门电路和组合逻辑 实验报告

东南大学电工电子实验中心

实验报告

课程名称：门电路和组合逻辑

第 2 次实验

院（系）：电气工程学院专业：

姓名：学号：

实验室：实验组别：

同组人员：实验时间：

评定成绩：审阅教师：

一、实验目的

（1）掌握TTL 和CMOS 器件的静态特性和动态特性测量方法及这些特性对数字系统设计的影响；

（2）掌握通过数字器件手册查看器件静态和动态特性参数； （3）掌握不同结构的数字器件之间的互连； （4）掌握OC 门和三态门的特性和使用方法； （5）加深示波器测量技术的训练；

（6）掌握小规模组合逻辑的工程设计方法；

（7）了解竞争和冒险的产生原因，消除方法，掌握用示波器和逻辑分析捕捉毛刺的方法。

二、实验仪器

三、实验原理

实验原理见教材第2章。

预习思考题如下：

1、下图中的两个电路在实际工程中经常用到，其中反相器为

74LS04，电路中的电阻起到了保证输出电平的作用。分析电路原理，并根据器件的直流特性计算电阻值的取值范围。

N 个

N 个

（a ）（b ）

答：①电路(a)使用条件是驱动门电路固定输出为低电平

当OL V V =时，如果有N 个负载门且20>N ，将使max max OL IL I NI >，而m a x OL I I >将

使max OL OL V V >，所以需如图（a ）所示接下拉电阻R 。

()()Ω

=-=-≤≤-≤=12584.05.030max max max max

max max max

2N OL IL OL OL OL IL OL mA

N V

I NI V R V R I NI V R I

②电路(b)使用条件是驱动门电路固定输出为高电平

当OH V V =时，如果有N 个负载门且20>N ，将使max max OH IH I NI >，而max

OH I I >将使min OH OH V V <，所以需如图（b ）所示接上拉电阻R 。

()()()Ω

=--=--≤≥--≥-=k 5.114.002.07.2555530max max min min

max max min

2N OH IH OH OH OH IH OH mA

N V

I NI V V R V R I NI V V R I V

2、下图中的电阻起到了限制前一级输出电流的作用，根据器件的直流特性计算电阻值的取值范围。

N 个

答：R 的作用是限制驱动电流，驱动电流长时间超出手册上规定的正常数据，易引起器件性能不稳定。

① 当OH V V =时，要求max OH I I ≤，即max min

min OH IH OH I R

V V I ≤-=

，可得

Ω=-=-≥

k mA

V

V I V V R OH IH OH 75.14.027.2max min min

② 当OL V V =时，要求max OL I I ≤'，即max max

max OL OL IL I R

V V I ≤-=

'，可得

Ω=-=-≥

37585.08.0max max max mA

V

V I V V R OL OL IL

故Ω≥k R 75.1 3、图2.4.1 用上拉电阻抬高输出电平中，R 的取值必须根据器件的静态直流特性来计算，试计算R 的取值范围。

5 V

图2.4.1 用上拉电阻抬高输出电平

答：由于74或74LS TTL 的V OHmin 值小于4000/74HC 的V IHmin 值，所以在TTL 输出端和V CC 之间接一个上拉电阻，以提高TTL 的输出高电平。

① 当OH V V =时，各支路电流分别为I 、1I 和2I 。

要求()V HC V V IH 5.304744007min =≥、

，即 V IR V 5.35≥-

而()uA HC I I IH 1.004744007max =≤、

，可得 Ω=-≤

M uA

V

V R 151.05.35

② 当OL V V =时，各支路电流分别为I 、'

1I 和'

2I 。

要求max '

2'1OL I I I I ≤+=，即

max '

25OL OL I I R

V V ≤+- '

