数字电路及设计实验
-
常用数字仪表的使用
实验内容：
1.
参考“仪器操作指南”之“
DS1000
操作演示”
，熟悉示数字波器
的使用。
2.
测试示波器校正信号如下参数：
（请注意该信号测试时将耦合方式设置为直流耦合。
峰峰值（
Vpp
）
，
最大值（
Vmax
）
，
最小值（
Vmin
）
，
幅值（
Vamp
）
，
周期（
Prd
）
，
频率（
F
req
）
顶端值（
< br>Vtop
）
，
底端值（
Vbase
）
，
过冲（
Overs
hoot
）
,
预冲（
Preshoot
）
，
平均值（
Average
）
，
均方根值（
Vrms
）
，即有效值
上升时间（
RiseTime
）
，下降时间（
FallTime
）
，
正脉宽（
+Width
）
,
负脉宽（
-Wi
dth
）
，
< br>正占空比（
+Duty
）
，
负占空比（
-Duty
）等参数。
3.
TTL
输出高电平
>2.4V
，输出低电平
<
0.4V
。在室温下，一般输出高电平是
3.5V
，输出低
电平是
0.2V
。
最小输入高电平和低电平：输入高电平
>=2.0V
，输入低电
平
<=0.8V
。
< br>请采用函数信号发生器输出一个
TTL
信号，要求满足如
下条件：
①输出高电平为<
/p>
3.5V
，低电平为
0V
的一个方波信号；
②信号频率
1000Hz
；
在示波器上观测该信号并记录波形数据。
集成逻辑门测试（含
4
个实验项目）
（本实验内容选作）
一、实验目的
（
1
）深刻理解集成逻辑门主要参数的含义和功能。
（
2
）熟悉
TTL<
/p>
与非门和
CMOS
或非门主要参数的测试
方法，并通过功能测试判断器件
好坏。
二、实验设备与器件
本实验设备与器件分别是：
实验设备
：自制数字实验平台、双踪示波器、直流稳压电源、数字频率计、数字万用表
及工具；<
/p>
实验器件：
74LS20
两片，
CC4001
一片，
500
左右电
表
1-1
与非门功能测试表
阻和
10k
左右电阻各一只。
输
入
输
出
三、实验项目
1
．
TTL
与非门逻辑功能测试
<
/p>
按表
1-1
的要求测
74LS20
逻辑功能，将测试结果填
入与非门功能测试表
中
（测试
F=1
、
0
时，
V
OH
与
V
OL
的值）
< br>。
2
．
TTL
与非门直流参数的测试
A
B
C
D
1
1
1
1
0
1
1
1
1
0
1
1
1
1
0
1
1
1
1
0
F
测试时取电源电压
V
CC
< br>=5V
；注意电流表档次，所选量程应大于器件电参数规范值。
< br>
（
1
）导通电源电流
I
CCL
。测试条件：输入端均悬空，输出端空
载。测试电路按图
1-1
（
a
）
连接。
（
2
）低电平输入电流
I
iL
。测试条件：被测输入端通过电流表接地，其余输入端悬空，输
出空载。测试电路按图
1-1
（
b
）连接。
（
3
）高电平输入电流
I
iH
。测试条件：被测输入端通过电流表接电源（电压
V
CC
）
，其余
输入端均接地，输出空
载。测试电路按图
1-1
（
c
）连接。
（
4
）电压传输特性。测试电路按图
1-2
连接。
按表
1-2
所列各输入电压值逐点进行测量，
< br>各输入电压值通过调节电位器
W
取得。将测试结果在表<
/p>
1-2
中记录，并根据实测数据，做出
电
压传输特性曲线。然后，从曲线上读出
V
OH
< br>，
V
OL
，
V
on
，
V
off
和
V
T
，并计算
V
NH
，
< br>V
NL
等参
数。
图
1-1
I
CCL
，
I
iL
和
I
iH
测试电路
图
1-2
电压传输特性测试电路
表
1-2
V
i
（
V
）
<
/p>
V
0
（
V
）
0
0.4
0.8
1.1
与非门电压传输特性测试表
1.2
1.3
1.35
1.4
1.5
2.0
2.4
2.7
3.0
（
5
）扇出系数
N
O
。测试条件：所有输入端悬空，负载
R
< br>L
为可变电阻。测试电路按图
1-3
连接。调节
R
L
，使输出电
压
V
OL
=0.4V
，测出此时的
I
OL
< br>，再按下式：
N
O
=
I
Ol
/
I
iL
求得
N
O
。
3
．平均延迟时间
t
pd
的测试
现一般采用环形振荡器法测
t
pd
，
测试原理电路及波形如
图
1-3
扇出系数测试电路
<
/p>
图
1-4
（
a<
/p>
）
和
（
b
）
所示。
图
1-4<
/p>
（
a
）
中与非门
1
、
与非门
2
为标准门的
t
pd1
< br>和
t
pd2
是已知的
（可
预先在高精度的双踪示波器上测出）
，与非门
（
3
）是被测门。三个与非门构成一个环形振荡电
路。点（
3
）和点（
3
）的波形是同一波形，由图
1-4
（
b
）可知，振荡波形的周期为：
