数字电路实验和课程设计实验指导书.docx

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数字电路实验和课程设计实验指导书

数字电路实验与课程设计实验指导书

孟宇

2005.1

《数字电路实验与课程设计》实验教学大纲

课程名称：

数字电路实验与课程设计课程编号：

05020290

英文名称：

DigitalCircuitExperimentandCourseDesign课程性质：

必修

课程学时：

32实验学时：

实验课开课学期：

面向专业：

电子信息科学与技术

一、实验目的和任务

《数字电路实验》属于《数字电路》课程理论联系实际的实验课程。

目的是使学生通过该实验课程的学习进一步加深对理论课程的理解，掌握数字电路设计的基本技能、熟练掌握数字信号的测量方法；通过该实验课程进一步培养学生独立分析问题和解决问题的能力。

努力培养学生的创新精神和创新能力。

二、实验教学的基本要求

本实验课程主要以常规的TTL、CMOS小规模数字电路器件为基础，通过本实验课程的学习使学生能够：

1．熟练掌握组合逻辑的测量方法与设计方法，了解组合逻辑电路的典型应用。

2．熟练掌握基本的时序逻辑的测量方法和设计，了解时序逻辑电路的典型应用。

3．基本掌握数字电路的综合应用。

三、实验项目基本情况

实验教学环节，12学时，学生可以根据所学内容，自拟实验项目，完成方案设计，实际电路搭建、调试，对有能力的同学，提供上机仿真及实际焊接电路的条件；

课程设计环节，20学时，学生可以根据所学内容，自拟实验项目，完成方案设计、开题报告，调试，设计总结答辩。

有兴趣的同学可以绘制原理图及印刷电路板图，并进行电路仿真，实际电路焊接，调试完成设计任务，提交总结报告。

1、必做实验

序

号

实验项目名称

内容提要

实验

学时

实验

类型

实验地点

组合逻辑电路设计与调试

编码、译码等逻辑电路设计与调试

设计

电学中心

触发时序电路设计与调试

触发器、计数器、移位寄存器应用电路与调试

设计

电学中心

脉冲波形产生电路设计与调试

振荡器、单稳电路，555时基电路及其应用设计与调试

设计

电学中心

2、选做实验

序

号

实验项目名称

内容提要

实验

学时

实验

类型

实验地点

数字万用表

设计与实现

用于测量电压、电流、电阻、功率等

综合

电学中心

自拟实验题目

利用所学数字电路知识，实现设计功能并调试成功

综合

电学中心

四、考核方式

考核采用，平时实验表现占总成绩的80％，实验报告占成绩的20％。

1.平时实验主要考察学生对实验电路的设计难易程度、电路连接调试、问题解决的能力，是否能够达到设计要求。

2.开题报告情况，设计总结答辩情况。

3.实验报告主要考察学生对实验涉及的理论知识的掌握，对实验得到的结论和现象是否能够正确理解和分析，并能够合理的解释实验中出现的问题，正确判断实验的成功、失败。

五、实验教材或实验指导书

《教材名称》作者出版社出版日期

《数字电路实验与课程设计指导书》孟宇2005

电子电路的设计基本步骤

1、明确设计任务要求：

充分了解设计任务的具体要求如性能指标、内容及要求，明确设计任务。

2、方案选择：

根据掌握的知识和资料，针对设计提出的任务、要求和条件，设计合理、可靠、经济、可行的设计框架，对其优缺点进行分析，做到心中有数。

3、根据设计框架进行电路单元设计、参数计算和器件选择：

具体设计时可以模仿成熟的电路进行改进和创新，注意信号之间的关系和限制；接着根据电路工作原理和分析方法，进行参数的估计与计算；器件选择时，元器件的工作、电压、频率和功耗等参数应满足电路指标要求，元器件的极限参数必须留有足够的裕量，一般应大于额定值的1.5倍，电阻和电容的参数应选择计算值附近的标称值。

