器状态不变，如图2-6-1和表2-6-1所 示。 三．实验仪器及设备 5. Multisim7电路仿真软件 6. TPE——D31型系列数字电路实验箱 7. 元器件： 74LS194 四位双向移位寄存器 1片 74LS20 四输入端双与非门 l片 74LS04 六反相器 l片 附：一. 74194 4位双向通用移位寄存器（并行存取） 74LS194 CPV QQQ QS1S0 CC1 2 3 0 RD S1 S2D D CP D D D D Q Q Q Q SLSR3210 321016 15 14 13 12 11 10 9 0 × × × × × × × × × 0 0 0 0 1 1 1 × × ? D C B A D C B A 74LS194 1 1 0 d × ? × × × × Q QQd 21 0 1 0 1 × d ? × × × × d Q Q Q 321 1 2 3 4 5 6 7 8 1 0 0 × × × × × × × 保 持 DRDDDDDD GND SRSL0 1 2 3 P 图2-6-1 表2-6-1 四．硬件实验内容 1．测试74LS194的逻辑功能，根据测试结果总结并描述其逻辑功能， 表格自拟。 37 数字电路实验指导书 2．应用74LS194设计一个四位环形计数器，其要求如下： a．写明设计方案。 b．画出状态转换图。 c．写出功能表, 表格自拟。 d. 画出接线图。 e．实验验证其逻辑功能（输出接发光二极管）。 3．应用74LS194设计一个四位扭环形计数器，其要求如下： a．写明设计方案。 b．画出状态转换图。 c．写出功能表, 表格自拟。 d. 画出接线图。 e．实验验证其逻辑功能（输出接发光二极管）。 五．实验报告及要求 1．按要求完成上述内容，并总结时序电路特点。 2．硬件实验内容3中，若电路能够实现自启动，应如何修改电路，在Multisim中验证。 实验七 555时基电路 一．实验目的 1. 掌握555时基电路的结构和工作原理，学会对此芯片的正确使用。 2. 学会分析和测试用555时基电路构成的多谐振荡，单稳态触发器 两种典型电路。 38 数字电路实验指导书 二．实验预习要求 1. 复习NE555芯片的结构和工作原理。 2. 复习NE555芯片结构图和管脚图，附图2-7-1，图2-7-2。 3. 复习实验所用的相关原理。 4. 按要求设计实验中的各电路。 5. 使用Multisim7电路仿真软件，分别完成硬件实验内容。 三．实验原理 1. 集成定时器电路习惯上称为555电路,这是因为内部参考电压使 用了3个5KΩ的电阻分压,故取此名。555电路是一种数字和模 拟混合型的中规模集成电路,它能产生时间延迟和多种脉冲信号, 应用十分广泛。其电路类型有双极型(TTL型)和单极型(CMOS型) 两大类,二者的电路结构和工作原理类似。TTL型产品型号最后的 3位数码是555或556；CMOS型产品型号最后4位数码是7555或 7556；二者的逻辑功能和管脚排列完全相同,易于互换。555芯片 和7555芯片是单定时器,556芯片和7556芯片是双定时器。双极 型的电源电压VCC＝＋5V～＋16V, 单极型的电源电压VDD＝＋ 3V～＋18V。 2. 555定时器如图2-7-1所示，其功能如表2-7-1所示。它含有3 个分压电阻和两个高、低电平比较C1、C2,一个基本RS触发器， 一个放电开关管T。高电平比较器C1的同相输入端参考电平为 2V /3,低电平比较器C2的反相输入端的参考电平为V/3,C1与CCCC C2的输出端控制基本RS触发器状态和放电管开关状态。当输入 信号自6管脚输入并超过参考电平2V/3时,触发器置0，定时器CC 的输出端3管脚输出低电平,同时放电开关管导通；当输入信号 自2管脚输入并低于V/3时,触发器置1,定时器的3管脚输出高CC RRDD电平,同时放电开关管截止。是直接复位端,当＝0,定时器 RD输出低电平。平时端开路。VC是外接控制电压输入端(5管脚), 当VC外接一个输入电压U时,则改变比较器的参考电压(UT+＝VC 39 数字电路实验指导书 U, UT-＝U/2)；不接外加电压时,通常接一个0.01µF的电容器VCVC 到地,起滤波作用,以消除外来干扰,确保参考电平的稳定。T为放 电管,当T导通时,将给接于7管脚的电容器提供放电通路。 3. 