数字电路实验指导书(第一次实验用)

数字电路实验指导书上海大学精密机械工程系2010年10月目录一、前言二、实验一基本电路逻辑功能实验三、实验二数字键输入编码功能实现电路设计四、实验三二进制数字存储功能电路设计五、实验四译码器实验六、实验五比较器实验七、实验六加法器实验八、实验七计数器实验九、附录一数字电路实验基本知识十、附录二常用实验器件引脚图十一、附录三实验参考电路十二、附录四信号定义方法与规则十三、附录五 DS2018实验平台介绍前言《数字电路A》课程是机电工程及自动化学院机械工程自动化专业和测控技术与仪器专业的学科基础必修课。

课程介绍数字电路及控制系统的基本概念、基本原理和应用技术，使学生在数字电路方面具有一定的理论知识和实践应用能力。

该课程是上海大学和上海市教委的重点课程建设项目和上海大学精品课程，课程教学内容和方式主要考虑了机械类专业对电类知识的需求特点，改变了电子专业类（如信息通信、电气自动化专业）这门课比较注重教授理论性和内部电路构成知识的方式，加强应用设计性实验，主要目的是让学生能在理论教学和实验中学会解决简单工程控制问题的基本方法和技巧，能够设计基本的实用逻辑电路。

本书是《数字电路A》的配套实验指导书，使用自行开发的控制系统设计实验箱，所有实验与课堂理论教学相结合，各实验之间相互关联，通过在实验箱上设计构建不同的数字电路功能模块，以验证理论教学中学到的各模块作用以及模块的实际设计方法。

在所有功能模块设计结束后，可以将各模块连接在一起，配上输入输出装置，构成一个完整的工程控制系统。

为本课程配套的输入输出装置是颗粒糖果自动灌装控制和一维直线运动控制，颗粒糖果自动灌装系统的框图如下图所示：颗粒糖果灌装系统框图本套实验需要设计的功能模块包括：编码器、寄存器、译码器、比较器、加法器、计数器、光电码盘辩向处理电路、步进电机旋转控制环形分配电路等。

上述各功能电路模块、完整的颗粒糖果灌装或一维直线运动控制系统可以由实验箱上的可编程逻辑器件完整实现。

同时，系统中各功能模块也可由实验者分别用小规模的数字集成电路芯片在实验箱的散件区构建和调试，当小规模的数字集成电路芯片构建的功能模块符合要求后，可以将所设计的分功能模块电路与实验箱上的由可编程逻辑器件实现的颗粒糖果灌装或一维直线运动控制系统电路按预定规则连接，即可看到整个控制系统的工作状态，又能了解分模块电路的设计方法和在整个控制系统中的应用技术。

从而帮助实验者建立实用控制工程系统设计的基本理念。

实验中所需要的常用集成电路芯片引脚信息、实验箱的使用说明等资料可以在本指导书后面的附录中查找。

实验一基本电路逻辑功能实验一、实验目的学习简单的逻辑电路的设计方法，掌握简单逻辑控制工程问题用逻辑电路实现的方法。

二、实验仪器和器件1、DG2018数字电路实验系统2、74LS00二输入与非门3、74LS06非门4、万用表三、实验内容和步骤1、实验内容：参考教科书p34的信息，设计楼梯灯两位开关控制电路2、实验要求：（1）用与门和或门设计（2）用与非门设计（3）用或非门设计（实验时可用的集成电路芯片型号和引脚图见附录）3、在DG2018数字电路实验系统上分别接好设计好的电路，两个开关变量分别接在两个逻辑开关上，输出接发光二极管指示器L，并将集成电路芯片的Vcc、地（GND）分别与电源的+5V和地接通。

