数字逻辑实验

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淮北师范大学计算机学院
School of Computer Science & Technology,HuaiBei Normal University
计算机学院编写
实验注意事项
1、电源的打开顺序是:先开交流开关(实验箱中的船形开关),再开
直流开关,最后打开各个模块的控制开关。

电源关掉的顺序刚好与此相反。

2、切忌在实验中带电连接线路,正确的方法是断电后再连线,进行
实验。

3、实验箱主电路板上所有的芯片出厂时已全部经过严格检验,因此
在做实验时切忌随意插拔芯片。

4、实验箱中的叠插连接线的使用方法为:连线插入时要垂直,插入
后稍做旋转,切忌用力,拔出时用手捏住连线靠近插孔的一端,然后左右旋转几下,连线自然会从插孔中松开、弹出,切忌用力向上拉线,这样很容易造成连线和插孔的损坏。

5、实验中应该严格按照老师的要求和实验指导书来操作,不要随意
乱动开关,芯片及其它元器件,以免造成实验箱的损坏。

6、如果在实验中由于操作不当或其它原因而出现异常情况,如数码
管显示不稳定、闪烁,芯片发烫等,首先立即断电,然后报告老师,切忌无视现象,继续实验,以免造成严重后果。

7、实验中所用的元件都需要自行配置,元件名称都在实验设备与器
件中写出,在实验中不同公司和国家的同种功能的元件可替换,比如CD系列的与CC系的同各功能的集成芯片可替换。

8、注意保持卫生,下课后将桌面附近的垃圾全部带走,并有打扫实
验室的义务。

目录
实验一数字电路仪器的使用及门电路 (1)
实验二加法器实验 (2)
实验三数据选择器及其应用 (3)
实验四组合电路的设计与测试 (5)
实验五触发器及其应用 (7)
实验六移位寄存器及其应用 (10)
实验七异步时序电路实验 (13)
实验八综合设计实验 (14)
数字逻辑与数字电路实验项目
实验一数字电路仪器的使用及门电路
一、实验目的
1、数字电路仪器的各功能模块见实验箱使用说明。

2、测试TTL集成芯片中的与门、或门、非门、与非门、或非门与异或门的逻辑功能。

3、了解测试的方法与测试的原理。

二、实验原理
实验中用到的基本门电路的符号为:
图1-1 与门图1-2 或门图1-3 非门
图1-4 与非门图1-5 或非门图1-6 异或门在测试芯片逻辑功能时输入端用逻辑电平输出单元输入高低电平,然后使用逻辑电平显示单元显示输出的逻辑功能。

三、实验设备与器件
1、数字逻辑电路实验箱
2、芯片与门74LS08、或门74LS32、非门74LS04、与非门74LS00、或非门74LS02、异
或门74LS86各一片
四、实验预习及内容
1、掌握集成芯片74LS08、74LS3
2、74LS04、74LS00、74LS02、74LS86的管脚分布图。

2、分别列出芯片74LS08、74LS32、74LS04、74LS00、74LS02、74LS86的真值表。

五、实验步骤
1、了解实验仪器,阅读实验注意事项。

首先将电源调到+5V左右,检查设备是否正常。

2、依次选用芯片74LS08、74LS32、74LS04、74LS00、74LS02、74LS86做实验,在实验箱IC插座模块找到相应管脚数目的IC插座,插上并保持连接正常。

3、对照附录的相应芯片引脚图,按照芯片的管脚分布图接线,注意确保电源VCC(+5V)输入脚和地输入脚的连接,芯片输入端连接到逻辑电平输出单元,通过逻辑电平输出单元控制输入电平,当逻辑输出高电平时对应的发光二极管亮,否则不亮。

芯片输出端连接到逻辑电平显示单元,输出高电平时对应的发光二极管亮,否则不亮。

按照芯片各逻辑门的真值表检验芯片的逻辑功能芯。

六、实验报告要求
1、画好实验中各门电路的真值表表格,将实验结果填写到表中。

2、根据实验结果,写出各逻辑门的逻辑表达式,并判断逻辑门的好坏。

实验二 加法器实验
一、实验名称:加法器实验 二、仪器、设备:
数字逻辑实验仪:一台
74LS86:一片 74LS00:一片 74LS10:两片 或根据其他设计方案选择不同的芯片。