555定时器的应用： 555定时器主要是通过外接电阻R和电容器C构成充、放电电路, 并由两个比较器来检测电容器上的电压,以确定输出电平的高低 和放电开关管的通断。这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延 时电路、以及多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器等脉冲 波形产生和整形电路。 四．实验仪器及设备 1. Multisim7电路仿真软件 2. TPE—D31型系列数字电路实验箱 3. 双踪示波器 4. 器件： NE555定时器 1片 二极管1N4148 2只 电位器1K，10K,100K 各一只 电阻510Ω、1K、2K、5K1、6K2、10K、 12K、15K、20K、51K、100K 各一只 电容 3300PF、6800PF、0.01uF、O.01uF、 0.1uF、1uF、10uF、47uf、100uF 各一只 附：555定时器的电路结构和管脚图。 40 数字电路实验指导书 图2-7-1 图2-7-2 TH OUT DIS TRR X X L L 导通 21?VCC ?VCC H L 导通 33 21?VCC ?VCC H 原状态 原状态 33 21?VCC ?VCC H H 关断 33 表2-7-1 四．硬件实验内容 1. 555时基电路功能测试 (1) 按图2-7-3接线，可调电压取自电位器分压器。 41 数字电路实验指导书 +5V 1K22K S1+5V VccRTH2K TROUTD1 VCDIS0.1uGND 图2-7-3 (2) 按表2-7-1逐项测试其功能并记录。 2. 用555定时器设计一个多谐振荡器，要求输出频率为1kHz的方 波。参考电路如图2-7-4所示 +5V R1 VoutVccROUT C2DISR2VCTHTH TR GND C1 图2-7-4 a．画出所设计的电路图。 a．写明设计，元件参数根据上面提供器件自拟，进行理论计算，实 验验证。 c．用示波器观察并记录振荡器输出u 和电容上电压u的波形，测oC 量输出脉冲的幅度U、周期T、频率f、占空比D（测出T1、Tom 并计算出D），并与理论计算值比较。 d．将数据填入表2-7-2。 42 数字电路实验指导书 输出 理论值 Mulitisim值 实测值 幅度U om 频率f 周期T 占空比D 表2-7-2 3. 用555定时器设计一个单稳态电路，暂稳态维持时间约为1s，输 出可接发光二极管观察。参考电路如图2-7-5所示 图2-7-5 a．画出所设计的电路图。 b．写明设计写明设计过程，元件参数根据上面提供器件自拟，进行 理论计算。 c．用拨动开关加负脉冲信号至输入端，用发光二极管观察振荡器输 出u。 o 五．实验报告要求与思考题 1. 按实验内容各步要求整理实验数据，并总结时基电路基本电路及 使用方法。 2. 若将图2-7-4改成的占空比可调的多谐振荡器，应如何设计，在 Multisim中验证。 43 数字电路实验指导书 实验八 A/D转换器 一．实验目的 1.了解D/A、A/D转换器的基本结构和工作原理。 2.熟悉集成D/A和A/D转换器的功能及其应用 二．实验预习要求 1．复习大规模集成电路ADC0809芯片的结构和工作原理。 2．复习大规模集成电路ADC0809芯片的结构图和管脚图，附图2-8-1，图2-5-2。 3．使用Multisim7电路仿真软件，分别完成硬件实验内容。 三．实验原理 在数字电子技术的很多应用场合往往需要把模拟量转换为数字 量，称为模 / 数转换器（A / D转换器，简称ADC）；或把数字量转换成模拟量，称为数 / 模转换器（D / A转换器，简称DAC）。完成这种转换的线路有多种，特别是单片大规模集成A / D、D / A转换器问世，为实现上述的转换提供了极大的方便。使用者可借助于手册 提供的器件性能指标及典型应用电路，即可正确使用这些器件。本 实验将采用大规模集成电路ADC0809实现A / D转换。 ADC0809是采用CMOS工艺制成的单片8位8通道逐次逼近型模 / 数转换器，其逻辑框图如图2-8-1所示，引脚排列如图2-8-2所示。器件的核心部分是8位A / D转换器，它由比较器、逐次 逼近寄存器、D / A转换器及控制和定时5部分组成。