电子线路实验-数电.ppt

数字电子线路实验,电工电子教学基地 电子线路实验室,实验项目：,一、 组合逻辑研究（一） 二、 组合逻辑研究（二） 三、 集成触发器 四、 计数器及其应用研究 五、移位寄存器及其应用 六、脉冲电路的产生与整形,实验器材,一、 组合逻辑研究（一）,实验目的,了解用SSI器件实现简单组合逻辑电路的方法。 了解编码、译码与显示的工作原理。 掌握用MSI器件实现四位全加器的方法，并掌握全加器的应用。 *熟悉四位数字比较器的原理，掌握四位数字比较器的应用。,实验所用仪器、设备,万用表 一块 直流稳压电源 一台 数字电路实验板 一块,实验说明,组合逻辑电路是数字电路中最常见的逻辑电路之一，它是根据给定的逻辑功能，设计出实现这些功能的逻辑电路。 组合逻辑电路的特点，就是在任一时刻电路的输出仅取决于该时刻的输入信号，而与信号作用前电路所处的状态无关。,组合逻辑电路设计步骤,逻辑抽象。将文字描述的逻辑命题转换成真值表。 选择器件类型。根据命题的要求和器件的功能决定采用哪种器件。 根据真值表和选用逻辑器件的类型，写出相应的逻辑函数表达式。当采用SSI集成门电路设计时，为了使电路最简，应将逻辑表达式化简，并变换成与门电路相对应的最简式；当采用MSI组合逻辑器件设计时，则不用将逻辑函数进行化简，只需将其变换成MSI器件所需要的函数形式。 根据逻辑函数表达式及选用的逻辑器件画出逻辑电路图。,实验内容,（一）基本命题 三变量多数表决器 一位全加器 编码、译码、显示电路 四位全加器电路,基本命题1,1.用四2输入与非门74LS00，按照P104图4-1-1连接实验线路，输入加逻辑开关，输出加LED灯，测试三变量多数表决器的功能，并记录真值表。,图4-1-1 用门电路实现的多数表决电路,基本命题2,2.用四2输入异或门74LS86和四2输入与非门74LS00组成1位全加器电路，输入加逻辑开关，输出加LED灯，测试其功能,并记录真值表。,图4-1-2 1位全加器电路,基本命题2,图4-1-2所示电路是由四2输入与非门74LS00和四2输入异或门74LS86组成的一位全加器电路。此电路可以实现两个1位二进制数( 和 ）相加，并考虑来自低一位的进位（ ），输出 为本位和， 为本位向高一位的进位。 逻辑表达式为：,图4-1-2 1位全加器电路,基本命题3,3.组成编码-译码-显示电路 8-3线优先编码器74LS148、7段字型译码器74LS48(248)和数码管。 将编码器8个数据输入端接至实验板上的逻辑开关，依次给8个输入端送0-1信号，记录实验结果。,图4-1-3 编码、译码与显示电路,基本命题4,4.用MSI器件74LS283实现四位全加器电路，用译码-显示电路显示其全加和，并将结果填入表4-1-1中。,表4-1-1,图4-1-4 加法-译码-显示电路,扩展命题,用异或门74LS86和四位全加器74LS283实现四位减法器，用译码-显示电路显示其差，并将结果填入表4-1-2中。 用四位全加器74LS283实现由8421码到余3码的转换，列表验证其真值表。,表4-1-2,组合逻辑研究（二）,实验目的,了解译码器、数据选择器的工作原理及其功能; 掌握用译码器、数据选择器实现组合逻辑电路的方法。,实验仪器,万用表 一块 直流稳压电源 一台 数字电路实验板 一块,实验说明,两种MSI器件：译码器和数据选择器 1.译码器（通用译码器） 译码器是一个多路输入、多路输出的组合逻辑电路，其功能是将输入的一组二进制代码译成与其相应的特定含义（如十进制、地址线、指令等）。