三、实验(设计)目的:
1. 熟悉数字逻辑实验仪的用法
2. 设计并实现一个全加器 四、实验步骤:
1. 熟悉数字逻辑实验仪的各组成部分及其功能;
2. 熟悉芯片的用法;
3. 分析实验原理,确定实验方案;
4. 按照实验方案对所使用的芯片进行连线;
5. 检查线路连接;
6. 接通电源,验证实验结果,填写实验数据;
7. 若实验结果出现错误,则切断电源,重新检查线路和芯片,查找并纠正错误; 8. 实验结果完全正确,则完成实验,关闭电源,整理实验操作台。

五、实验原理、数据(程序)记录: 1. 实验原理 ①全加器真值表
S=Ci B A ⊕⊕; Co=AB +BCi+ACi ③实验电路图和芯片引脚图
2. 实验数据记录:
请同学们观察实验数据并填入下表:
1、按照电路图及引脚图连接电路;
2、分别输入A,B,Ci的8种组合状态,填写输出S和Co的结果,并和真值表进行核对;
3、思考:若实验室仅有与非门(二输入或三输入),电路怎么搭建?
实验三数据选择器及其应用
一、实验目的
1、掌握数据选择器的逻辑功能和使用方法。

2、学习用数据选择器构成组合逻辑电路的方法。

二、实验原理
数据选择是指经过选择,把多个通道的数据传送到唯一的公共数据通道上去。

实现数据选择功能的逻辑电路称为数据选择器。

它的功能相当于一个多个输入的单刀多掷开关,其示意图如下:
图3-1 4选1数据选择器示意图
图中有四路数据D 0~D 3,通过选择控制信号A 1、A 0(地址码)从四路数据中选中一路数据送至输出端Q 。

1、双四选一数据选择器74LS153
图3-2 74LS153引脚逻辑图及真值表
2、数据选择器的应用
用74LS153实现逻辑函数ABC C AB C B A BC A Y +++=
图3-3 用74LS153实现逻辑函数
函数Y有三个输入变量A、B、C,而数据选择器有两个地址输入端S1、S0,少于3个。

可考虑把数据输入端作为变量之一,如图11-5实现了函数Y的功能。

即将A、B分别接选择器的地址端S1、S0,并令I0=0,I1=I2=C。

三、实验设备与器材
1、数字逻辑电路实验箱。

2、数字万用表。

3、芯片74LS151、74LS153、74LS0
4、74LS08、74LS32。

四、实验内容及实验步骤
1、测试74LS153的逻辑功能
2、用74LS153实现逻辑函数
参考图3-3,分析该图的实现方法,并验证其逻辑功能。

现要求实现F+
=,自己写出设计过程,画出接线图,并验证其逻辑功能。

A
B
B
A
实验四组合电路的设计与测试
一、实验目的
1、掌握组合逻辑电路的分析与设计方法。

2、加深对基本门电路使用的理解。

二、实验原理
1、组合电路是最常用的逻辑电路,可以用一些常用的门电路来组合完成具有其他功能
A+得知,可以用两个非门和一个或的门电路。

例如,根据与门的逻辑表达式Z= AB =B
非门组合成一个与门,还可以组合成更复杂的逻辑关系。

2、分析组合逻辑电路的一般步骤是:
(1)由逻辑图写出各输出端的逻辑表达式;
(2)化简和变换各逻辑表达式;
(3)列出真值表;
(4)根据真值表和逻辑表达式对逻辑电路进行分析,最后确定其功能。

3、设计组合逻辑电路的一般步骤与上面相反,是:
(1)根据任务的要求,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)根据表达式,画出逻辑电路图,用标准器件构成电路;
(4)最后,用实验来验证设计的正确性。

4、组合逻辑电路的设计举例
用“与非门”设计一个表决电路。

当四个输入端中有三个或四个“1”时,输出端才为“1”。

设计步骤:根据题意,列出真值表如表4-1所示,再填入卡诺图表4-2中。

表4-2 表决电路的卡诺图
然后,由卡诺图得出逻辑表达式,并演化成“与非”的形式:
+
+
=
Z+
ABC
ABD
CDA
BCD

=
ABD⋅

ABC
ACD
BCD
最后,画出用“与非门”构成的逻辑电路如图4-1所示:
图4-1 表决电路原理图
输入端接至逻辑开关(拨位开关)输出插口,输出端接逻辑电平显示端口,自拟真值表,逐次改变输入变量,验证逻辑功能。