4、改变逻辑开关K，实现各输入高、低电平变换，用发光二极管L观察输出逻辑状态，并用万用表测量输出电平值，用真值表形式记录输入输出关系，并由真值表写出逻辑表达式。

四、预习内容1、熟悉有关门电路的内容，预习实验指导书后附录所给出的实验箱的使用说明。

2、按三、2中要求，列出3种形式的逻辑表达式，画出逻辑电路图，从实验指导书后列出的可用的集成电路芯片中选择芯片，设计出接线图，设计实验结果记录表。

五、实验报告要求1、分别写出三、2中要求设计的3种形式的逻辑表达式、逻辑电路图、接线图；在DG2018数字电路实验系统上进行功能测试的实验记录。

根据实验记录的数据分析上述设计的逻辑表达式的正确性。

2、思考题：在居家房屋装潢中，如何实现上述的楼梯两位开关控制逻辑，画出工程电气图。

实验二数字键输入编码功能实现电路设计一、实验目的1、了解数字键输入信号转换为二进制编码信号的工作原理，掌握用小规模集成数字编码器电路实现数字键输入编码功能的应用技术。

2、理解数字键输入方法和在颗粒糖果灌装或一维直线运动控制中设定参数的输入方法和工程应用技术。

3、理解并掌握小规模集成数字编码器电路的工作原理及应用技术。

4、思考如何用多块小规模集成数字编码器电路实现多位编码器功能的扩展技术。

二、实验仪器和器件1、DG2018数字电路实验系统2、74LS00二输入与非门3、74LS08二输入与门4、74LS06非门5、74LS148八-三编码器6、万用表三、实验内容和步骤1、74LS148等逻辑芯片的引线和逻辑图见附录。

2、采用74LS00、74LS08和74LS06等逻辑门芯片设计一个四-二编码器。

在DG2018数字电路实验系统上用逻辑芯片实现数字编码器功能，信号输入接拨码开关SW1~SW4，输出信号接LED0~LED1。

3、采用74LS148和逻辑门芯片设计将“0至9”的十个数字键的输入信号转换为四位二进制的编码输出的优先编码器功能，实现按键/拨动开关的数字编码功能。

(1) 在DG2018数字电路实验系统上用逻辑芯片实现数字编码器功能，信号输入接拨码开关SW1~SW9，输出信号接LED0~LED3。

(2) 改变拨码开关，实现各输入信号的改变，用发光二极管L观察输出逻辑状态，并用万用表测量输出电平值，记录输入输出关系，并做好实验记录。

(3) 将输出信号接实验箱的F1、F2、F3、F4，改变输入拨动开关，观察实验箱的二位数码显示器的变化。

四、预习内容1、设计所需逻辑电路，画出逻辑电路图和接线图。

设计实验结果记录表。

2、掌握数字编码器的工作原理及扩展应用技术。

3、了解“0至9”的十个数字键的输入信号转换为四位二进制的编码输出的优先编码器功能，编写四位数字编码器的逻辑关系并写出逻辑表达式，并要求SW0优先权最低，SW9有最高优先权。

数字编码器电路在颗粒糖果灌装或一维直线运动控制系统中的功能是将用按键或拨动开关输入的每瓶要灌装的颗粒数转换为对应的二进制编码。

五、实验报告要求1、编写四-二编码器的真值表与逻辑表达式，并画出逻辑门实现电路。

2、采用74LS148和逻辑门芯片设计“0至9”键的四位数字编码器，画出实现电路。

3、整理出各项测试结果记录，根据实测结果列出各种门电路的真值表。

4、思考“0至9”数字键的四位数字编码器在颗粒糖果灌装或一维直线运动控制系统中所起的功能，该功能有否其它替代方法。

附录一数字电路实验基本知识一、数字集成电路封装中、小规模数字IC中最常用的是TTL电路和CMOS电路。

TTL器件型号以74(或54)作前缀，称为74／54系列，如74LSl0、74F161、54S86等。

中、小规模CMOS 数字集成电路主要是4XXX／45XX(X代表0-9的数字)系列，高速CMOS电路HC(74HC系列)，与TTL兼容的高速CMOS电路HCT(74HCT系列)。