4、电路原理图的绘制：

电路原理图是组装、焊接、调试和检修的依据，绘制电路图时布局必须合理、排列均匀、清晰、便于看图、有利于读图；信号的流向一般从输入端或信号源画起，由左至右或由上至下按信号的流向依次画出各单元电路，反馈通路的信号流向则与此相反；图形符号和标准，并加适当的标注；连线应为直线，并且交叉和折弯应最少，互相连通的交叉处用圆点表示，地线用接地符号表示。

电子电路设计性实验报告撰写

设计性实验报告主要包括以下几点：

1．课题名称

2．内容摘要

3．设计内容及要求

4．比较和选择的设计方案

5．单元电路设计、参数计算和器件选择

6．画出完整的电路图。

并说明电路的工作原理

7．组装调试的内容，如使用的主要仪器和仪表、调试电路的方法和技巧、测试的数据和波形并与计算结果进行比较分析、调试中出现的故障、原因及排除方法

8．总结设计电路的特点和方案的优缺点，指出课题的核心及实用价值，提出改进意见和展望

9．列出元器件清单

10．列出参考文献

11．收获、体会

实际撰写时可根据具有情况作适当调整。

数字电路实验箱使用手册

1.信号源：

面板上有五个频率输出点，分别为1MHz、100KHz、10KHz、1KHz、1HZ可用作信号源。

2.指示灯：

L0—L11十二个指示灯可作为输出指示，当输出为高电平时红灯亮，当输出为低电平时绿灯亮。

3.数码管：

板上共有数码管六个，其对应的输入为8421码的数据线，分别为Dx、Cx、Bx、Ax下标分别对应六个数码管，数码管为共阴极，对应的公共端为LEDx，将LEDx接地对应的数码管点亮，用Dx、Cx、Bx、Ax进行编码，得到从“0——9”的显示