三、实验设备与器材
1、数字逻辑电路实验箱。

2、数字万用表。

3、芯片74LS00、74LS02、74LS0
4、74LS10、74LS20、74LS86。

四、实验内容
1、完成组合逻辑电路的设计中的两个例子。

2、设计一个四人无弃权表决电路(多数赞成则提议通过即三人以上包括三人),要求用
四2输入与非门来实现。

五、实验预习要求
1、复习各种基本门电路的使用方法。

2、实验前,画好实验用的电路图和表格。

3、自己参考有关资料画出实验内容2中的原理图,找出实验将要使用的芯片,以备实
验时用。

六、实验报告要求
1、将实验结果填入自制的表格中,验证设计是否正确。

2、总结组合逻辑电路的分析与设计方法。

3、思考:如果实验室仅有二输入与非门,将如何搭建电路?
实验五触发器及其应用
一、实验名称:触发器及其应用
二、仪器、设备:
1.数字逻辑实验仪:一台
2.芯片74LS00、74LS04、74LS10、74LS74(或CC4013)、74LS112(或CC4027)、
74LS02。

三、实验目的
1、掌握基本RS、JK、T和D触发器的逻辑功能。

2、掌握集成触发器的功能和使用方法。

3、熟悉触发器之间相互转换的方法。

四、实验原理
触发器是能够存储1位二进制码的逻辑电路,它有两个互补输出端,其输出状态不仅与输入有关,而且还与原先的输出状态有关。

触发器有两个稳定状态,用以表示逻辑状态“1”和“0”,在一定的外界信号作用下,可以从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态,它是一个具有记忆功能的二进制信息存储器件,是构成各种时序电路的最基本逻辑单元。

1、基本RS触发器
图5-1为由两个与非门交叉耦合构成的基本RS触发器,它是无时钟控制低电平直接
触发的触发器。

基本RS触发器具有置“0”、置“1”和保持三种功能。

通常称S为置“1”端,因为S=0时触发器被置“1”;R为置“0”端,因为R=0时触发器被置“0”。

当S=R
=1时状态保持,当S=R=0时为不定状态,应当避免这种状态。

基本RS触发器也可以用两个“或非门”组成,此时为高电平有效。

图5-1 二与非门组成的基本RS触发器
(a)逻辑图(b) 逻辑符号
基本RS触发器的逻辑符号见图5-1(b),二输入端的边框外侧都画有小圆圈,这是因为置
1与置0都是低电平有效。

2、JK 触发器
在输入信号为双端的情况下,JK 触发器是功能完善、使用灵活和通用性较强的一种 触发器。

本实验采用74LS112双JK 触发器,是下降边沿触发的边沿触发器。

引脚逻辑图如图14-2所示;JK 触发器的状态方程为:
n
n n Q K Q J Q +=+1
图5-2 JK 触发器的引脚逻辑图
其中,J 和K 是数据输入端,是触发器状态更新的依据,若J 、K 有两个或两个以上输入端时,组成“与”的关系。

Q 和Q 为两个互补输入端。

通常把Q =0、Q =1的状态定为触发器“0”状态;而把Q =1,Q =0定为“1”状态。

JK 触发器常被用作缓冲存储器,移位寄存器和计数器。

CC4027是CMOS 双JK 触发器,其功能与74LS112相同,但采用上升沿触发,R 、S 端为高电平有效。

3、T 触发器
在JK 触发器的状态方程中,令J=K=T 则变换为: 1n n n Q TQ TQ +=+
这就是T 触发器的特性方程。

由上式有:
当T=1时,1n n Q Q += 当T=0时,1n n Q Q +=
即当T=1时,为翻转状态;当T=0时,为保持状态。

4、D 触发器
在输入信号为单端的情况下,D 触发器用起来更为方便,其状态方程为: 1
n Q
D +=
其输出状态的更新发生在CP 脉冲的上升沿,故又称为上升沿触发的边沿触发器,触发器的状态只取决于时钟到来前D 端的状态,D 触发器的应用很广,可用作数字信号的寄存,移位寄存,分频和波形发生等。

有很多型号可供各种用途的需要而选用。

如双D (74LS74,CC4013),四D (74LS175,CC4042),六D (74LS174,CC14174),八D (74LS374)等。

图5-3为双D (74LS74)的引脚排列图。

图5-3 D触发器的引脚排列图
5、触发器之间的相互转换
在集成触发器的产品中,每一种触发器都有自己固定的逻辑功能。

但是可以利用转换的方法获得具有其它功能的触发器。

例如将JK触发器的J、K两端接在一起,并认它为T端,就得到所需的T触发器。

JK触发器也可以转换成为D触发器,如图5-4所示。

图5-4 JK触发器转换成为D触发器
五、实验内容及实验步骤
1、测试基本RS触发器的逻辑功能
按图5-1,用两个与非门组成基本RS触发器,输入端S、R接逻辑电平输出插孔(拨位开关输出端),输出端Q和Q接逻辑电平显示输入插孔(发光二极管输入端),测试它的
逻辑功能并画出真值表将实验结果填入表内。

