第4章数字电路实训.docx
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第4章数字电路实训
第四章数字电路实训
目标规划
（一）知识目标：
巩固和加深对数字电路课程理论知识的理解，将数字电路与其它实践应用内容进行综合，并转化为实践技能，可以提高数字电子技术应用能力。
（二）技能目标：
培养学生的实践技能和动手操作能力，培养学生从电路的识图、制作到调试、维修等的完整的电子制作的全过程。
第一节集成门电路
一、集成门电路功能测试
1、实训目的
（1）学习双踪示波器及数字电路实训箱的使用方法；
（2）学习COMS门电路和TTL门电路功能的测试方法；
（3）学习门电路多余输入端的处理方法；
（4）学习实训数据的分析处理方法；
2、实训原理，基础知识
图4.1.1门电路符号
与非门、或非门是构成数字电路的基本单元。
它也可看作是一种条件开关。
在一定条件下它能允许信号通过，条件不满足时，信号就不能通过。
门电路的输出与输入之间存在着一定的逻辑关系。
所以又叫逻辑门电路。
基本的逻辑门电路有“与”门、“或”门、与非门、或非门、“非”等，由于目前新旧符号及国外符号比较混杂，在图4.1.1将新旧符号及国外符号一并画出，作为识图的参考。
（1）认识门电路
A.“或非”门
“或非”门是执行“或非”功能的逻辑部件，其逻辑关系的特点是：
只有当全部输入端都为低电平时，输出端才为高电平;只要有一个输入端是高电平，输出端就输出低电平。
例如2输人端“或非”功能的逻辑表达式可写成：
Y=________A+B，其中A和B为两个输入端，Y为输出端。
逻辑图如图4.1.1a所示.。
CMOS4000系列“或非”门有四种型号，分别是四2输入“或非”门CD4001、双4输入“或非”门CD4002、三3输入“或非”门CD4025和8输入“或非/或"门CD4078，其引脚功能如图4.1.2所示。
上述“或非”门名称中，前一个中文数字代表一个封装中此类门的个数，中文数字之后的阿拉伯数字代表每个字之后的阿拉伯数字代表每个门的输入端的个数。
如三3输入“或非”门CD4025，表示CD4025这集成电路含有“三”个“或非”门，每个“或非”门有“3”个输入端。
三个“或非”门共用一组电源VDD和VSS，其余功能均是独立的。
引脚功能图中有的引脚标注为“NC"，表示内部无连接，为空脚。
图4.1.2集成电路或非门引脚
在这4种集成电路中，CD4078有些特殊，即它有Y和___Y两个输出端，由以前学过的“关于否定的性质”可知，若输出Y对于输入是“或非”关系，则Y对于输入便是“或”关系，因此称CD4078为“或非/或”门。
B.“与非”门
“与非”门是执行与非功能的逻辑部件，其逻辑关系的特点是:
只有当全部输入端都处于高电平时，输出端才呈现低电平;只要有一个输入端处于低电平，输出端就输出高电平。
例如，2输入端“与非”功能的逻辑关系式可写成Y=___A___B,其中A和B为两个输入端，Y为输出端，逻辑图如前图4.1.1b如示。
CMOS4000系列“与非”门有四种型号，分别是四2输入“与非”门CD4011、三3输入“与非”门CD4023、双4输入“与非”门CD4012、3输入“与非/与”门CD4068。
大家可能已经注意到“与非”门和“或非”门的型号之间有一定的对应规律，可以利用这种规律记忆一些常用型号，以便在设计电路时随手拈来，熟练应用。
4种“与非”门的引脚功能如图4.1.3所示。
如同前述。
CD4068亦可作为“与”门使用。
图4.1.3集成电路与非门引脚
C.“或”门和“与”门
“或”门是执行“或”功能的逻辑部件，其逻辑关系的特点是：
只有当全部输入端都处于低电平时，输出端才输出低电平;只要有一个输入端出现高电平，输出端便为高电平.例如，2输入端“或”功能的关系式为：
Y=A+B。
相应的逻辑图如图图4.1.1c所示。
CMOS4000系列“或”门有3种型号:
四2输入“或”门CD4071、三3输入“或”门CD4075、双4输入“或”门CD4072。
引脚功能如图图4.1.4所示.