ADC0809的引脚功能说明如下： INo－IN7：8路模拟信号输入端 A2、A1、A0：地址输入端 ALE：地址锁存允许输入信号，在此脚施加正脉冲，上升沿有 效，此时锁存地址码，从而选通相应的模拟信号通道， 以便进行A / D转换。 START：启动信号输入端，应在此脚施加正脉冲，当上升沿到 达时，内部逐次逼近寄存器复位，在下降沿到达后，开 始A / D转换过程。 44 数字电路实验指导书 EOC：转换结束输出信号（转换结束标志），高电平有效。 OE：输入允许信号，高电平有效。 CLOCK(CP)：时钟信号输入端，外接时钟频率一般为640KHz。 VCC：＋5V单电源供电 VREF(+)、VREF(-)：基准电压的正极、负极。一般VREF(+)接 +5V电源，VREF(-)接地。 D7－Do ：数字信号输出端 模拟量输入通道选择，8路模拟开关由A2、A1、A0三地址输入端选通8路模拟信号中的任何一路进行A / D转换，地址译码与模 拟输入通道的选通关系如表所示。 被选模拟通道 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 道 A2 0 0 0 0 1 1 1 1 地 A1 0 0 1 1 0 0 1 1 址 A0 0 1 0 1 0 1 0 1 表2-8-1 D / A转换过程 在启动端（START）加启动脉冲（正脉冲），D / A转换即开始。如将启动端（START）与转换结束端（EOC）直接相连，转换将是连 续的，在用这种转换方式时，开始应在外部加启动脉冲。 四．实验仪器及设备 1. Multisim7电路仿真软件 2. TPE—D31型系列数字电路实验箱 3. 双踪示波器 4. 器件： ADC0809 1片 74LS00 1片 1kΩ电阻 10支 附：ADC0809的电路结构图和管脚图。 45 数字电路实验指导书 时钟 CLOCK START 启动 EOC IN0八路 8位ADC 控制与时序 IN1 模拟 MSB IN2 信号 －1三2逐次比较 IN3 －2 选择 2 态IN4寄存器 －3 器 2 IN5输 －4IN62 出－5IN72 －锁62 － 7存树形开关 2 －82 ADDA器 LSB ADDB 地址ADDC256RT型 锁存 译码器 输出允许 译码 ALEOE VREF(+) V－REF() (a) 图2-8-1 IN2IN31 28 IN12 27 IN4 3 26 IN5IN0 4 25 IN6ADDA 5 24 IN7ADDB 6 23 STARTADDC 7 22 EOC ALE 8 21 5－1－ 22(MSB) 9 20 2－OE2 10 19 3－CLOCK 11 18 2 4－+V12 17 CC 2 V8－ REF(+13 16 2(LSB) 14 15 )GND V－REF(7－6－2 2 ) 图2-8-2 五．硬件实验内容 按图2-8-3连接实验电路， 46 数字电路实验指导书 CLOCK 100kHz EOC －1V ＋5V REF 2D70V V －REF数字输出 ～ ～ ?1 －8 START D 2 0启动脉冲 ALE A 0A IN7 V A IN7B 1模拟输入 A C ～～2 V 5V CC 0～5V V IN0IN0 OE GND 图2-8-3 八路输入模拟信号1V～4.5V，由+5V电源经10个电阻R分压形成； 变换结果D～D接LED逻辑电平显示器，CLOCK时钟脉冲由数字实验07 箱同步时钟SP提供，取f＝100KHz；A～A地址端接0/1逻辑开关；启动脉02 冲端接A/B脉冲按钮（按下高电平）。 接通电源后，按A/B脉冲按钮，启动端（START）得一正单次脉冲，下降沿一到（松开A/B脉冲按钮）即开始A / D转换。 按表2-8-1改变0/1开关逻辑值，记录IN～IN八路模拟信号的转换结果，07 并将转换结果换算成十进制数表示的电压值，并与数字电压表实测的各路输入 电压值进行比较，分析误差原因。 在输入电压分别为0.5V和4.5V情况下，用示波器观察EOC脉冲周期，并 说明观察结果。 被选模输 入地 址 输 出 数 字 量 拟通道 模拟量 vIN （V） 十进制 A A A D D D D D D D D i21076543210 IN 4.5 0 0 0 0 IN 4.0 0 0 1 1 IN 3.5 0 1 0 2 IN 3.0 0 1 1 3 IN 2.5 1 0 0 4 IN 2.0 1 0 1 5 IN 1.5 1 1 0 6 IN 1.0 1 1 1 7 2-8-1 47 数字电路实验指导书 六．