将两个与非门换成两个或非门,要求同上,测试它的逻辑功能并画出真值表将实验结果填入表内。

2、测试JK触发器74LS112的逻辑功能
(1)测试JK触发器的复位、置位功能
任取一个JK触发器,CD、SD、J、K端接逻辑电平输出插孔,CP接单次脉冲源,输出端Q和Q接逻辑电平显示输入插孔。

要求改变CD、SD(J、K和CP处于任意状态),并在CD=0(SD=1)或CD=0(SD=1)作用期间任意改变J、K和CP的状态,观察Q和Q的状态,自拟表格并记录之。

(2)测试JK触发器的逻辑功能
不断改变J、K和CP的状态,观察Q和Q的状态变化,观察触发器状态更新是否发
生在CP的下降沿,记录之。

(3)将JK触发器的J、K端连在一起,构成T触发器
在CP端输入1Hz连续脉冲,观察Q端的变化,用双踪示波器观察CP、Q和Q的波形,
注意相位关系,描绘之。

(4)JK触发器转换成D触发器
按图5-4连线,方法与步骤同上,测试D触发器的逻辑功能并画出真值表将实验结果填入表内。

3、测试双D触发器74LS74的逻辑功能
⑴测试D触发器的复位、置位功能
测试方法与步骤同实验内容2(1),只是它们的功能引脚不同,相关的管脚分布参
见附录,自拟表格记录。

⑵测试D触发器的逻辑功能
按上表要求进行测试,并观察触发器状态是否发生在CP脉冲的上升沿(即由0变1),记录之。

六、实验报告要求
1、列出各触发器功能测试表格。

2、总结74LS112和74LS74的逻辑功能。

实验六移位寄存器及其应用
一、实验目的
1、掌握四位双向移位寄存器的逻辑功能与使用方法。

2、了解移位寄存器的使用—实现数据的串行,并行转换和构成环形计数器。

二、实验原理
1、移位寄存器是一个具有移位功能的寄存器,是指寄存器中所存的代码能够在移位脉冲的作用下依次左移或右移。

既能左移又能右移的称为双向移位寄存器,只需要改变左右移的控制信号便可实现双向移位要求。

根据寄存器存取信息的方式不同分为:串入串出、串入并出、并入串出、并入并出四种形式。

本实验选用的4位双向通用移位寄存器,型号为74LS194或CC40194,两者功能相同,可互换使用,其逻辑符号及引脚排列如图6-1所示。

图6-1 74LS194(或CC40194)的逻辑符号及引脚排列
表6-1 74LS194的功能表
其中SR为右移串行输入端,SL为左移串行输入端;功能作用如表15-1所示。