常见的MSI译码器有2-4译码器（74LS139）、3-8译码（74LS138）、4-16译码器（74LS154）等。下面主要介绍3-8译码器74LS138。,图5-5 74LS138管脚图,2.数据选择器 又称多路开关（MUX），是一个多路输入、单端输出（有的具有互补输出端）的组合逻辑器件。其工作原理类似于一个单刀多掷开关，在地址码（或称选择输入端）的控制下将某一路的输入作为输出，以实现多通道数据传输。数据选择器有74LS157（四2选1MUX），74LS153（双4选1MUX），74LS151（8选1MUX），74LS150（16选1MUX）等。 这里主要介绍8选1数据选择器74LS151。,图5-6 74LS151外引线排列图,实验内容,（一）基本命题 1用3-8译码器74LS138和门电路实现三变量多数表决器电路，参考P113图4-2-3。 2用3-8译码器实现函数： 3用8选1数据选择器74LS151实现函数,（二）扩展命题 3.用3-8译码器74LS138和门电路设计一个数字显示报警电路。 要求： 用译码、显示电路来显示，装置共有三个报警信号； 当第一路有报警信号时，数码管显示1； 当第二路有报警信号时，数码管显示2； 当第三路有报警信号时，数码管显示3； 当有两路或两路以上有报警信号时，数码管均显示8； 当无报警信号时，数码管显示0。,参考电路,（一）基本命题 1.,图4-2-3 用74LS138实现的的多数表决器,2.函数表达式分别为: 3.在ABCD中任选三个变量作为数选器74LS151的地址，另一个变量就反映到了数据输入端。比如选ABC作为地址变量，则数据输入端表达式为：,三、集成触发器,实验目的,熟悉常用触发器的基本结构及其逻辑功能。 能用触发器设计基本的时序逻辑电路。,实验所用仪器、设备,万用表 直流稳压电源 函数信号发生器 双踪示波器 数字电路实验板,实验说明,触发器是组成时序逻辑电路的最基本逻辑单元，在数字系统和计算机中有着广泛的应用，集成触发器不仅作为独立的集成元件被大量使用，而且还是组成计数器、移位寄存器或其它时序电路的基本单元电路。 触发器按结构分主要有钟控式、维持阻塞式、主从式和边沿触发式四种，按功能可分为RS触发器、D触发器、JK触发器、T和触发器等，按触发方式分有边沿触发和电平触发两种。,1. D触发器 D触发器的逻辑符号如图5-9所示，触发器的次态决定于CP脉冲上升沿到来之前D的状态，即,2JK触发器 JK触发器的逻辑符号如图5-10所示。它的基本结构形式有主从式和边沿触发两种，且多为边沿触发，一般情况下是在CP脉冲的下降沿触发翻转的。触发器次态取决于下列方程：,图5-10 JK触发器,实验内容,（一）基本命题 条件：给定器件为双D触发器（74LS74）1只，双JK触发器（74LS76）2只，四2输入异或门（74LS86）1只，六反相器（74LS04）1只。 1.用双D触发器74LS74构成一个异步的四进制减法计数器，并进行逻辑功能的验证. (1)用单脉冲输入，触发器状态用指示灯显示。 (2)用1KHZ连续脉冲输入，用示波器比较其输 入、输出信号波形。,2.用双JK触发器74LS76构成一个同步四进制加法计数器，并进行逻辑功能的验证。 （1） 用单脉冲输入，触发器状态用指示灯显示。 （2） 用1KHZ连续脉冲输入，用示波器比较其输入、输出信号波形。,3用双JK触发器74LS76，设计一个单次脉冲发生器。要求将频率高的系列脉冲和手控触发脉冲分别作为两个触发器的时钟脉冲输入。只要手控脉冲送出一个脉冲（高电平一次或低电平一次），单次脉冲发生器就送出一个脉冲，该脉冲与手控触发脉冲的时间长短无关。 