图4.1.4集成电路或门引脚
“与”门是执行“与”功能的逻辑部件，其逻辑关系的特点是:
只有当全部输入端都处于高电平时，输出端才为高电平，只要有一个输入端是低电平，输出端就处于低电平。
例如，2输入端“与”门的逻辑关系式为:
Y=A·B。
逻辑图如图图4.1.1d所示。
CMOS4000系列“与”门有3种型号：
四2输入“与”门CD4081、三3输入“与”门CD4073、双4输入“与”门CD4082。
引脚功能如图4.1.5所示。
图4.1.5集成电路与门引脚
D.反相器
反相器是执行逻辑反相功能的电路。
CD4069、CD40106为六反相器电路，其中CD40106有斯密特触发器反相器电路，每一个反相器单元都由最基本的单级反相器线路构成。
它主要用于CMOS逻辑系统的反相操作，在不要求电平变换的情况下，也可用来直接驱动TTL电路。
此外，它还可用于脉冲整形、振荡器和高输人阻抗的电压放大器等。
CD4069的引脚功能如图4.1.6所示。
图4.1.6集成反相器引脚
E、“多余”和“欠缺”输入端的处理办法
在实际应用中经常碰到一些门电路的输人端“多余”或“欠缺”的情况。
例如需要一个2输入“与非”门，而只有一个3输入“与非”门可以利用，这就是输入端“多余”;而需要一个3输入“与非”门，却只有一个2输入“与非”门可以利用，则为“欠缺”。
“多余”输入端的处理方法有两种。
如果电路的工作速度不高、功耗也不需要特别考虑，可将多余的输入端与使用端并接使用。
另外一种办法是根据电路的功能分别处置.例如“与”门和“与非”门的多余输入端应接至VDD，而“或”门和“或非”门的多余输入端应接至VSS。
当电路中“欠缺”输入端时，可利用二极管的单向导电性进行扩展。
图4.1.7是“与非”门扩展输入端的电路，对于“与”门也同样适用。
扩展后逻辑表达式为:
Y=___________ABCD，相当于变成了一个4输入端的“与非"门。
图4.1.7图4.1.8
图4.1.8是“或非”门扩展输入端的电路，对于“与”门也同样适用。
扩展后逻辑表达式为:
Y=_____________________A+B+C+D，相当于变成了一个4输入端的“或非”门。
这种扩展方法在一些小型电子产品设计中很有用，可以缩小体积、降低成本。
3、实训仪器和设备
（1）万用表1块
（2）SR8（或其它型号）双踪示波器1台
（3）直流稳压电源1台
（7）面包板1块
（8）各色导线若干，常用工具1套
这里先提一下实训用面包板，面包板如图4.1.9所示。
图4.1.9面包板
面包板中间有一道横沟，将双列直插封装的集成电路骑跨在沟上，引脚插入相应的小孔内。
沟的上下各有五行孔：
A～E,F～J以及60-65列孔，每一行孔的各孔间是不导通的。
但每一列的5个小孔是相互导通的。
电路中的电阻、电容、电感、晶体管等元件可直接插入小孔内形成电路，其它连接采用直径为0.5mm左右的单股导线，一般要准备4至5种颜色的导线。
面包板的最上面和最下面各有一行孔，即X和Y行，它们是供连接正负电源的。
一般上面为正，下面为负。
X行和Y行中间可能分成两段或三段，段与段之间不导通，必要时可用连线把各段连接起来形成一条正电源线和一条负电源线。
面包板的最大特点是使用方便、无需焊接、元器件可反复使用。
缺点是容易接触不良，元器件引脚之间容易触碰短路，使用中要多加注意。
4、实训内容和步骤
（1）集成电路引脚识别
将集成电路有字面朝上，将有缺口或有记号部位向左边，左下角第一脚就是引脚“1”，其它引角逆时针方向数即可。
如图4.1.10所示，数字集成电路的下面一排的最后一个角是Vss端，通常接电源负极，上面一排最后一个脚则是VDD端，接电源的正极。
图4.1.10集成电路引脚识别
将COMS与非门CC4011、TTL或非门74LS02分别按图4.1.11连接输入端分别接逻辑开关，输出端分别接发光二极管。
图4.1.11与非门和或非门接线电路
5、实训器材
表4.1.1
图形符号
元件名称
型号参数
实物图
IC
二输入四与非门
CC4011
二输入四或非门
74LS02
开关
R
电阻
300
发光二极管
6、实训步骤
（1）、改变输入状态的高、低电平，观察发光二极管的亮灭，并将输出的状态填入表4.4.2中；
（2）、将A输入端分别接地、电源端、悬空、与B端并接，观察B端输入信号分别为高、低电平时相应输出端的状态，并将输出的状态填入表4.1.3中；