实验报告要求与思考题 1. 整理实验数据并填表并分析实验结果。 48 数字电路实验指导书 附一：TPE—D31型数字电路实验箱 说明书 49 数字电路实验指导书 50 数字电路实验指导书 51 数字电路实验指导书 52 数字电路实验指导书 53 数字电路实验指导书 54 数字电路实验指导书 附二：Multisim7简介 3.1 Multisim7简介 Multisim7是EWB目前的最高版本，功能远远超过了老的 EWB5.12和Multisim2001版本。Multisim7软件包是加拿大Interactive Image Technologies( 图像交互技术公司，简称IIT 公司 )研发的，是目前推出的一款更高版本的电路设计与仿真软件。 它具有以下一些特点： 1．直观的图形界面创建电路。在计算机屏幕上模仿真实实验室 的工作台，绘制电路 图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取。 2．软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实 时显示测量结果。 3．软件带有丰富的电路元件库，提供多种强大的电路分析方法。 4．作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板 软件交换数据。 Multisim7软件是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的 虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路 的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法。 Multisim7软件具有很强的仿真设计功能，包括： 1.全功能电路仿真系统: 有元器件的编辑、选取、放置；电路图的编辑、绘制；电路工 作状况的测试；电路特性的分析；电路图报表输出、打印；档案的 转出/转入。 2.完整的系统设计工具，其强大功能包含： 结合SPICE、VHDL、Verilog共同仿真；电路图的建立；完整的 零件库；SPICE仿真；高阶RF设计功能；虚拟仪器测试及分析功能； 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 及团队设计功能；VHDL及Verilog设计与仿真；FPGA／CPLD组 件合成；PCB文件转换功能。 因此非常适合电子类课程的教学和实验。在这里向大家简介 55 数字电路实验指导书 Multisim7软件的基本概念。 3.2 Multisim视窗基本界面的介绍 安装Multisim视窗软件之后，就可以在Multisim视窗环境下进行电子电路的设计与仿真。下面介绍一下Multisim视窗的基本工作界面： 运行Multisim 7 后,其界面如图3-2-1所示. 图3-2-1 一．主菜单 Multisim 7 的界面与所有的Windows的应用程序类似，可在主 菜单中找到所有功能的命令。 Multisim 7菜单栏包含有十一个主菜单，如图 3-2-2所示，从左至右分别为File(文件菜单)、Edit(编辑菜单)、View(窗口显示菜单)、Place(放置菜单)、Simulate（仿真菜单）、Transfer（文件输出菜单）、Tools（工具菜单）、Resports（报表菜单）、Options（选项菜单）、Windows（窗口菜单）和Help（帮助菜单）等。在每个主菜单下都可以下拉一个菜单，用户从中可找到电路的存取、 Spice文件的输入和输出、电路图的编辑、电路的仿真及分析包括在 线帮助等各项功能的命令。 56 数字电路实验指导书 图3-2-2 Multisim 菜单栏共包括十一项，各项所对应的功能选项列表如 下表所示： 1．File（文件）菜单：主要用于管理所创建的电路文件，如打 开、保存、打印等，如图3-2-3所示。 图3-2-3 File 菜单的下级命令及功能如下： New：提供一个空白窗口以建立一个新文件。 Open：打开一个已存在的文件。 Close：关闭当前工作区内的文件。 Save：将工作区内的文件以*.ms7格式存盘。 