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数字电路实验指导书

数字电路实验基本知识3

数字集成电路封装3

数字电路测试及故障查找、排除4

基本实验6

实验一TTL与非门的参数和特性测试6

实验二TTL、HC和HCT器件的电压传输特性。

实验三基本逻辑门逻辑实验13

实验四三态门、OC门实验15

实验五数据选择器和译码器18

实验六数码管的译码显示电路20

实验七全加器构成及测试24

实验八组合逻辑中的冒险现象26

实验九触发器28

实验十简单时序电路32

实验十一计数器38

实验十二四相时钟分配器42

实验十三通用逻辑阵列（GAL）44

实验十四EPROM存储器46

综合实验48

综合实验一简单电子琴48

综合实验二简易频率计52

综合实验三交通灯实验54

综合实验四电子钟56

附录常用实验器件引脚图59

数字电路实验基本知识

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74LS10、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，采用单一+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。

双列直插封装有以下特点：

图1双列直插式封装图图2PLCC封装图

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，引脚间距不能改变。

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。

数字电路综合实验中，使用的复杂可编程逻辑器件MACH4-64/32（或者ISP1016）是44引脚的PLCC（PlasticLeadedChipCarrier）封装，图2是封装正面图。

器件上的小圆圈指示引脚1，引脚号按逆时针方向增加，引脚2在引脚1的左边，引脚44在引脚1的右边。

MACH4-64/32电源引脚号、地引脚号与ISP1016不同，千万不要插出PLCC插座。

插PLCC器件时，器件的左上角（缺角）要对准插座的左上角。

拔PLCC器件应使用专门的起拨器。

AEDK实验台上的接线采用自锁紧插头、插孔（插座）。

使用自锁紧插头、插孔接线时，首先把插头插进插孔中，然后将插头按顺时针方向轻轻一拧则锁紧。

拔出插头时，首先按逆时针方向轻轻拧一下插头，使插头和插孔之间松开，然后将插头从插孔中拔出。

不要使劲拔插头，以免损坏插头和连线。

必须注意，不能带电插、拔器件。

插、拔器件只能在关断+5V电源的情况下进行。

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。

把线路的输入接电平开关输出，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，主要有四个方面的原因产生问题（故障）：

器件故障、接线错误、设计错误和测试方法不正确。

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-07/11或者SUPERPRO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。

常见的接线错误包括忘记接器件的电源和地；连线与插孔接触不良；连线经多次使用后，有可能外面塑料包皮完好，但内部线断；连线多接、漏接、错接；连线过长、过乱造成干扰。

接线错误造成的现象多种多样，例如器件的某个功能块不工作或工作不正常，器件不工作或发热，电路中一部分工作状态不稳定等。

解决方法大致包括：

熟悉所用器件的功能及其引脚号，知道器件每个引脚的功能；器件的电源和地一定要接对、接好；检查连线和插孔接触是否良好；检查连线有无错接、多接、漏接；检查连线中有无断线。