4用双JK触发器74LS76和门电路设计三相脉冲信号源电路要求电路输出三相脉冲源 ，其中 超前 ， 超前 ， 与 反相。,（二）扩展命题 条件：给定器件为双D触发器（74LS74）1只，双JK触发器（74LS76）2只，四2输入与非门（74LS00）1只，三3输入与非门（74LS10）1只，四2输入与门（74LS08）1只，六反相器（74LS04）1只，七段字型译码器（74LS48）1只，共阴极数码管（LTS-547RF）1只。 1用双D触发器74LS74和与非门74LS00设计一个广告流水灯同步时序电路，广告流水灯有四个灯，这四个灯始终是一暗三明且暗灯循环右移，其状态图如图5-11所示，图中表示灯亮，表示灯暗。,1CP 2CP 3CP 4CP 图5-11 广告流水灯状态图,2用两片JK触发器和门电路设计一个8421码的同步十进制加法计数器，并进行以下实验： （1）将计数器的四个输出端加至由74LS48与数码管组成的译码、显示电路的输入端，CP用实验板上的1HZ脉冲信号，观察显示结果。 (2)加入1KHZ方波信号作为时钟信号，观察并记录输入、输出号的波形。,参考电路,1.图为用双D触发器74LS74实现二分频功能,CP,Q1,Q1,D,2.图为用双J-K触发器74LS76实现四分频功能,CP,Q1,Q2,图5-15,4. 计数器及其应用研究,实验目的,熟悉计数器的工作原理，掌握中规模计数器（MSI）逻辑功能及其应用。 掌握计数器的级联方法，并会用中规模计数器（MSI）实现任意进制计数器。,实验仪器,万用表 一块 直流稳压电源 一台 函数信号发生器 一台 双踪示波器 一台 逻辑分析仪 一台 数字电路实验板 一块,计数器是一种使用相当广泛的功能器件，现在无论是TTL还是CMOS集成电路，都有品种齐全的MSI计数器。在这一节实验中，我们所用计数器均为TTL器件，因此，以下介绍实验中所用的几种计数器。,74LS90是一个二-五-十进制计数器的异步计数器,具有计数、清“0”及置“9”功能，内部结构是由四只JK触发器构成，下降沿触发且为双时钟结构，两个时钟分别是 和 。,用74LS90构成的十进制计数器有两种接法。一种是8421BCD码接法：将 作为计数时钟，和其中一个输出端 连接在一起，则输出 是8421BCD码计数器。另一种是5421BCD码计数 将 作为计数时钟， 和其中一个输出端 连接在一起，则输出 是5421BCD码计数器。,用74LS90可以获得模M=2、5、10的计数器。若利用清“0”、置“9”功能，引入适当反馈就可构成10以内的任意进制的计数器。,174LS90异步二-五-十进制计数器,实验说明,2. 74LS161、74LS163可编程4位二进制同步计数器,同步计数器是指计数器内所有触发器都在同一时钟脉冲作用下、在同一时刻翻转。其优点是计数速度快。74LS161和74LS163除了具有普通4位二进制同步计数器的功能外，还具有可编程计数器的编程功能。可编程计数器的编程方法有两种，一种是由计数器的不同输出组合来控制计数器的模；另一种是通过改变计数器的预置输入数据来改变计数器的模。这两种编程方法也同样适用于其它可编程计数器。,74LS161具有异步清零、同步置数的功能。其中， 是异步清零输入端，低电平有效；LD是同步并行置数控制端，低电平有效；P和T具有保持和禁止计数的功能，只要P和T两端中有一端为零，计数器即为保持状态，要正常计数，它们必须都为高电平。 是进位输出端，其平时为低电平，当74LS161计数计到最大值时，翻转为高电平，宽度为一个时钟周期。DA是并行数据输入端， 是数据输出端。,74LS163除具有同步清零的功能外，其它功能均同74LS161。