2

max 5I I V V R OL OL

--≥

()uA HC I I IL 1.004744007max '2=≤、

i

对于7404芯片，V V OL 4.0max =，mA I OL 16max =，可得

Ω≥5.287R

ii

对于74LS04芯片，V V OL 5.0max =，mA I OL 8max =，可得

Ω≥5.562R

综上所述，R 的取值范围如下：

7404： Ω≤≤ΩM R 155.287

74LS04：

Ω≤≤ΩM R 155.562

4、图2.4.3(a)中OC 外接上拉电阻的值必须取的合适，试计算在这个电路中R 的取值范围。

(a) OC 门做驱动

答：运用书52页R C 的数值计算公式。

IH CEO OH C C I N nI V E R ⋅+-=

'min

max

IL

OL OLm C C I N I V E R ⋅--=

max ax

min

① OC 门用7401实现

Ω=⨯+⨯-=⋅+-=

k uA uA V

V I N nI V E R IH CEO OH C C 0.121.012501710'min max

Ω=--=⋅--=

6001.0164.010max ax min uA

mA V

V I N I V E R IL OL OLm C C

② OC 门用74LS01实现

Ω=⨯+⨯-=⋅+-=

k uA uA V

V I N nI V E R IH CEO OH C C 9.591.01501710'min max

Ω=⨯--=⋅--=

k uA

mA V

V I N I V E R IL OL OLm C C 2.11.0185.010max ax min

5、下图中A 、B 、C 三个信号经过不同的传输路径传送到与门的输入端，其中计数器为顺序循环计数，即从000顺序计到111，C 为高位，A 为低位。A 、B 、C 的传输延分别为9.5nS 、7.1nS 和2nS 。试分析这个电路在哪些情况下会出现竞争－冒险，产生的毛刺宽度分别是多少。

→011→100→101→110→111→000……

①CBA的状态000→001→010→011、100→101、110→111→000的变化过程中无竞争

－冒险。

②CBA的状态011→100的过程中，

时刻t0：C开始从“0”变向到“1”，与非门输出Y为“1”；

时刻t0＋2ns：CBA的状态为111，与非门输出Y变为“0”；

时刻t0＋7.1ns：CBA的状态为101，与非门输出Y变为“1”；

时刻t0＋9.5ns：CBA的状态为100，与非门输出Y仍为“1”；

毛刺宽度为5.1ns。

③CBA的状态101→110的过程中，

时刻t0：B开始从“0”变向到“1”，与非门输出Y为“1”；

时刻t0＋7.1ns：CBA的状态为111，与非门输出Y变为“0”；

时刻t0＋9.5ns：CBA的状态为110，与非门输出Y变为“1”；

毛刺宽度为2.4ns。

四、实验内容

1.用OC 门实现三路信号分时传送的总线结构

a.用OC门实现三路信号分时传送的总线结构，框图如图2.5.5所示，功能如表2.5.2

所示。（注意OC门必须外接负载电阻和电源，E C取5V）

D 2

D 1

D 0

图2.5.5 三路分时总线原理框图

① 查询相关器件的数据手册，计算OC 门外接负载电阻的取值范围，选择适中的电阻

值，连接电路。 ② 静态验证：控制输入和数据输入端加高低电平，用电压表测量输出高低电平的电压

值，注意测量A 2A 1A 0=000时的输出值。

③ 动态验证：控制输入加高低电平，数据输入端加连续脉冲信号，用示波器双踪显示

输入和输出波形，测量波形的峰峰值、高电平电压和低电平电压，对结果进行分析并解释为什么要选择“DC ”。 ④ 器件电源电压V CC 仍为5V ，将E C 改为10V ，重复①和②，分析两者的差别。注意，

不要直接将V CC 改为10V ，避免烧毁器件。 b. 实验数据

① 计算

R 取值范围时，以该三路分时传送总线电路驱动 8 个 74LS04 中的反相器

来计算。

SN74LS04

mA

I V V uA I HC OL OL CEO 2.526.05.00174max max ===

i

总线电路驱动 8 个 74LS04 中的反相器时，

()()V LS V HC V IH OH 204740174min min =≥

ii

总线电路不接负载时，

()

()