最重要的是接线前要画出接线图，按图接线。

不要凭记忆随想随接；接线要规范、整齐，尽量走直线、短线，以免引起干扰。

（3）设计错误

设计错误自然会造成与预想的结果不一致，原因是对实验要求没有吃透，或者是对所用器件的原理没有掌握。

因此实验前一定要理解实验要求，掌握实验线路原理，精心设计。

初始设计完成后一般应对设计进行优化。

最后画好逻辑图及接线图。

（4）测试方法不正确

如果不发生前面所述三种错误，实验一般会成功。

但有时测试方法不正确也会引起观测错误。

例如，一个稳定的波形，如果用示波器观察，而示波器没有同步或者同步设置有问题，则造成波形不稳的假象。

因此要学会正确使用所用仪器、仪表。

在数字电路实验中，尤其要学会正确使用示波器。

在对数字电路测试过程中，由于测试仪器、仪表加到被测电路上后，对被测电路相当于一个负载，因此测试过程中也有可能引起电路本身工作状态的改变，这点应引起足够注意。

不过，在数字电路实验中，这种现象很少发生。

但是对于高频电路，示波器探头一般要采用高阻档，否则会造成比较严重的波形失真。

当实验中发现结果与预期不一致时，千万不要慌乱。

应仔细观察现象，冷静思考问题所在。

首先检查仪器、仪表的使用是否正确。

在正确使用仪器、仪表的前提下，按逻辑图和接线图逐级查找问题出现在何处。

通常从发现问题的地方，一级一级向前测试，直到找出故障的初始发生位置。

在故障的初始位置处，首先检查连线是否正确。

前面已说过，实验故障绝大部分是由接线错误引起的，因此检查一定要认真、仔细。

确认接线无误后，检查器件引脚是否全部正确插进插座中，有无引脚折断、弯曲、错插问题。

确认无上述问题后，取下器件测试，以检查器件好坏，或者直接换一个好器件。

如果器件和接线都正确，则需考虑设计问题。

基本实验

实验一TTL与非门的参数和特性测试

一．实验目的

1．熟悉TTL与非门的外型及管脚引线。

2．掌握TTL与非门逻辑功能的测试方法。

3．掌握TTL与非门的主要参数和静态特性的测试方法。

二．实验仪器及材料

1．AEDK-DEC数字电路实验机。

2．万用表一台。

3．TTL四-2输入与非门74LS00一片，1MΩ、100Ω电阻各一只，4.7K、10K可变电阻各一只。

三．预习要求

1.复习TTL与非门的工作原理及逻辑功能。

2．掌握TTL与非门的各参数的定义和各参数的规范值。

3．复习TTL与非门的电压传输特性的内容。

四．实验内容

四-2输入与非门74LS00管脚引线如附录图1所示。

1．输入短路电流Iis

输入短路电流Iis是指：

当一个输入端接地时，而其它输入端开路或接高电平时，流过该接地输入端的电流。

图1-1

输入短路电流Iis与输入低电平电流IiL相差不多，一般不加区分。

将数字万用表调到2000μm（2mA）档，按图1-1接好电路，在输出端空载时，依次将输入端经毫安表接地，测得各输入端的输入短路电流，均应小于0.4mA，并把所得各测填入实验报告相应栏中。