用74LS161构成的计数器的计数方法有两种，一种是从零开始计数，另一种是从某一数码（非零）开始计数。,图5-16 74LS161外引线排列图,3. 74LS192、74LS193双时钟4位加/减同步计数器,74LS192和74LS193是双时钟4位加/减同步计数器，其管脚排列图及个管脚的功能均相同，不一样的是，74LS192是十进制计数器，74LS193是二进制计数器。当 加时钟， 为高电平时，进行加法计数； 当加时钟， 为高电平时，进行减法计数，时钟为上升沿触发。管脚排列图中， 为加计数进位输出端，当74LS192和74LS193加计数计到最大值时， 输出一个低电平信号（平时为高电平）； 为减计数借位输出端，当这两个计数器减计数计到最小值即零时， 输出一个低电平信号（平时为高电平）。 和 的负脉冲宽度等于时钟方波脉冲低电平宽度。,实验内容,（一）基本命题 条件：给定二-五-十进制异步计数器（74LS90）1只，二进制同步计数器（74LS161）1只，四2输入与非门（74LS00）1只，三3输入与非门（74LS10）1只，双时钟BCD同步加/减计数器（74LS192）1只，七段字型译码器（74LS48）1只，共阴极数码管（LTS-547RF）1只。 用异步二-五-十进制计数器74LS90构成8421BCD码计数器。 用二进制计数器74LS161和与非门设计M=7加法计数器（用两种方法实现）。 *用74LS192实现十进制可逆计数器，先用静态测试法验证计数器的逻辑功能，然后用示波器双踪观察并记录输入、输出波形。 用两片74LS161和门电路设计模50计数器。要求完成电路设计，先将计数器时钟置为1Hz方波信号，输出接译码、显示电路，在数码管上观察输出状态变化；然后将时钟频率改为1KHZ方波信号，用逻辑分析仪观察并记录输入、输出波形。,（二）扩展命题 条件：给定器件为二进制计数器（74LS161）2只，8选1数据选择器（74LS151）2只，四2输入与非门（74LS00）1只，三3输入与非门（74LS10）1只，双四输入与非门（74LS20）1只，六反相器（74LS04）1只。 用74LS161和74LS151设计一个计数型序列码产生器，产生的序列码为1101000101。 将6MHz信号分别2分频、10分频、20分频、46分频、60分频，并用数据选择器选出其中一个。 用两片74LS161级联组成两位十进制计数器，要求用串行进位式和并行进位式两种方法，输出用译码、显示电路显示。,参考电路,图5-17,1.,2.（1）例：M=6,图5-18,（2）,图5-19,4.,图5-21,5.,设计过程分两步： 根据序列码的长度M设计模M计数器，状态可以自定； 按计数器的状态转移关系和序列码的要求设计组合输出网络。由于计数器的状态设置和输出序列的更改比较方便，而且还能同时产生多组序列码。,5.,给定序列长度P=10，故先用 74LS161 设计一个模10的计数器，我们利用74LS161 的预置端LD，用后 10 个状态，即 01101111。 令该 10 个状态中每一个状态的输出符合给定序列的要求，列出其真值表如表所示，对应的输出卡诺图如图 (a)所示。采用八选一数据选择器实现，电路如图 (b) 所示。,真值表,设计过程及逻辑图,5. 移位寄存器及其应用,实验目的,熟悉移位寄存器的结构及工作原理 掌握移位寄存器的应用,实验仪器,万用表 一块 直流稳压电源 一台 函数信号发生器 一台 双踪示波器 一台 逻辑分析仪 一台 数字电路实验板 一块,移位寄存器是由多级触发器构成的。