Save As： 将工作区内的文件换名存盘，仍为*.ms7格式。 New Project：创建一个新项目组 Open Project：打开一个项目组 Save Project：保存项目组 Close Project： 关闭项目组 Print Setup：打印设置 Print Circuit Setup：打印电路图设置 Print Instrument：打印设备 Print Preview：打印预览 57 数字电路实验指导书 Print：打印 Recent Files：最近执行的文件 Recent Projects：最近执行的项目组 Exit：退出 2．Edit（编辑）菜单：主要用于在电路绘制过程中，对电路和元 件进行各种技术性处理，如图3-2-4所示。 图3-2-4 Edit 菜单的下级命令及功能如下： Undo：撤销 Redo：不撤销 Cut：剪切 Copy：复制 Paste：粘贴 Paste Special：粘贴所选内容 Delete ：删除 Delete Multi-Page ：多页删除 Select All：全选 Find：查找 Flip Horizontal：水平翻转 Flip Vertical：垂直翻转 90 Clockwise：顺时针翻转 90 CounterCW：逆时针翻转 Properties：特性 3．View（窗口显示）菜单：用于确定仿真界面上显示的内容以及 电路图的缩放和元件的查找，如图3-2-5所示 58 数字电路实验指导书 图3-2-5 View菜单中的命令及功能如下： Toolbars ：工作条 Show Grid：显示网格 Show Page Bounds：显示页边界 Show Title Block：显示图明细表 Show Border：显示图边界 Show Ruler Bars：显示标尺条 Zoom In：放大 Zoom Out：缩小 Zoom Area：面积放大 Zoom Full：全图显示 Grapher：图形编辑器 Hierarchy ：层次 Circuit Description Box： 电路描述窗口 4．Place(放置)菜单:提供在电路窗口内放置元件、连接点、总线和 文字等命令，其拉菜单如图3-2-6所示 59 数字电路实验指导书 图3-2-6 Place菜单中的命令及功能如下： Component：元件 Junction：节点 Bus：总线 Bus Vector Connect：总线矢量连接 HB/SB Connector：HB/SB连接器 Hierarchical Block：层次块 Create New Hierarchical Block：创建新的层次块 Subcircuit：子电路 Replace by Subcircuit：子电路替代 Off-Page Connector：Off-Page 连接器 Multi-Page：多页设置 Text：文本 Graphics：制图 Title Block：图明细表 2. Simulate（仿真）菜单：提供电路方针设置与操作命令，其下拉 菜单如图3-2-7所示。 60 数字电路实验指导书 图3-2-7 Simulate菜单中的命令及功能如下： Run：仿真 Pause：暂停 Instruments：仪器设置 Default Instrument Setting：默认仪器设置 Digital Simulation Setting：数字仿真设置 Analyses：分析方法 Postprocessor：后分析 Simulation Error Log/Audit Trail：仿真误差纪录/查帐索引 XSpice Command Line Interface：XSpice命令行界面 VHDL Simulation：VHDL仿真 Verilog HDL Simulation：Verilog HDL仿真 Auto Fault Option：自动查错选项 Global Component Tolerances：全部元件容差设置 3. Transfer（文件传输）菜单：提供方针结果传递给其他软件处理 的命令，其下拉菜单如图3-2-8所示: 61 数字电路实验指导书 图3-2-8 Transfer菜单中的命令及功能如下： Transfer to Ultiboard V7： 传递到Ultiboard V7 Transfer to Ultiboard 2001：传递到Ultiboard 2001 