⎩⎨

⎧===-=V E V

V E V

V E V C C c OH 109.959.41.0min

mA I uA I V

V LS IL IH IH 4.02020474max max min ===

V E C 5=

)(106.1810

208105.032

5'36

6min max Ω⨯=⨯⨯+⨯⨯-=⋅+-=

--IH CEO OH C C I N nI V E R )(102.3710

4.08102.526.053

3

3max ax min Ω⨯=⨯⨯-⨯-=⋅--=

--IL OL OLm C C I N I V E R 此处设计电路中OC 门所驱动负载门个数为0，故

)(107.6610

5.039.45'3

6

min max Ω⨯=⨯⨯-=⋅+-=

-IH CEO OH C C I N nI V E R )(5.911102.526

.053

max ax min Ω=⨯-=⋅--=

-IL OL OLm C C I N I V E R

选取Ω=k R C 2。

用 OC 门实现的三路信号分时传送的总线结构电路图如下图所示。按下图连接电路。

② 静态验证

V E C 845.4=时，控制输入和数据输入端加高低电平，输出高低电平的电压值如下表

所示。

由上表可知，单一控制输入端加高电平时，总线输出电平与数据输入端的输入相符。控制输入端A 2A 1A 0=000时的输出值为4.843V ，接近于所接于外电源电压C E 。

从输入输出波形图上我们可以看到，控制输入端加高电平时，相应的输出Y 保持与输入信号同样规律变化，实现了三路信号分时传送的总线结构。

我们选择DC 输入耦合方式，是因为所观测的1KHz 的 TTL 连续脉冲信号，含有直流分量。若选择AC 输入耦合方式，信号中的直流分量被隔开而只能观测到交流成分。观测数字信号必须选用DC 输入耦合方式。

④ 器件电源电压V CC 仍为5V ，将C E 改为10V 。

V E C 10=

)(105.4910

208105.03210'3

6

6min max Ω⨯=⨯⨯+⨯⨯-=⋅+-=

--IH CEO OH C C I N nI V E R )(1087.410

4.08102.526

.01033

3max ax min Ω⨯=⨯⨯-⨯-=⋅--=

--IL OL OLm C C I N I V E R 此处设计电路中OC 门所驱动负载门个数为0，故

)(107.6610

5.039.910'3

6

min max Ω⨯=⨯⨯-=⋅+-=

-IH CEO OH C C I N nI V E R )(1087.110

2.526

.01033

max ax min Ω⨯=⨯-=⋅--=

-IL OL OLm C C I N I V E R 选取Ω=k R C 2。

V E C 95.9=时，控制输入和数据输入端加高低电平，输出高低电平的电压值如下表所

将上述结果与内容②比较可知，输出Y 的高低电平电压均有所提高。其中，高电平仍

为接近C E 。C E 增大使得OC 门等效的低电平输出电阻上的压降增大，从而输出低电平比

V E C 5=时有所提高。

2. 用三态门实现三路信号分时传输

a. 要求：用三态门实现实验内容7中的三路信号分时传输 ① 重复实验内容7中的②和③，注意不要同时将两个或两个以上的三态门的控制端处

于使能状态。

② 将A 2A 1A 0设为“000”， D 2D 1D 0设为“111”，此时输出端为高阻状态，测量输出端

电压值，总结如何用万用表判断高阻态。 b. 实验数据

用三态门实现三路信号分时传送的总线结构电路图如下图所示。按下图连接电路。

① 静态验证

控制输入和数据输入端加高低电平，输出高低电平的电压值如下表所示。

将A2A1A0设为“000”，D2D1D0设为“111”，此时输出端为高阻状态，测量输出端电压值为0.266V。

如何用万用表判断高阻态？

答：将A2A1A0设为“000”，数据输入端无论是输入高电平还是低电平，用UT803型数字万用表测得的输出端电压没有变化，均为略高于低电平电压，则此时输出端为高阻状态。

从输入输出波形图上我们可以看到，控制输入端加高电平时，相应的输出Y保持与输入信号同样规律变化，实现了三路信号分时传送的总线结构。

3.数值判别电路

a.实验要求

①设计一个组合逻辑电路，它接收一位8421BCD码B3B2B1B0，仅当2< B3B2B1B0<7

时输出Y才为1。

②设计一个组合逻辑电路，它接收4位2进制数B3B2B1B0，仅当2< B3B2B1B0<7时

输出Y才为1。

b.设计方案

方案一：

先由卡诺图化简可得出输出最简与或表达式，然后由此转换与非门表达式，得到逻辑图。

① 8421BCD 码B 3B 2B 1B 0

8421BCD 码只能代表0~9这10个值。其余为任意项，可根据电路简化的要求任意确定其值为1或0。

12021201202121B B B B B B B B B B B B B B Y ⋅⋅=++=

（a ）卡诺图化简及转换

（b ）逻辑图

② 4位2进制数B 3B 2B 1B 0

4位2进制数可以代表0~15这16个值。

123123023012

31230232B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B Y ⋅⋅=++=

（a ）卡诺图化简及转换

（b ）逻辑图

方案二：

对最简与或表达式进一步转换，可得由与非门以及异或门实现的逻辑图。

()