代码的移位是在统一的时钟脉冲控制下进行的。每来一个时钟脉冲，原存于寄存器的代码就按规定的方向（左或右）同步移一位。移位寄存器的类型，按移位的方式可分为左移、右移和双向移位寄存器；按其输入方式可分为并行输入.并行输出、并行输入.串行输出、串行输入.并行输出、串行输入.串行输出等几种。本实验所用移位寄存器是74LS194，下面予以介绍。,74LS194是4位双向移位寄存器，它具有并行输入、并行输出、左移和右移的功能。74LS194的操作主要由两个工作方式控制端 来决定。当 ，为保持状态；当 ，进行右移操作，当 ，进行左移操作；当 ，进行送数操作。在后三种操作中，都是同步的，即必须有时钟信号，在时钟信号的上升沿到来时，进行左移、右移和送数操作。,实验说明,实验内容,（一）基本命题 条件：给定器件为双向移位寄存器(74LS194)1只，三3输入或非门(74LS27)1只，四2输入与非门(74LS00)1只。 用双向移位寄存器74LS194与门电路构成具有自启动特性的环形计数器。其有效循环状态如图5-22所示，用示波器观察并记录输入、输出波形。 用双向移位寄存器74LS194与门电路构成具有自启动特性的扭环计数器。其有效循环状态如图5-23所示，用示波器观察并记录输入、输出波形。 用双向移位寄存器74LS194和与非门构成7分频电路。 用74LS194和74LS138设计一个同时产生两组序列码的双序列码发生器，两组代码分别是：z1=110101，z2=010110。,图5-1 环形计数器有效循环状态图,图5-2 扭环计数器 有效循环状态,（二）扩展命题 条件：给定器件为3-8译码器(74LS138)1只，双向移位寄存器(74LS194)2只，四2输入与非门(74LS00)1只，三3输入与非门(74LS10)1只，双四输入与非门(74LS20)1只，六反相器(74LS04)1只。 设计模M=7的移位型计数器（具有自启动特性）。 用两片74LS194和一片74LS138设计可编程分频器，分频比N的范围为 。,实验内容,设计一个简单的四路彩灯显示系统，要求两种花型以同一频率循环演示，演示花型为： 依次渐亮，第1路彩灯先亮，接着第2、第3、第4路彩灯逐渐点亮。 依次渐灭，第4路彩灯先暗，接着第3、第2、第1路彩灯逐渐变暗。,参考电路,图5-3,1.,2.,图5-4,图5-5,3.,M=7,首先用74LS194设计一个具有自校正的模6 扭环型计数器如图(a)所示，并画出输出序列卡诺图如图(b)所示。然后用一片3-8译码器和与非门实现输出组合逻辑。,6. 脉冲电路的产生与整形,实验目的,介绍用门电路构成的单稳态电路与多谐振荡器电路的特点和振荡频率的估算方法。 熟悉555振荡器的工作原理，掌握555定时器的典型应用。 掌握用示波器观察和测量脉冲波形及其参数的方法。,实验用仪器设备,万用表 一块 直流稳压电源 一台 函数信号发生器 一台 双踪示波器 一台 数字电路实验板 一块,实验说明,1.单稳态电路 利用集成逻辑门的开关作用和倒相作用，加上适当的RC元件，可以构成各种简单可靠的脉冲产生和整形电路，例如单稳态电路、多谐振荡器电路等。本小节讨论单稳态电路。 图6-1为微分型单稳电路，图中 为输入微分电路，两个门之间用RC微分电路相连。图6-2为积分型单稳电路，此电路中，触发脉冲直接加在非门的输入端上。,图6-1 微分单稳态触发电路,图6-2 积分单稳态触发电路,单稳态触发电路的共同特点是：触发脉冲未加入前，电路处于稳态，此时可以测得各门的输入和输出电位。触发脉冲加入后（图5.23所示为负脉冲触发，图5-34所示为正脉冲触发），电路立刻进入暂稳态。