图
1-4
平均延迟时间测试电路及波形
T
=
t
PHL1<
/p>
+
t
PHL2
+
t
PHL3
+
t
PLH1
+
t
PLH2
+
t
PLH3
=2
t
pd1
+2
t
pd2
+2
t
pd3
（在一个振荡周期内每个门经过两次延迟时）
从数字频率计上可以读出振荡频率
f
（也可用示波器测
出周期
T
）
，即可算出被测门的平
均延时时间为：
T
=1/
f
=2(
t
< br>pd1
+
t
pd2
)+2
t
pd3
t
pd3
=1/2
f
－
(t
pd1
+
t
pd2
)
或者
t
pd3
=
T
/2
－
(<
/p>
t
pd1
+
t<
/p>
pd2
)
4
．
CMOS
或非
门电路的测试（注意
CMOS
器件使用规则）
（
1
）传输特性测量
①
调节电位器
W
，选择若干个输入电压值，测
量相应的输出电压值，然后由
测得的数据作出曲线，
并从曲线中求得
V
oH
、
V
oL
、
V
on
和
V
oFF
等参数值。注
意，测量输出端
的电压时，要选用高阻抗的直流电压
表，最好用直流数字电压表。通常取
V
on
为
0.1
V
oH
时
对应的输入电平值
，
V
oFF
为
0.9
V
OH
对应的输入电平值。
②
将两个输入端并联在一起，重复上述测试，
图
1
-5
CMOS
门传输特性测试电路图
比较两种情况下电压传输特性和噪声容限的差异。
③
测试电
源电压的影响：将
V
DD
依次调节至<
/p>
5V
和
15V
，
观察电路的逻辑功能以及输出高电平
V
oH
值。
（
2
）逻辑功能测试
选
CC4001<
/p>
按图
1-5
电路接线。断开与电位器
W
连接的输入端和接地输入端，在两个输
入
端分别送入表
1-3
中所列出的输入状态，测试其输出相对应的
逻辑值。
表
1-3
或非门功能测试表
输
入
输
出
A
B
F
0
0
0
1
1
0
1
1
五、预习要求
（
1
）阅读
TTL
与非门主要参数的含义及
CMOS
门电路的特点。
（
2
）熟悉
CMOS
电路和
TTL
电路的使用规则。
（
3
）设计实验电路，提出器件清单。
（
4
）拟定实验方案和调测步骤。
三态门、
OC
门的功能测试及其应用（含
2
个实验项目）
< br>
（
本实验内容选作）
一、实验目的
（
1
）熟悉
OC
门和三态门的功能及
应用。
（
2
）掌握
OC
门负载电阻选择方法。
二、实验设备与器件
本实验的实验设备和器件为：
实验设
备：自制数字实验平台、双踪示波器、直流稳压电源、脉冲信号发生器、万用表
及工具；
实验器件：
74LS20
，
74LS00
，
74L
S01
，
74LS05
，
CC4011
，
CC4069
和电阻若干。
三、实验项目
1
．
OC
门实验<
/p>
（
1
）
OC
门“线与”电路功能测试：将两个
OC<
/p>
门进行“线与”连接，以驱动三个
TTL
与非门，如图
2-1
所示。
E
C
=+5V
，要求
V<
/p>
OH
=3.6V
，
V
OL
=0.3V
，工作速度无严格
要
求。试在负载电阻允许值范围，选取
R
L
值接入电路，并测试其逻辑功能，列表记录测
试结果。
（
2
）
用实验方法确定
R
Lmax
和
R
Lmin
，
< br>要求
V
OH
=3.6V
，
V
OL
=0.3V<
/p>
。
实验电路按图
2-2
< br>连接，
加
+5V
电源后，调节电
位器
W
，先使电路输出为高电平（即
F
=3.6V
）
，测得此时的
R
L
值为
R
Lmax
。再使电路输出为低电平（即
F=0.3V
）
，测得此时的
R
L
< br>值为
R
Lmin
。
（
3
）用
OC
电路实现
TTL
与非门驱
动
CMOS
与非门（
CC4011
）的电平转换电路。取
V
DD
=10V
，
确定电阻值接入电路，
< br>然后在输入端加一个方波信号
（
f
i
=1kHz
）
，
< br>用示波器观察
A
点、
B
点、
C
点的波形幅度值的变化。
图
2-1
OC
门“线与”功能测试电路
四、预习要求
（
1
）
阅读
OC
门和三态门的工作原理，根据任务
要求计算
R
L
的取值范围（即
R
Lmax
与
R
Lmin
）
。
（
2
）设计实验电路，提出器件清单。
（
3
）拟定实验
方案和调测步骤。
组合逻辑电路的设计及功能测试（含
5
个实验项目）
一、实验目的
（
1
）掌握组合逻辑电路的设计方法及功能测试方法。
（
2
）观察组合逻辑电路的冒险现象。
（
3
）熟悉消除
冒险现象的常用方法。
二、实验设备与器件
本实验的设备和器件如下：
实验设备
：自制数字实验平台、双踪示波器、脉冲信号发生器、万用表及工具；
实验器件：
74LS00
，
7
4LS10
，
74LS20
，
74LS04
，
74LS32
< br>。
三、实验项目
1.