TTL电路与CMOS 电路各有优缺点，TTL速度高，CMOS电路功耗小、电源范围大、抗干扰能力强。

由于TTL在世界范围内应用极广，在数字电路教学实验中，我们主要使用TTL74系列电路作为实验用器件，采用+5V作为供电电源。

数字IC器件有多种封装形式。

为了教学实验方便，实验中所用的74系列器件封装选用双列直插式。

图1是双列直插封装的正面示意图。

图1 双列直插式封装图双列直插封装有以下特点：1．从正面(上面)看，器件一端有一个半圆的缺口，这是正方向的标志。

缺口左边的引脚号为1，引脚号按逆时针方向增加。

图1中的数字表示引脚号。

双列直插封装IC引脚数有14、16、20、24、28等若干种。

2．双列直插器件有两列引脚。

引脚之间的间距是2．54毫米。

两列引脚之间的距离有宽(15．24毫米)、窄(7．62毫米)两种。

两列引脚之间的距离能够少做改变，引脚问距不能改变。

将器件插入实验台上的插座中去或者从插座中拨出时要小心，不要将器件引脚搞弯或折断。

3．74系列器件一般左下角的最后一个引脚是GND，右上角的引脚是Vcc。

例如，14引脚器件引脚7是GND，引脚14是Vcc；20引脚器件引脚10是GND，引脚20是Vcc。

但也有一些例外，例如16引脚的双JK触发器74LS76，引脚13(不是引脚8)是GND，引脚5(不是引脚16)是Vcc。

所以使用集成电路器件时要先看清它的引脚图，找对电源和地，避免因接线错误造成器件损坏。

一、数字电路测试及故障查找、排除设计好一个数字电路后，要对其进行测试，以验证设计是否正确，测试过程中，发现问题要分析原因，找出故障所在，并解决它。

数字电路实验也遵循这些原则。

1．数字电路测试数字电路测试大体上分为静态测试和动态测试两部分。

静态测试指的是，给定数字电路若干组静态输入值，测试数字电路的输出值是否正确。

数字电路设计好后，在实验台上连接成一个完整的线路。

把线路的输入接逻辑开关输出，线路的输出接电平指示灯，按功能表或状态表的要求，改变输入状态，观察输入和输出的关系是否符合设计要求。

静态测试是检查设计是否正确，接线是否无误的重要一步。

在静态测试基础上，按设计要求在输入端加动态脉冲信号，观察输出端波形是否符合设计要求，这是动态测试。

有些数字电路只需要进行静态测试即可，有些数字电路则必须进行动态测试。

一般地说，时序电路应进行动态测试。

2．数字电路的故障查找和排除在数字电路实验中，出现问题是难免的。

重要的是分析问题，找出出现问题的原因，然后解决它。

一般地说，主要有四个方而的原因产生问题(故障)：器件故障、接线错误、设计错误和测试方法不确。

在查找故障过程中，首先要熟悉经常发生的典型故障。

(1)器件故障器件故障是器件失效或器件接插问题引起的故障，表现为器件工作不正常。

不言而喻，器件失效肯定会引起工作不正常，这需要更换一个好器件。

器件接插问题，如管脚折断或者器件的某个(或某些)引脚没插到插座中等，也会使器件工作不正常，对于器件接插错误有时不易发现，需仔细检查。

判断器件失效的方法是用集成电路测试仪(例如ALL-07／1 l或者SUPER PRO系列编程器等)测试器件。

需要指出的是，一般的集成电路测试仪只能检测器件的某些静态特性。

对负载能力等静态特性和上升沿、下降沿、延迟时间等动态特性，一般的集成电路测试仪不能测试。

测试器件的这些参数，须使用专门的集成电路测试仪。

(2)接线错误接线错误是最常风的错误。

据有人统计，在教学实验中，大约百分之七十以上的故障是由接线错误引起的。