4.单脉冲：

板上有单脉冲输出端分别为P+、P-,当按下相应按键时P+由低变高，P-由高变低。

5.电源：

除+5v电源外，在箱子的正上方有两个可调电源输出端口。

分别在+5~+15及-5~-15范围内可调。

6.开关：

在箱子的右下方有k0—k11十二个拨动开关。

拨下输出低电平，拨上输出高电平。

实验一组合逻辑电路的设计与测试

●目的：

掌握单元电路、组合逻辑电路的设计、及其测试方法

●使用中、小规模集成电路来设计组合电路是最常见的逻辑电路。

设计组合电路的一般步骤是

（1）根据设计任务的要求，列出真值表。

（2）用卡诺图或代数化简法求出最简的逻辑表达式。

（3）根据逻辑表达式，画出逻辑图，用标准器件构成电路。

（4）最后，用实验来验证设计的正确性。

●必须使用器件：

全加器、译码器、编码器、数码显示器、选择器、门电路等

●设计内容参考：

1．设计一个四人无弃权表决电路（多数赞成则提案通过）本设计要求采用四2输入与非门实现。

要求按本文所述的设计步骤进行，直到测试电路逻辑功能符合设计要求为止。

2.设计一个保险箱的数字代码锁，该锁有规定的地代码A、B、C、D的输入端和一个开箱钥匙孔信号E的输入端，锁的代码由实验者自编（例如1001）。

当用钥匙开箱时，如果输入代码符合该锁设定的代码，保险箱被打开，如果不符，电路将发出报警信号。

要求使用最少的与非门来实现，检测并记录实验结果。

[提示：

实验时锁被打开，用实验箱上的继电器吸合与LED发光二极管点亮表示；在未按规定按下开关键时，防盗蜂鸣器响]。

3．设计一个对两个两位无符号的二进制数进行比较的电路；根据第一个数是否大于、等于、小于第二个数，使相应的三个输出端中的一个输出为“1”。

4.用多片74LS138组合成一个四线一十六线译码器，自拟实验线路，进行实验和记录。

5．二一十进制译码器，选取二一十进制译码器CD4028，将自定义的二进制数译成十进制数，自拟实验线路，进行实验和记录。

●1-3任选其一必做，2-4任选其一必做，自拟题目选作。

●预习要求

根据实验任务要求先设计单元电路，然后再组合电路，并根据所给的标准器件画出逻辑图。

●报告要求

参考设计报告撰写规范，根据具有情况作适当调整。

实验二触发时序电路设计与调试

●目的：

掌握基本RS、JK、D和T触发器的逻辑功能，掌握集成触发器的使用方法和逻辑功能的测试方法。

熟悉触发器之间相互转换的方法。

掌握中规模集成计数器的使用方法及功能测试方法，熟悉移位寄存器的应用一构成串行累加器和环形计数器

●必须使用器件：

触发器、计数器、分频器、移位寄存器、数码显示器、门电路等

●设计内容参考：

1.掌握中规模4位移位寄存器逻辑功能及使用方法，

2.熟悉集成时序脉冲分配器的使用方法及其应用，

3.三位数累加运算，

4．运用集成计数器构成1／N分频器。

●1-2任选其一必做；3-4任选其一必做。

或自拟题目。

●预习要求

根据实验任务要求先设计单元电路，然后再组合电路，并根据所给的标准器件画出逻辑图。

●报告要求

参考设计报告撰写规范，根据具有情况作适当调整。

实验三脉冲波形产生电路设计与调试

●实验目的

●1．熟悉555型集成时基电路的电路结构、工作原理及其特点，

●2.掌握555型集成时基电路的基本应用

●实验原理

集成时基电路称为集成定时器，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，其应用十分广泛。

它是一种产生时间延迟和多种脉冲信号的电路，由于内部电压标准使用了三个5K电阻，故取名555电路。

其电路类型有双极型和CMOS型两大类，二者的结构与工作原理类似。

几乎所有的双极型产品型号最后的三位数码都是555或556；所有的CMOS产品型号最后四位数码都是7555或7556，二者的逻辑功能和引脚排列完全相同，易于互换。

555和7555是单定时器。

556和7556是双定时器。

双极型的电源电压VCC＝+5-+15，输出的最大电流可达200mA，CM03型的电源电压为+3-+18V。

1．555电路的工作原理

555电路的内部电路方框图如图15—1所示。

它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关管T，比较器的参考电压由三只5K的电阻器构成分压器提供。

它们分别使高电平比较器A1的同相输入端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为2/3Vce和1/3VCC。

A1与A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。

当输入信号自6脚，即高电平触发输入并超过参考电平2/3VCC时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3VCC时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电开关管截止。

RD复位端，当RD＝0，555输出低电平。

平时RD端开路或接VCC。

Vc是控制电压端（5脚），平时输出2/3VCC作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一0.01μf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。

T为放电管，当T导通时，将给接于7脚的电容器提供低阻放电通路。

555定时器主要是与电阻、电容构成充放电电路，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的通断。

这就很方便地构成从微秒到数十分针的延时电路，可方便地构成单稳态触发器，多谐振荡器，施密特触发器等脉冲产生或波形变换电路。

图15—1555定时器内部框图及引脚排列

2.555定时器的典型应用

（1）构成单稳态触发器

图15—2（a）为由555定时器和外接定时元件R、C构成的单稳态触发器。

触发电路由C1、Rl、D构成，其中D为嵌位二极管，稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T导通，输出端输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号经Cl加到2端。

并使2端电位瞬时低于1/3VCC，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个暂态过程，电容C开始充电，Vc按指数规律增长。

当VC充电到2/3VCC时，高电平比较器动作，比较器A1翻转，输出Vo从高电平返回低电平，放电开关管T重新导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳态，为下个触发脉冲的来到作好准备。

波形图如图15—2（b）所示。

暂稳态的持续时间tw（即为延时时间）决定于外接元件R、C的大小。

Tw＝1.1RC

通过改变R、C的大小，可使延时时间在几个微秒到几十分钟之间变化。

当这种单稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并可以使用复位端（4脚）接地的方法来中止暂态，重新计时。

此外尚须用一个续流二极管与继电器线圈并接，以防继电器线圈反电势损坏内部功率管。

图15—2单稳态触发器

（2）构成多谐振荡器

如图15—3（a）所示由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。

电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外加触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端Ct放电，使电路产生振荡。