Transfer to other PCB layout：传递到其他电路板 Forward Annotate to Ultiboard V7：创建Ultiboard V7注释文件 Backannotate from Ultiboard V7：修改Ultiboard 注释文件 Highlight selection in UItiboard V7：加亮所选择区域 Export Simulation Results to MathCAD：输出仿真结果到MathCAD Export Simulation Results to Excel：输出仿真结果到电子表 格 Export Netlist：输出网格表 4. Tools（工具）菜单：主要用于编辑或管理元器件和元件库，其下 拉菜单如图3-2-9所示。 62 数字电路实验指导书 图3-2-9 Tools菜单中的命令及功能如下： Database Management：数据库管理 Symbol Editor：符号编辑器 Component Wizard：元件编辑器 555 Timer Wizard：555定时器编辑 Filter Wizard： 滤波器编辑 Electrical Rules Check：电气法则测试 Renumber Components：元件重命名 Replace Components： 替代元件 Update HB/SB Symbols：HB/SB符号升级 Convert V6 Database：V6 数据转换 Modify Title Block Data：更改图明细表数据 Title Block Editor：图明细表编辑器 Internet Design Sharing：Internet 设计共享 Goto Education Web Page：链接教育网站 EDAparts.com：链接EDAParts.com 网站 8．Reports（报表）菜单：其下拉菜单如图3-2-10所示。 63 数字电路实验指导书 图3-2-10 Reports菜单中的命令及功能如下： Bill of Materials：材料清单 Component Detail Report：元件细节报告 Netlist Report：网络表报告 Schematic Statistics：简要统计报告 Spare Gates Report：未用元件门统计报告 Gross Reference Report：元件交叉参照表 9．Options（选项）菜单：用于定制电路的界面和电路某些功能 的设定，其下拉菜单如图3-2-11所示。 图3-2-11 Options菜单中的命令及功能如下： Preferences：参数设置 Customize：常规命令设置 Global Restrictions：软件限制设置 Circuit Restrictions：电路限制设置 Simplified Version：简化版本 10．Windows（窗口）菜单：其下拉菜单如图3-2-12所示。 64 数字电路实验指导书 图3-2-12 Windows菜单中的命令及功能如下： Cascade：层叠 Tile：平铺 Arrange Icons ：重排 1 Circuit1 ：当前窗口 11．Help（帮助）菜单：帮助菜单主要为用户提供再现技术帮助 和使用指导，其下拉菜单如图3-2-13所示。 图3-2-13 Help菜单中的命令及功能如下： Multisim 7 Help： 帮助主题目录 Multisim 7 Reference： 帮助主题索引 Release Notes： 版本注释 About Multisim 7： 有关Multisim7的说明 二、系统工具栏 系统工具栏如图3-2-14所示，它包含了常用的基本功能按钮， 与windows的基本功能相同，在此不做详细介绍 图3-2-14 三、设计工具栏 设计工具栏如图3-2-15所示 65 数字电路实验指导书 图3-2-15 该工具栏是Multisim 7的核心，使用它可进行电路的建立、仿 真和分析，并最终输出设计数据等。这九个设计工具栏按钮从左至 右分别为： 层次项目栏按钮(Toggle Project Bar)：用于层次项目栏的开启。 层次电子数据表按钮(Toggle Spreadsheed View)：用于开关当 前电路的电子数据表。 元件编辑器按钮(Create Component):用以调整或增加、创建新元件。 