暂稳态的时间，即输出脉冲的宽度 只取决于RC数值的大小，与触发脉冲无关。,我们已经知道，在只含有一个储能元件的电路中，某一点电压的过渡过程可用下式表示为：,整理后得：,在微分型电路中，由式可推导得到（过程略）：,2.多谐振荡器 多谐振荡器是一种脉冲波形产生电路，它是数字电路中不可缺少的电路单元。由与非门组成的多谐振荡器电路形式多种多样，有环形、对称型和非对称型等。图6-3（左）是一种对称型的单定时多谐振荡器，它由两个与非门交叉耦合而成，定时元件为R、C。R的取值必须使门电路工作在线性过度区，一般为几百 ，电容C的取值在 内任选。图中门2反馈电阻 可使电路易于起振，对振荡频率无影响。图6-3（右）是电路的振荡波形。,图6-3 TTL多谐振荡器,左：电路 右：波形,根据 波形可以计算出多谐振荡器在两个暂稳态停留的时间，进而可求出振荡器的振荡周期为：,3.集成定时器 （1）555定时器的基本结构 555定时器是一种双极型模拟数字兼容的集成器件，只需在其外部配上少量的阻容元件，就可以构成单稳、多谐振荡器、施密特触发器等脉冲电路。由于它使用灵活、方便，电源范围大，因而广泛地应用在波形产生、变换、测量与控制等方面。图6-4为它的内部结构图。其中，三极管T起开关控制作用 为同相比较器， 为反相比较器， 和 比较器的基准电压由电源电压 及内部电阻的分压比决定。RS触发器具有复位控制功能，可以控制T的导通与截止。,图6-4 555定时器的内部结构图,（2） 555定时器的典型应用,555定时器可构成多谐振荡器、单稳触发器、施密特电路等。图6-5是555定时器构成的多谐振荡器电路。图中， 、C为定时元件，是输出信号。电路的振荡周期为：,占空比为：,以上两式中， 为正方波宽度， 为负方波宽度。,图6-5 555构成的多谐振荡器电路,图6-6 555构成的单稳触发器电路,图6-6是555定时器构成的单稳触发器电路。图中，R、C为外接定时元件，触发信号 加在低触发端（引脚2）。单稳触发器的主要用途是对脉冲波形进行整形、延时、定时或分频。单稳触发器输出的脉冲宽度 ，由下式计算：,施密特触发器主要用于波形变换与脉冲整形，可以将边沿变化缓慢的周期性信号变换成矩形脉冲，或者将不规则的电压波形整形为矩形波。图6-7为施密特触发器电路图。,图6-7 555构成施密特触发器,四 实验内容,（一） 基本命题 给定器件为四2输入与非门(74LS00)1只，555定时器1只，电阻、电容若干。 1.用74LS00和电阻、电容构成微分型单稳态触发器，记录入输出波形，并测出电路的各项技术指标：脉冲宽度，输出脉冲的高、低电平值。 2用74LS00和电阻、电容构成积分型单稳态触发器，记录输入、输出波形，并测出电路的各项技术指标：脉冲宽度 ，输出脉冲的高、低电平值。 3用74LS00和电阻、电容构成多谐振荡器电路，要求振荡周期 ，记录输入、输出波形，并测出电路的各项技术指标：振荡周期T，输出脉冲的高、低电平值。 4用555定时器和电阻、电容构成多谐振荡器电路，要求振荡频率 ，记录 波形，并记录的各项技术指标：振荡周期T，占空比D，输出脉冲的高、低电平值。,(二）扩展命题,给定器件为555定时器2只，电阻、电容若干，扬声器1只。 1用555定时器和电阻、电容构成施密特触发器，给电路输入端加入三角波，记录输入、输出波形。 2用555定时器和电阻、电容构成单稳态触发器，记录输入、输出波形，并测出电路的各项技术指标：脉冲宽度 ，输出脉冲的高、低电平值。 3用两只555定时器和电阻、电容设计一个模拟声响电路，要求扬声器发出1KHZ的间歇声响。,Thank You!,