2．高电平输入电流IiH

接图1-2接好线路，将数字万用表调到直流20V档，分别测出R两端电位UA和UB，

应小于规定值，即IiH≤20μA。

3．静态功耗

将数字万用表调到20mA档，按图1-3接好电路，分别测出UO=UOH和UO=UOL时的电源电流ICCH及ICCL，于是：

注意：

74LS00为四与非门，测ICCH，ICCL时，四个门的状态相同，且测得的PO应除以四得出一个门的功耗。

图1-2图1-3图1-4

4．电压传输特性的测试

电压传输特性就是把与非门输出电压UO随输入电压UI的变化用一条曲线表示出来。

即

。

参见实验二。

5．TTL与非门的输出特性

把输出电压与输出电流之间的关系用曲线表示出来，即

就得到输出特性曲线。

输出特性又分输出为低电平和输出为高电平时两种，即

。

（1）输出为高电平时输出负载特性的测试

按图1-5接好电路，调节W2电位器，使IOH（或UOH）为表1-2中所给定的各值时，用万用表测出各对应的电流（或电压）值填入表中。

根据表中数据在实验报告中绘出高电平负载特性曲线

表1-2

IOH（mA）

0.4

UOH（V）

2.4

图1-5图1-6

（2）输出为低电平时输出负载特性的测试

按图1-6接好电路（此时不用电流表），先测出IOL=0时对应的输出电压UOL填入表1-3中。

然后调节电位器W2，使输出电压分别为0.2V、0.3V、0.4V、0.6V、0.8V时，每次都切断电源UCC，分别用万用表测出W2值，然后接式：

分别计算出对应的电流填入表1-3中。

根据表中数据在实验报告中给出低电平负载特性曲线。

表1-3

IOL（mA）

UOL（V）

0.2

0.3

0.4

0.6

0.8

6．计算TTL与非门的带负载能力

在

输出特性中，记下UOL=0.4V时对应的输出电流IOlmax值。

然后计算输出系数：

其中74LS00的电流标准值为：

Iis=0.4mA。

实验二TTL、HC和HCT器件的电压传输特性。

一．实验目的

1．掌握TTL、HCT和HC的传输特性。

2．掌握万用表的使用方法。

二．实验所用器件和仪表

1．六反相器74LS041片

2．六反相器74HC041片

3．六反相器74HCT041片

三．实验说明

与非门的输出电压VO与输入电压VI的关系VO=f（VI）叫做电压传输特性，也称电压转移特性。

它可以用一条曲线表示，叫做电压传输曲线。

从传输特性曲线可以求出非门的下列有用参数：

●输出高电平（VOH）

●输出低电平（VOL）

●输入高电平（VIH）

●输入低电平（VIL）

●门槛电压（VT）

四．实验内容

1．测试TTL器件74LS04一个非门的传输特性。

2．测试HC器件74HC04一个非门的传输特性。

3．测试HCT器件74HCT04一个非门的传输特性。

五．实验提示

1．注意被测器件的引脚7和引脚14分别接地和+5V。

2．将实验台上4.7K电位器W1的一端接地，另一端接+5V。

电位器的中端作为被测非门的输入电压。

旋转电位器改变非门的输入电压值，

3．按步长0.2V调整非门输入电压。

首先用万用表监视非门输入电压，调好输入电压后，用万用表测试非门的输出电压，并记录下来。

六．实验接线图及实验结果

1．

实验接线图

图2-1实验二接线图

由于74LS04、74HC04和74HCT04的逻辑功能相同，因此三个实验的接线图是一样。

下面以第一全逻辑门为例，画出实验接线图（电压表表示电压测试点）如下：

2.输出无负载时74LS04、74HC04、74HCT04电压传输特性测试数据表2-174LS04、74HC04和74HCT04电压传输特性测试数据

输入VI

（V）

输出VO（V）

74LS04

74HC04

74HCT04

0.0

4.3

5.0

0.2

4.3

5.0

0.4

4.3

5.0

0.6

4.3

5.0

0.8

4.3

5.0

1.0

4.3

5.0

0.0

1.2

3.8

5.0

0.0

1.4

1.2

5.0

0.0

1.6

0.1

5.0

0.0

1.8

0.1

5.0

0.0

2.0

0.1

5.0

0.0

2.2

0.1

5.0

0.0

2.4

0.1

2.2

0.0

2.6

0.1

1.8

0.0

2.8

0.1

1.8

0.0

3.0

0.1

0.0

3.2

0.1

0.0

3.4

0.1

0.0

3.6

0.1

0.0

3.8

0.1

0.0

4.0

0.1

0.0

4.2

0.1

0.0

4.4

0.1

0.0

4.6

0.1

0.0

4.8

0.1

0.0

5.0

0.1

0.0

表2-1

3.输出无负载时74LS04、74HC04和74HCT04电压传输特性曲线。

图2-274LS04电压传输性曲线

图2-374HC04电压传输性曲线

图2-474HCT04电压传输性曲线

2．比较三条电压传输特性曲线，说明各自的特点。

尽管只对三个芯片在在输出无负载情况下进行了电压传输特性测试，但是从图2-2、图2-3和图2-4所示的三条电压传输特性曲线仍可以得出下列观点：

（1）74LS芯片的最大输入低电平VIL低于74HC芯片的最大输入低电平VIL，74LS芯片的最小输入高电平VIH低于74HC芯片的最小输出低电平VIH。

（2）74LS芯片的最大输入低电平VIL、最小输入高电平VIH与74HCT芯片的最大输入低电平VIL、最小输出高电平VIH相同。

（3）74LS芯片的最大输出低电平VIL高于74HC芯片和74HCT芯片的最大输出低电平VIL，74LS芯片的最小输出高电平VOH低于74HC芯片的最小输出高电平VOH。