电容C在1/3VCC和2/3VCC之间充电和放电，其波形如图15—3（b）所示。

输出信号的时间参数是T＝twl+tw2，twl＝0.7（R1十R2）C，tw2＝0.7R2C。

555电路要求Rl与R2均应大于或等于1KΩ，但R1+R2应小于或等于3.3MΩ。

外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。

因此这种形式的多谐振荡器应用很广。

图15—3多谐振荡器

（3）组成占空比可调的多诸振荡器

电路如图15—4所示，它比图15—3所示电路增如了一个电位器和两个导引二极管。

D1、D2用来决定电容充、放电电流流经电阻的途径（充电时D1

导通，D2截止；放电时D2导通，D1截止。

占空比q=twl/（tw1+tw2）≈0.7RAC/0.7C（RA+RB）=RA/（RA+RB）

可见，若取RA＝RB电路即可输出占空比为50％的方波信号。

图15-4占空比可调的多谐振荡器

（4）组成占空比连续可调并能调节振荡频率的多谐振荡器

电路如图15—5所示。

对C1充电时，充电电流通过R1、D1、W2和W1；放电时通过W1、W2、D2、R2。

当Rl＝R2、W2调至中心点，因充放电时间基本相等，其占空比约为50％，此时调节W1仅改变频率，占空比不变。

如W2调至偏离中心点，再调节W1，不仅振荡频率改变，而且对占空比也有影响。

Wl不变，调节W2，仅改变占空比，对频率无影响。

因此，当接通电源后，应首先调节W1使频率至规定值，再调节W2，以获得需要的占空比。

若频率调节的范围比较大，还可以用波段开关改变C1的值。

电路如图15—6所示，只要将脚2、6连在一起作为信号输入端，即得到施密特触发器。

图15—7示出了VC，Vi和Vo的波形图。

设被整形变换的电压为正弦波VC，其正半波通过二极管D同时加到555定时器的2脚和6脚，得Vi为半波整流波形。

当Vi上升到2/3VCC时，Vo从高电平翻转为低电平；当Vi下降到1/3Vcc时，Vo又从低电平翻转为高电平。

图15—5占空比与频率均可调的多谐振荡器

（5）组成施密特触发器

图15-6施密特触发器

电路的电压传输特性曲线如图15—8所示。

回差电压ΔV＝2/3Vcc-1/3Vcc=1/3Vcc

●实验设备与器件

1．+5V直流电源2．双踪示波器

3．连续脉冲源4．单次脉冲源

5.信号源6．数字频率计

7．0-l指示器8．555、2CKl3×2

9．电位器电阻电容若干

●实验内容

1．单稳态触发器

图15—7波形变换图图15—8电压传输特性

2．多谐振荡器

按典型电路图接线，用双踪示波器观测波形，测定频率。

组成占空比为50％的方波信号发生器。

观测Vc，Vo波形，测定波形参数。

3．施密特触发器

按图15—6接线，输入信号由音频信号源提供，预先调好Vi的频率为lKHz，接通电源，逐渐加大VC的幅度，观测输出波形，测绘电压传输特性，算出回差电压ΔU。

4．利用555定时器设计制作一只触摸式开关定时控制器，每当用手触摸一次，电路即输出一个正脉冲宽度为10S的信号。

试搭出电路并测试电路功能。

5．模拟声响电路

按图15—9接线，组成两个多谐振荡器，调节定时元件，使I输出较低频率，Ⅱ为高频振荡器，连好线，接通电源，试听音响效果。

调换外接阻容元件，再试听音响效果。

图15—9模拟声响电路

●实验预习要求

1.复习有关555定时器的工件原理及其应用。

2.拟定实验中所需的数据、波形表格。

3．如何用示波器测定施密特触发器的电压传输特性曲线?