表4.1.2
输入AB
输出CC4011Y1
输出74LS02Y2
00
01
10
11
逻辑表达式
逻辑功能
表4.1.3
输入
输出
A
B
CC4011Y1
74LS02Y2
接地
0
1
接电源
0
1
悬空
0
1
A、B并接
0
1
7、实训注意事项
（1）注意正确连线，集成电路电压极性；
（2）要正确使用万用表测量；
（3）要正确使用直流稳压电；
（4）在实训过程中要遵守实训规则，注意人身安全；
8、实训报告要求
实训报告要包含以下内容
（1）实训名称：
（2）实训目的：
（3）实训原理：
简单说明原理，并附上实训电路图。
（4）实训仪器、仪表、设备：
请在实训时记录下各仪器、仪表的名称、型号、规格、数量和备注等；
实训内容和步骤：
简略叙述完成实训的关键步骤，分析比较实训结果，写出实训结论；
9、课后延伸
（1）实训思考题：
通过实训过程，门电路的有哪些功能？
（2）数字集成电路的引脚功能有哪些特点；
（3）COMS门电路与TTL门电路有什么区别？
（4）若用与或非门实现________________AB+CD功能，多余输入端应如何处理？
二、门电路逻辑功能及测试
1、实训目的
熟悉门电路逻辑功能
（1）熟悉数字电路学习使用方法。
（2）了解数字电路构成振荡器的方法及用处
（3）熟悉双踪示波器的使用方法；
（4）掌握与门电路的逻辑功能及其特点；
2、实训原理
本实训由五个小电路组成，见图4.1.12～4.1.16。
第一个振荡器电路如图4.1.12所示。
“非”门1和“非”门2组成最简单的脉冲振荡器。
图4.1.12
为显示直观，将振荡频率选得较低，并增加三极管驱动发光二极管LED闪光，以准确判断出振荡状态。
图4.1.12电路中的脉冲周期为T=2.2R2C1，振荡频率f=0.45R2C1。
当电阻R的单位用“欧姆”、电容C的单位用“法拉”时，所得频率f的单位为“赫兹”。
由此，图4.1.12电路的振荡频率f=0.45Hz。
接在“非”门1输人端的电阻R1为补偿电阻，主要用于改善由于电源电压变化而引起的振荡频率不稳定。
一般取R1>2R2。
改变图4.1.12中的R2或C2的数值，振荡频率会相应地发生变化。
实验时可多替换几组RC，以加深印象。
应注意:
当振荡频率高于20Hz时，发光二极管LED的闪动就不明显了，人眼的惰性所致。
此时可以用扬声器代替发光二极管，电路如图4.1.13改变电阻R的数值，可明显听出扬声器音调的变化。
图4.1.13
上面二个图中的“非”门可使用CD4069，使用其中的任意两个“非”门即可。
要注意电源输入VDD、VSS一定要接上，虽然图中未画，但电源是必不可少的。
电源可使用各种电池或直流稳压电源，一般选6～9V。
除了利用“非”门组成振荡器之外，利用“与非”门和“或非”门也同样可以组成相同的振荡器。
实际上把“与非”门和“或非”门的各输入端并接在一起就成了“非”门，就可以如图4.1.14一样组成脉冲振荡器.而且利用其中的某个输入端，还可组成“可控振荡器”，如图4.1.14。
在图4.1.14（a）中，两个“与非”门组成振荡器，但仅当“与非”门1的输入A为高电平时，电路才振荡；当A为低电平时，电路停振。
所以，A点输入电平的高低可控制振荡器的工作与否。
在图4.1.14（b）中，两个“或非”门组成振荡器，但只有当“或非”门1的输入A为低电平时，电路才能振荡；当A为高电平时电路停振，所以也组成一个可控振荡器。
图4.1.14
另外，当A点输入的是另外一个频率较低的脉冲振荡信号时，就形成了低频振荡信号对高频振荡信号的调制，如图4.1.15（a）所示。
图4.1.15
图4.1.16
波形见图4.1.15（b），图4.1.15（a）电路可作为警报声源，听起来是断续的“嘟、嘟、…”声，要比连续的“嘟一”声更易引起人们注意。
此外，图4.1.15（a）电路还可以用作红外载波发射电路，当然，R、C的数值要改变，高颇振荡器振荡频率要在38kHz左右，低颇振荡信号作为数据去调制38kHz振荡信号。
上面都是用RC组成的多谐振荡器，频率稳定度比较底，在频率稳定要求高的时钟电路中还可以利用“非”门的晶体振荡电路来实现所需的时钟信号，如图4.1.16所示。
需要着重说明的是，利用CMOS门电路做振荡器使用时，其工作电压不应低于4.5V，否则电路有停振的可能。
3、实训仪器和设备
（1）面板板1块；