（4）74HC芯片的最大输出低电平VOL、最小输出高电平VOH与74HCT芯片的最大输出低电平VOL、最小输出高电平VOH相同。

在暂时不考虑输出负载能力的情况下，从上述观点可以得出下面的推论：

（1）74HCT芯片和74HC芯片的输出能够作为74LS芯片的输入使用。

（2）74LS芯片的输出能够作为74HCT芯片的输入使用。

实际上，在考虑输出负载能力的情况下，上述的推论也是正确的。

应当指出，虽然在教科书中和各种器件资料中，74LS芯片的输出作为74HC芯片的输入使用时，推荐的方法是在74LS芯片的输出和+5V电源之间接一个几千欧的电阻，但是由于对74LS芯片而言，一个74HC输入只是一个很小的负载，74LS芯片的输出高电平一般在3.5V以上（本实验中为4.5V），因此在大多数的应用中，74LS芯片的输出也可以直接作为74HC芯片的输入。

实验三基本逻辑门逻辑实验

一．实验目的

1．掌握TTL与非门、与或非门和异或门输入与输出之间的逻辑关系。

2．熟悉TTL中、小规模集成电路的外型、管脚和使用方法。

二．实验所用器件和仪器

1．二输入四与非门74LS001片

2．二输入四或非门74LS281片

3．二输入四异或门74LS861片

三．预习要求

1．复习门电路工作原理及相应逻辑表达式。

2．熟悉所用集成电路的引线位置及各引线用途。

3．了解双踪示波器使用方法。

四．实验内容

1．测试二输入四与非门74LS00一个与非门的输入和输出之间的逻辑关系。

2．测试二输入四或非门74LS28一个或非门的输入和输出之间的逻辑关系。

3．测试二输入四异或门74LS86一个异或门的输入和输出之间的逻辑关系。

五．实验提示

1．将被测器件插入实验台上的14芯插座中。

2．将器件的引脚7与实验台的“地（GND）”连接，将器件的引脚14与实验台的+5V连接。

3．用实验台的电平开关输出作为被测器件的输入。

拨动开关，则改变器件的输入电平。

4．将被测器件的输出引脚与实验台上的电平指示灯连接。

指示灯亮表示输出电平为1，指示灯灭表示输出电平为0。

六．实验接线图及实验结果

74LS00中包含4个二与非门，74LS28中包含4个二或非门，74LS86中包含4个异或门，下面各画出测试第一个逻辑门逻辑关系的接线图及测试结果。

测试其他逻辑门时的接线图与之类似。

测试时各器件的引脚7接地，引脚14接+5V。

图中的K1、K2是电平开关输出，L1是电平指示灯。

1．测试74LS00逻辑关系接线图及测试结果

输入

输出

引脚1

引脚2

引脚3

图3-1测试74LS00逻辑关系接线图表3-174LS00真值表

2．测试74LS28逻辑关系接线图及测试结果

输入

输出

引脚2

引脚3

引脚1

图3-2测试74LS28逻辑关系接线图表3-274LS28真值表

3．测试74LS86逻辑关系接线图及测试结果

输入

输出

引脚1

引脚2

引脚3

图3-3测试74LS86逻辑关系接线图表3-374LS86真值表

实验四三态门、OC门实验

一．实验目的

1．掌握三态门逻辑功能和使用方法。

2．掌握用三态门构成总线的特点和方法。

3．掌握OC门逻辑功能和使用方法。

4．初步学会用示波器测量简单的数字波形。

二．实验所用器件和仪表

1．四2输入正与非门74LS001片

2．三态输出的四总线缓冲门74LS1251片

3．六缓冲器/驱动器（OC，高压输出）74071片

4．万用表

5．示波器

三．实验内容

1．74LS125三态门的输出负载为74LS00一个与非门输入端。