4.核定各次实验的步骤和方法。

●实验报告

参考设计报告撰写规范，根据具有情况作适当调整。

实验四D／A、A／D转换器

●实验目的

●1．了解A／D和D／A转换器的基本工作原理和基本结构

●2.掌握大规模集成A／D和D／A转换器的功能及其典型应用

●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DAC0832实现D／A转换，ADC0809实现A／D转换。

1．D／A转换器DAC0832

DAC0832是采用CM0S工艺制成的单片电流输出型8位数／模转换器。

器件的核心部分采用倒T型电阻网络的8位D／A转换器，如图17—1所示。

它是由倒T型R—2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四部分组成。

运算的输出电压为

v。

＝VREF·Rf/2nR（Dn-1·2n-1·Dn-2·2n-2…D0·20）

由上式可见，输出电压V。

与输入的数字量成正比，这就实现了从数字量到模拟量的转换。

一个8位的D／A转换器，它有8个输入端，每个输入端是8位二进制数的一位，有一个模拟输出端，输入可有28＝256个不同的二进制组态，输出为256个电压之一，即输出电压不是整个电压范围内任意值，而只能是256

个可能值。

图17—1倒T型电阻网络D／A转换电路

图17—2DAC0832单片D／A转换器逻辑框图和引脚排列

Do—D7：

数字信号输入端

ILE：

输入寄存器允许，高电平有效

CS：

片选信号，低电平有效

WR1：

写信号1，低电平有效

XFER：

传送控制信号，低电平有效

WR2：

写信号2，低电平有效

IOUT1，IOUT2：

DAC电流输出端

Rfb：

反馈电阻，是集成在片内的外接运放的反馈电阻

VREF：

基准电压（-10一10）V

VCC：

电源电压（+5一+15）V

AGND：

模拟地、NGNB：

数字地可接在一起使用

DAC0832输出的是电流，要转换为电压，还必须经过一个外接的运算放大器，实验线路如图17—3展示。

2．A／D转换器ADC0809

ADC0809是采用CNOS工艺制成的单片8位8通道逐次渐近型模／数转换器，其引脚排列如图17-4所示。

IN0—IN7：

8路模拟信号输入端

A2、A1、Ao：

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。

图17—3D／A转换实验线路

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。

ECC：

转换结束输出信号（转换结束标志），高电平有效。

0E：

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电原，VREF（-）接地。

D7—Do：

数字信号输出端

图17-4ADC0809引脚排列

8路模拟开关由A2、A1、Ao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17—1所示。

表17—1

被选模拟通道

IN0

IN1

IN2

IN3

IN4

IN5

IN6

IN7

地

址

●实验设备及器件

●1．+5V、+15V直流电源2．双踪示波器

●3．连续脉冲源4．逻辑电平开关

●5.0—1指示器6．直流数字电压表

●7.DAC0832ADC0809CD4024μA741

●电位器、电阻、电容若干

●实验内容

●1．由CD4024与R—2R倒T型网络实现D／A变换，线路如图17—5锁示。

CP接单次脉冲源，VO接直流数字电压表。

图17—5由CD4024与R—2R组成的D／A转换电路

接通电源，利用R0、Co的清零，使CD4024清零。

每送一个单次脉冲，测量一次V。

，记录之。

2．按图17—3接线，Do—D7接至逻辑开关的输出插口，输出端V0接直流数字电压表。

（1）令Do—D7全置零，调节运放的电位器使μA741输出为零。

（2）按表17—2所列的输入数字信号，用数字电压表到量运放的输出电压Uo，并将测量结果填入表中。

表17—2

输出模拟量V0（V）

VCC=+5V

VCC=+12V

图17—6ADC0809实验线路

3．按图17—6接线，变换结果Do—D7接LED指示器输入插口，CP时钟脉冲由脉冲信号源提供，f＝1KHz。

Ao—A2地址端“0”电平接地，“1”电平通过1KΩ电阻接+5V电源。

按表17—3的要求观察，记录INo—IN7八路模拟信号的转换结果，并将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。

●实验预习要求

1.复习A／D、D／A转换的工作原理

2.熟悉ADC0809、DAC0832各引脚功能，使用方法。

3．绘好完整的实验线路和所需的实验记录表格

4．拟定各个实验内容的具体实验方案

表17—3

被选模

拟通道

输入

模拟量

地址

输出模拟量

Vi（V）

A2A1A0

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