（2）SR8（或其它型号）双踪示波器1台；
（3）万用表1只；
（4）直流稳压电源1台
（5）各色导线若干，常用工具1套
4、实训器材和步骤
（1）实训器材见表4.1.3
表4.1.3
图形符号
元件名称
型号参数
实物图
IC
二输入四与非门
CC4011
二输入四或非门
CD4001
六反相器
CD4069
JT
晶振
32768Hz
K1、K2
拔动开关
电阻
10M×1、220k×4、100k×4、10k×4、68k×2、1k×1
电解电容
10uF×2、
涤伦电容
0.1×4
瓷片电容
50pF×1、10pF×1
扬声器
8Ω
发光二极管
实训时，按上面各图分别自己设计的实训接线图连线，特别注意Vcc及地线不能接错。
线接好后必须经检查无误方可接通电实训。
实训中改动接线须先断开电源，接好后再通电实训。
连接好图4.1.12中的元件接上电源，发光二极管应一亮一暗的发光。
连接好图4.1.13中的元件接上电源，扬声器会发出声音。
其它电路连接后通过示波器来进行测量其波形，将图4.1.14a的A端接正极，图4.1.14b的A端接地，双踪示波器的二个探头分别接图4.1.14a与图4.1.14b的B端应可测量出方波，然后将二个A端倒过来连接，原来接正的接地，接地的接正，这时示波器就没有波形。
将示波器二个探头分别接图4.1.15的A、B端，可以看到图4.1.15b的波形。
将示波器一个探头接图4.1.16A端，调整示波器的扫描时间，可以看到振荡波形。
（2）实训注意事项
A、要正确联接数字电路；
B、要正确使用双踪示波器一只；要正确使用直流稳压电；
C、在实训过程中要遵守实训规则，注意人身安全，避免设备的损坏。
5、实训报告要求
实训报告要包含以下内容
（1）实训名称：
（2）实训目的：
（3）实训原理：
简单说明原理，并附上实训电路图。
（4）实训仪器、仪表、设备：
请在实训时记录下各仪器、仪表的名称、型号、规格、数量和备注等；
（5）实训内容和步骤：
简略叙述完成实训的关键步骤，分析比较实训结果，写出实训结论；
6、课后延伸
（1）实训思考题：
通过实训，简述门电路振荡器的特点；
第二节集成组合逻辑电路
一、组合逻辑电路功能测试
1、实训目的
（1）通过实训熟悉组合逻辑电路的特点及一般分析、设计方法；
（2）通过实训理解逻辑函数的最简表达式与逻辑电路的关系；
2、实训原理
与非门、异或门是组成组合逻辑电路的基本元件，设计一个组合逻辑电路的步骤主要有：
首先要列出满足系统功能要求的真值表→接着依据真值表写出逻辑函数表达式→再利用卡诺图或逻辑代数的基本定律将逻辑函数式化成最简的表达式→最后根据最简的表达式画出逻辑电路。
3、实训仪器和器材
（1）MF47型万用表1块；
（2）SR8（或其它型号）双踪示波器1台
（3）直流稳压电源1台
（4）74LS00二输入四与非门2片
（5）1×2开关3个
（6）面包板1块
（7）各色导线若干，常用工具1套
4、实训内容和步骤
（1）用2片74LS00组成图4.2.1所示逻辑电路。
为便于接线检查，在图中要注明芯片编号及各引脚对应的编号。
（2）图中A、B、C接电平开关，Y1、Y2接发光管电平显示。
（3）按表4.2.1给定的电平要求，改变A、B、C的状态，测量输出端信号值填入表4.2.1并分别写出Y1、Y2的逻辑表达式。
表4.2.1
输入
输出
A
B
C
Y1
Y2
0
0
0
0
0
1
0
1
1
1
1
1
1
1
0
1
0
0
1
0
1
0
1
0
（4）将理论运算结果与实训结果进行分析比较。
图4.2.1组合逻辑电路功能测试
Y1＝Y2＝
5、实训注意事项
1、要注意集成门电路多余引脚的处理方式；
2、电路图中要标明各引脚的编号，连接时不要接错；
3、组合电路时要注意各引脚的接通情况，要避免虚接；
4、要注意逻辑电路中的竞争及其险象；
6、实训报告要求
实训报告要包含以下内容
（1）实训名称：
（2）实训目的：
（3）实训原理：
简单说明原理，并附上实训电路图。
（4）实训仪器、仪表、设备：
请在实训时记录下各仪器、仪表的名称、型号、规格、数量和备注等；
（5）实训内容和步骤：
简略叙述完成实训的关键步骤，分析比较实训结果，写出实训结论；
7、课后延伸
（1）总结组合逻辑电路的一般分析和设计方法；
（2）分析逻辑函数的最简表达式与逻辑电路的关系；
（3）如何用74LS00二输入四与非门实现异或非门的逻辑功能（要写出逻辑表达式、画出电路图）