74LS00同一个与非门的另一个输入端接低电平，测试74LS125三态门三态输出、高电平输出、低电平输出的电压值。

同时测试74LS125三态输出时74LS00输出值。

2．74LS125三态门的输出负载为74LS00一个与非门输入端。

74LS00同一个与非门的另一个输入端接高电平，测试74LS125三态门三态输出、高电平输出、低电平输出的电压值。

同时测试74LS125三态输出时74LS00输出值。

3．用74LS125两个三态门输出构成一条总线。

使两个控制端一个为低电平。

另一个为高电平。

一个三态门的输入接1MHz信号。

加一个三态门的输入接500KHz信号。

用示波器观察三态门的输出。

4．测出7407芯片出、入端的逻辑功能。

验证在7407芯片中2个OC门输出端并联时，是否实现逻辑与的功能。

四．实验提示

1．三态门74LS125的控制端为低电平有效。

2．用实验台的电平开头输出作为被测器件的输入。

拨动开头。

则改变器件的输入电平。

五．实验接线图和实验结果

1．实验内容1和2接线图

图4-1是实验内容1和2接线图，图中K1、K2和K3是电平开关输出，电压表指示电压测量点。

拨动电平开关K3、K2、K1，则改变74LS00一个与非门输入端、74LS125三态门控制端、三态门输入端的电平。

图4-1实验1和实验2接线图

2．当74LS00引脚2为低电平时，测试74LS125引脚3和74LS00引脚3，结果如下：

三态门输出高电平4.1V

三态门输出低电平0.1V

三态门三态输出0.4V

74LS00引脚3输出4.1V

3．当74LS00引脚2为高电平时，测试74LS125引脚3和74LS00引脚3，结果如下：

三态门输出高电平4.1V

三态门输出低电平0.1V

三态门三态输出1.5V

74LS00引脚3输出0.1V

4．用三态门构成总线接线图

图4-2三态门构成总线

用三态门74LS125构成总线时，只要将三态门输出并联即可，在任何时刻，构成总线的三态门中只允许一个控制端为低电平，其余控制端应为高电平。

图4-2中，K1、K2是电平开关输出。

当K1为高电平、K2为低电平时，OUTPUT输出500KHz；当K2为高电平、K1为低电平时，OUTPUT输出100KHz。

4．实验1和实验2中三态门三态输出电压之所以不同，是由于在三态输出作为74LS00输出的情况下，74LS00的这个输入端相当于悬空，这个输入端的电压应与此与非门的另一个输入端电压值有关。

因此在同一个与非门的一个输入接低电平时，与非门的另一个悬空输入端（三态门输出）受到低电压钳制，电压值为0.38V;在与非门的一个输入接高电平时，另一个悬空输入端（三态门输出）不受钳制，电压值为1.50V。

5．TTLOC门7407芯片的功能测试

7407是六缓冲器/驱动器（OC，高压输出），其管脚引线如图4-4所示。

自拟实验步骤，测出74LS01芯片出、入端的逻辑功能。

验证在74LS01芯片中2个OC门输出端并联时，是否实现逻辑与的功能，将结果列成表格的形式。

<注>：

在测试7407芯片功能时，注意必须与电源间加外接电阻。

图4-4OC门基本用法

6．TTLOC电路的应用

TTL与非门组成图4-5所示的电路。

试测定该电路的功能，结果列成真值表的形式。

现改用TTLOC门7407芯片实现此电路，试画出电路图。

并用实验验证其功能是否同与非门组成的电路功能相一致？

图4-5两个OC门构成等效与门

实验五数据选择器和译码器

一．实验目的

1．熟悉数据

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