1201201201201201202121B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B Y ⊕=+=++=++=

()1

313012120232Y B Y B B B B B B B B B Y ⋅=⋅=++⋅=

（a ）表达式转换

（b）逻辑图

c.实验数据

搭接8421BCD码数值判别电路，进行静态验证，测试结果如下：

经验证，8421BCD码与4位2进制数数值判别电路测试结果均与理论真值表相符，达到设计要求。

4.某停车场有一个交通控制系统，控制入口处的3个车道，如图2.10.1所示。这三个车道

分别为“左车道”、“右车道”和“VIP车道”。每个车道有一个信号灯，红灯禁止通行，绿灯允许通行，任何时候只能有一个通道是绿灯。每个车道有一个传感器，用来监测是否有车通过，另外还有一个时间控制信号用于控制车道循环。整个控制规则如下：当VIP车道有车时，该车道信号灯变为绿灯；当VIP车道没有车且右车道也没有车时，

左车道信号灯变为绿灯；当VIP 车道没有车且左车道也没有车时，右车道信号灯变为绿灯；当VIP 车道没有车，但左、右车道都有车时，由时间控制信号控制左右车道轮流通行；

图2.10.1 停车场控制系统示意

a. 实验要求

① 根据设计要求进行方案分析，确定输入、输出变量，列出真值表； ② 用最少数量的与非门（7400或7420）实现设计，画出逻辑图；

③

搭试电路，进行静态验证，记录测试结果。可以用发光二极管的亮和暗来指示信号灯的值。

b. 设计方案及实验数据

先由卡诺图化简可得出输出最简与或表达式，然后由此转换与非门表达式，得到逻辑图。

C

B B B

C B B B Y 0120121⋅⋅=++=

C

B B B

C B B B Y 1021020⋅⋅=++=

22B Y

（a ）卡诺图化简及转换

（b ）逻辑图

按逻辑图搭接电路，其中012Y Y Y 、、分别接VIP 车道、左车道以及右车道对应的红色LED 指示灯；012Y Y Y 、、分别接VIP 车道、左车道以及右车道对应的绿色LED 指示灯。进行验证，测试结果如下表所示：

方案二：

变量定义与方案一相同。

先由卡诺图化简可得出输出最简与或表达式，然后由此转换与非门表达式，得到逻辑图。

C

B B B

C B B B Y B Y 01201212

2⋅⋅=++==

()

C

B B B

C B B B C B B B C B B B

B Y 01201201210120⋅⋅=⋅+=+⋅+=++=

（a ）卡诺图化简及转换

（b ）逻辑图

按逻辑图搭接电路，其中012Y Y Y 、、分别接VIP 车道、左车道以及右车道对应的红色LED 指示灯；012Y Y Y 、、分别接VIP 车道、左车道以及右车道对应的绿色LED 指示

先由卡诺图化简可得出输出最简与或表达式，然后由此转换与非门表达式，得到逻辑图。

C

B B B B B

C B B B B B Y 12012120121⋅=+=

C

B B B B B

C B B B B B Y 020********⋅=+=

22B Y =

（a ）卡诺图化简及转换

（b ）逻辑图

按逻辑图搭接电路，其中012Y Y Y 、、分别接VIP 车道、左车道以及右车道对应的绿色LED 指示灯；012Y Y Y 、、分别接VIP 车道、左车道以及右车道对应的红色LED 指示灯。进行验证，测试结果如下表所示：

方案四：

变量定义与方案三相同。

对方案三中最简与或表达式进一步转换，可得

()

C

B B B

C B B B C B B B B B Y 012012120121=+=+= ()

C

B B B C

B B B C

B B B B B Y 102102020120=+=+=

22B Y =

（a ）卡诺图化简及转换