用
TTL
与非门设计一个
3
人控制表决器。
3
人表决的结果用指示灯显示，
多数赞成则
指示灯亮，反之，则灯不亮。
2.
设计一个全加器。
表
3-1
3.
设计一个四舍五入电路，输入信号为
8421BCD
D
C
B
A
F
码，输出结果用指示灯显示。
0
0
0
0
0
4.
设计一个组合逻辑电路，它
接收
3
位二进制数
0
0
0
1
0
0
0
1
0
1
B2B1B0
，仅当
B2B1B0
对应
的十进制数大于
2
小于
6
时，
0
0
1
1
1
输出
Y
才为
1
。
0
1
0
0
0
5.
按表
3-1
设计一个组合逻辑电路。
0
1
0
1
0
0
1
1
0
0
①
设计要求：输入信号仅提供原变量，反变量由
0
1
1
1
1
电路自行产生，给定与非门为
74
LS00
、
74LS20
，画出
1
0
0
0
0
逻辑图。
1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
②
搭试电路，进行静态测试，验证逻辑功能，记
1
0
1
1
0
录测试结果。
1
1
0
0
1
③
分析输入端
D
、
C
、
B
各处于什么状态下能观察
1
1
0
1
1
到输入端
A
信号变化时产生的冒险现象。
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
④
在
A
端输入
f
=100kHz
～
1MHz
的方波信号，观
察电路的冒险现象，记录
A
和
F
点的工作波形
图。
⑤
观察：用增加校正项的方法，消除由输入端
A
< br>信号变化所引起的冒险现象。画出此
时的电路图，并记录消除冒险后
A
和
F
点的波形图。
四、预习要求
（
1
）必须在预习报告中写出设计全过程，画出设计电路图。
（
2
）什么叫冒
险现象？如何判断一个组合逻辑电路中是否存在冒险现象？
（
3
）设计实验电路，提出器件清单。
（
4
）拟定实验方案和调测步骤。
译码器及其应用（含
4
< br>个实验项目）
一、实验目的
（
1
）掌握译码器功能测试方法和灵活
应用。
（
2
）熟悉多位译码显示电路的设计方法及工作原理。
二、实验设备与器件
本实验的设备与器件如下：
实验设备
：自制数字实验平台、双踪示波器、直流稳压电源、万用表及工具；
< br>实验器件：
74LS00
，
74
LS48
，
BS201/202
等。<
/p>
三、实验任务
1.
七段显示译码器
74LS48
的功能测试
实
验电路按图
4-1
连接。测试时，各输入端按表
4-1
中相应状态输入信号。观察各输出
情况，列表记
录并将结果与给出的功能表做比较。
2.
采用
T
TL
与非门设计一个输入两位二进制码，显示十进制数的七段显示译码器（要
求使用共阴发光二极管作为显示器）
。
3.
实验电路示意图如图
4-2
所示。
A3
作为数
据输入端，
A0
、
A1
、
A2
作为地址。当
A0A1
A2=000
～
111
时，测试相应的
Q0
～
Q7
的
输出。
图
4-1
74LS48
功能测试连线图
图
4-2
74LS42
用作数据分配器
①
A
3
端输入秒脉冲（周期
T
< br>≈
1
秒）信号，列表整理测试结果。
②
A
3
端输入约
2kHz
连续脉冲，观察并
记录
A
0
A
1
A
2
的输入、输出波形。
4.
采用
74LS48
和共阴数码管构成一个多位显示电路，并按以下要求完成实验。
分别按下列要求输入信号，观察记录其相应的显示情况，并分
析所观察到的现象产生的
原因。
①
LT
=1
，
BI
=1
，
IC
1
、
IC
6
的
DCBA
输入均为
0
，
IC
2
、
IC
3
、
IC
4
、
IC
5
的
DCBA
输入不
为全
0
；
< br>
②
LT
=1
，
BI
=1
< br>，
IC
1
，
IC
2
、
IC
5
、
IC
6
的
DCBA
输入均为
0
，
IC
3
、
IC
4
的
DCBA
输入不
为全
0
；
③
LT
=1
，
BI
=1
，
IC
1
～
IC
6
的
DCBA
输入均为
0
。
四、预习要求
（
1
）熟悉
74LS48
的功能和使
用方法，拟好实验电路和记录表格。
（
2
）复习译码显示原理和数据分配器的工作原理。
（
3
）设计实验电路，提出器件清单。
（
4
）拟定实验方案
和调测步骤。