仿真按钮(Run/Stop Simulation F5):用以开始、结束电路仿真。 图形编辑器按钮(Show Grapher):用以显示分析的图形结果。 分析按钮(Analysis):在出现的下拉菜单中可选择要进行的分析方 法。 后分析按钮(Postprocessor):用以进行对仿真结果的进一步操作。 四、使用中的元件列表 如图3-2-16所示: 列出了当前电路所使用的全部元件 图3-2-16 五、仿真开关 如图3-2-17所示: 图3-2-17 它是运行仿真的一个快捷键，原理图输入完毕，挂上虚拟仪器 后（没挂虚拟仪器时开关为灰色，即不可用），用鼠标单击它，即运 行或停止仿真。 六、元件工具栏 如图3-2-18所示: 66 数字电路实验指导书 图3-2-18 17个元件库按钮从左至右分别是：电源按钮(Source)、基本元器件按钮(Basic)、二极管按钮(Diode)、晶体管按钮(Transistor)、模拟元器件按钮(Analog)、TTL元器件按钮(TTL)、CMOS元器件按钮(CMOS)、其它数字元器件按钮(Miscellaneous Digital)、模数混合元器件按钮(Mixed)、指示器按钮(Indicator)、杂项库元器件按钮(Miscellaneous Digital)、RF射频元器件、电机元器件按钮 (Electromechanical)、设置层次栏按钮(Place Hierarchical Block)、放置总线按钮(Place Bus)、教育资源按钮(Education Resources)、EDA.parts.com网站按钮(EDAparts.com) 七、虚拟元器件工具栏 如图3-2-19所示 图3-2-19 10个虚拟元件库按钮从左至右分别是：基本元器件按钮(Show Basic Component Bar)、二极管元器件条按钮(Show Diode Component Bar)、3D元器件条按钮(Show 3D Component Bar)、虚拟定值元器件按钮(Show Rated Virtual Component Bar)、电源条按钮(Show Power Source Component Bar)、信号源元器件条按钮(Show Signal Source Component Bar)、模拟元器件条按钮(Show Analog Component Bar)、FET元器件条按钮(Show Transistor Component Bar)、测量元器件按钮(Show Measurement Component Bar)、杂列（虚拟）元器件条 按钮(Show Miscellaneous Component Bar) 八、仪表工具栏 如图3-2-20所示，它是进行虚拟电子试验和电子仿真设计的最 快捷而又形象的特殊窗口，也是Multisim 7最具特色的地方。 图3-2-20 67 数字电路实验指导书 18个测量仪表从左至右分别是：万用表按钮（Multimeter）、信号发生器按钮（Function Generator）、功率计按钮 （Wattmeter）、两通道示波器按钮（Oscilloscope）、四通道示波器按钮（Four Channel Oscilloscope）、波特图示仪按钮（Bode Plotter）、频率计数器按钮（Frequency Counter）、字发生器按钮（Word Generator） 、逻辑分析仪按钮（Logic Analyzer）、逻辑转换仪按钮（Logic Converter）、IV特性分析仪按钮 (IV-Analyzer)、失真度分析仪按钮（Distortion Analyzer）、频谱分析仪按钮（Spectrum Analyzer）、网络分析仪按钮（Network Analyzer）、Agilent信号发生器按钮(Agilent Function Generator)、Agilent万用表按钮(Agilent Multimeter)、Agilent示波器按钮(Agilent Oscilloscope)、实时测量探针按钮(Dynamic Measurement Prode) 九、电路窗口 它是进行电子设计的工作视窗 十、设计窗口翻页 在窗口中允许有多个项目，点击翻页标签，可将之置于当前视 窗。 十一、状态条 它显示有关当前操作以及鼠标所指条目的有用信息。 68