第三节 译码器和数据选择器
一、实训概要
译码器通常是一种组合电路，其工作状态的改变无需依赖时序脉冲。
这里介绍的译码器分为数码译码器和显示译码器两大类，其中包括一些多功能译码电路，如将计数、锁存和译码单元集成在同一芯片上的产品（这种计数器和时序脉冲有关）;也包括与译码操作相反的编码器。
1、实训总体要求
通过实训，要进一步理解集成组合逻辑译码电路的工作原理；掌握译码电路的设计方法和步骤：
能据最简与一或表达式和所用的逻辑门器件画出逻辑电路图。
逻辑电路一般使用电性能较好的复合逻辑门，即与非门、或非门、与或非门和异或门。
2、实训重点
熟悉译码电路的功能特点、结构特点，学习译码电路的一般分析、设计及实现方法，要注意将逻辑函数式化成最简的逻辑函数表达式。
掌握译码电路的功能测试方法。
3、实训知识准备
（1）预习74LS138译码电路的分析方法；
（2）预习数据选择器的分析方法；
（3）预习BCD一锁存/7段译码/驱动器的工作原理
（4）预习二一十进制计数/锁存//7段译码/驱动器
4、实训达到目标
（1）掌握译码电路的一般分析、设计方法；
（2）掌握译码电路功能的测试方法；
（3）了解译码器和数据选择器的分析设计方法；
二、集成译码器74LS138
1、实训目的
（1）了解译码器的工作原理和电路实现；
（2）学习集成译码器74LS138的使用方法；
（3）了解数据选择器的电路构成和工作原理
（4）熟悉集成数据选择器的逻辑功能及应用
2、实训原理
译码的功能是对给定的输入代码进行翻译，将其变换成输出端的一组高、低电平信号，当事先认定高电平有效时（当然也可以认定低电平为有效电平，但两者必居其一），对每一种可能的输入组合会有一个、也仅有一个输出端的电平为有效电平。
这样也就建立了输入代码与输出代码之间的一一对应关系。
实现译码的器件叫译码器。
数据选择器又称多路选择器,是从多通道的数据中选择某一通道的数据送到输出端的器件。
它在地址码（或称选择控制码）电位的控制下，从几个数据输入源中选择一个，并将其送到一个公共端输出。
3、实训仪器和器材
（1）SR8（或其它型号）双踪示波器1台
（2）函数信号发生器1台
（3）直流稳压电源1台
（4）74LS1383－8译码器1片
（5）74LS153双4选1数据选择器1片
（6）74LS00二输入端四与非门1片
（7）74LS32二输入端四或门1片
（8）1×2拨动开关5个
（9）300Ω电阻8只
（10）发光二极管8只
（11）面包板 1块
（12）各色导线若干，常用工具1套
4、实训内容和步骤
（1）集成译码器74LS138电路测试
A、74LS138为3－8线译码器，将输入C、B、A分别接高低电平开关，用于选择y0—y7中的一个；
B、输出y0――y7分别接8只发光二极管，用于指示y0――y78只引脚的输出高低电平的情况；
C、使能端G1、G2A、G2B按表4..3.1要求接入高低电平，并将测试结果填入表4..3.1中。
a.74LS138引脚功能
b.74LS138功能测试图
图4.3.174LS138为3线－8线译码器
表4.3.1
输入
输出
使能
选择
Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y7
G1G2AG2B
C、B、A
100
000
100
001
100
010
100
011
100
100
100
101
100
110
100
111
（2）数据选择器的测试
（1）、将双4选1数据选择器74LS153参照图4.3.2接线，测试数据选择器功能并填写功能表4.3.2中
图4.3.2数据选择器74LS153测试电路
（2）、将学习机脉冲信号源分别输出固定的4个不同频率的连续脉冲信号，接到数据选择器4个数入端，将选择端置位，于是输出端可分别观察到4种不同频率的脉冲信号。
（3）分析上述实训检测结果，并总结数据选择器的作用
表4.3.2
选择端
数据输入端
输出控制
输出
B
A
C0
C1
C2
C3
G
Y
X
X
X
X
X
X
1
0
0
0
X
X
X
0
0
0
1
X
X
X
0
0
1
X
0
X
X
0
0
1
X
1
X
X
0
1
0
X
X
0
X
0
1
0
X
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