2、移位寄存器应用很广,可构成移位寄存器型计数器、顺序脉冲发生器和串行累加器;可用作数据转换,即把串行数据转换为并行数据,或把并行数据转换为串行数据等。

(1)环形计数器
把移位寄存器的输出反馈到它的串行输入端,就可以进行循环移位,如下图所示。

图6-2 环形计数器示意图
将输出端Q3与输入端SR相连后,在时钟脉冲的作用下Q0Q1Q2Q3将依次右移。

同理,将输出端Q0与输入端SL相连后,在时钟脉冲的作用下Q0Q1Q2Q3将依次左移。

(2)实现数据串、并转换
○1串行/并行转换器
串行/并行转换是指串行输入的数据,经过转换电路之后变成并行输出。

下面是用两片74LS194构成的七位串行/并行转换电路。

图6-3 七位串行/并行转换电路示意图
电路中S0端接高电平1,S1受Q7控制,两片寄存器连接成串行输入右移工作模式。

Q7是转换结束标志。

当Q7=1时,S1为0,使之成为S1S0=01的串入右移工作方式。

当Q7=0时,S1为1,有S1S0=11,则串行送数结束,标志着串行输入的数据已转换成为并行输出。

○2并行/串行转换器
图6-4七位并行/串行转换电路示意图
并行/串行转换是指并行输入的数据,经过转换电路之后变成串行输出。

下面是用两片74LS194构成的七位并行/串行转换电路,如图6-4所示。

与图6-3相比,它多了两个与非门,而且还多了一个转动换启动信号(负脉冲或低电平),工作方式同样为右移。

对于中规模的集成移位寄存器,其位数往往以4位居多,当所需要的位数多于4位时,可以把几片集成移位寄存器用级连的方法来扩展位数。

三、实验设备与器材
1、数字逻辑电路实验箱。

2、芯片74LS00、74LS04、74LS30(8输入与非门)、74LS194(或CC40194)。

四、实验内容及实验步骤
1、测试74LS194(或CC40194)的逻辑功能
参考图6-1连线,、S1、S0、SL、SR、D0、D1、D2、D3分别接至逻辑开关的输出插孔;Q0、Q1、Q2、Q3分别接至逻辑电平显示输入插孔。

CP接单次脉冲源。

自拟表格,逐项进行测,并与实验指导书给出的功能表做对比。

注意:当接数码管时,因为所用数码管的驱动器4511是BCD 码驱动器,所以,当
0123Q Q Q Q 组成的16进制数大于9时,4511处于消隐状态,数码管不显示;要看大于9
的状态应该接四位发光二极管或用能显示十六进制的译码器,如MC14495,CD14495等。

2、环形计数器
自拟实验线路用并行送数法预置计数器为某二进制代码(如0100),然后进行右移循环,观察寄存器输出端状态的变化;再进行循环左移,观察寄存器输出端状态的变化,将结果记录下来。

五、实验预习要求
1、复习有关寄存器的有关章节的内容,弄懂移位寄存器工作的基本原理。

2、查阅74LS194(或CC40194)的资料,熟悉其逻辑功能及引脚排列。

3、画好实验要用的表格。

六、实验报告要求
若要进行循环左移,图6-3、6-4接线应如何修改?
实验七 异步时序电路实验
一、实验名称:异步时序电路实验
二、仪器、设备:数字逻辑实验仪:一台;74LS74:两片 三、实验(设计)目的:
设计并实现一个四位二进制异步计数器 四、实验步骤:
1. 熟悉芯片的用法;
2. 分析实验原理,确定实验方案;
3. 按照实验方案对所使用的芯片进行连线;
4. 检查线路连接;
5. 接通电源,验证实验结果,填写实验数据;
6. 若实验结果出现错误,则切断电源,重新检查线路和芯片,查找并纠正错误;
7. 实验结果完全正确,则完成实验,关闭电源,整理实验操作台。

五、实验原理、数据(程序)记录: 1. 实验原理
①状态图和电路图
②74LS74功能说明:
2. 实验数据记录:
实验八综合设计实验
一、实验名称:综合设计实验
二、仪器、设备:
数字逻辑实验仪:一台
实验用芯片:若干
三、实验(设计)目的:
利用组合电路和时序电路设计并实现具有一定功能的电路。

参考实验题:序列检测器、脉冲信号发生器等
四、实验步骤:
1.分析实验原理,确定实验方案;
2.根据实验方案选择适当的芯片;
3.按照实验方案对所使用的芯片进行连线;
4.检查线路连接;
5.接通电源,验证实验结果,填写实验数据;
6.若实验结果出现错误,则切断电源,重新检查线路和芯片,查找并纠正错误;
7.实验结果完全正确,则完成实验,关闭电源,整理实验操作台。

五、实验要求
1.熟悉组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计步骤
2.掌握常用的芯片的功能和引脚图
3.按照逻辑电路的设计步骤进行相关电路的设计,得出逻辑电路图,并根据设计的电路图
选择合适的芯片
六、实验报告
学生在实验报告中必须给出如下的内容:
1.给出从原始状态图到最后逻辑电路图的完整的逻辑电路的设计过程。

2.给出选择的芯片及其个数
3.给出实验数据,并对实验数据进行分析
4.给出实验中出现的错误现象,并分析错误原因,给出纠正方案
5.对实验的整个过程进行总结(可写出对整个实验过程的亲身感受)
附录:常见芯片结构图
与非门74LS00:
或非门74LS02:
非门74LS04:
与门74LS08:
74LS10:
四输入与非门74LS20:
8输入与非门74LS30:
或门74LS32:
74LS74(或CD4013):
异或门74LS86:
74LS112(或CC4027):
74LS151:
双4选1数据选择器74LS153:
移位寄存器
74LS194。

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