数字电路与逻辑设计实验辅导材料 、组合逻辑电路的实验 电路设计 例一:设计一个由与非门或数据选择器或3/8译码器组成的裁判表决电路, 该电路有如下功能:有A、B、C三名裁判,其中A为主裁判,B、C为副裁判。 当主裁判和一名或一名以上的副裁判认为运动员合格时,输出为1,否则为0。 解:(一)呆用与非门设计电路 ①根据命题列出真值表 ②利用卡诺图化简 aB C 000 F00000 Bc0oo11110 010 1司 F(A, B, CFAB+AC AB AC 圈画原则 1)先圈孤立圈 2)再圈一个方向的圈; 3)最后再按最大、最少的圈来圈画 ③画出电路图 ④选用芯片和标注管脚号 A B F 7400 绘图要求: 1)要求绘制原理图,千万不可画成接线图,否则无法表述逻辑关系,无可读 性 2)电源和地线管脚和连线可以略去。 3)根据题目要求选择器件型号 4)必须注明管脚号、元件编号和元件型号否则无法装配。 举例1:电路原理图的正确画法一一原理图 7416 LdLR QD
1 数字电路与逻辑设计实验辅导材料 一、组合逻辑电路的实验 1、电路设计 例一：设计一个由与非门或数据选择器或 3/8 译码器组成的裁判表决电路， 该电路有如下功能：有 A、B、C 三名裁判，其中 A 为主裁判，B、C 为副裁判。 当主裁判和一名或一名以上的副裁判认为运动员合格时，输出为 1，否则为 0。 解：（一）采用与非门设计电路： ①根据命题列出真值表 ②利用卡诺图化简 A B C F 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 圈画原则： 1 1 0 1 1）先圈孤立圈； 1 1 1 1 2）再圈一个方向的圈； 3）最后再按最大、最少的圈来圈画。 ③画出电路图 ④ 选用芯片和标注管脚号 绘图要求： 1）要求绘制原理图，千万不可画成接线图，否则无法表述逻辑关系，无可读 性。 2）电源和地线管脚和连线可以略去。 3）根据题目要求选择器件型号。 4）必须注明管脚号、元件编号和元件型号否则无法装配。 举例 1：电路原理图的正确画法——原理图
举例2:电路原理图的错误画法一一连线图 74HC161 74LS151 元件述商 (二)采用数据选择器设计电路: 根据真值表用74151(八选一数据选择器)实现电路。 A B C 74151 根据真值表用1274153(四选一数据选择器)降维的方法实现电路。 00011110 01 AA174153丽P1 Ao Do DI D2D3 00C (三)采用38译码器设计: 根据真值表用74138(3/8译码器)实现电路。 74138 2
2 举例 2：电路原理图的错误画法——连线图 （二）采用数据选择器设计电路： 根据真值表用 74151（八选一数据选择器）实现电路。 根据真值表用 1/2 74153（四选一数据选择器）降维的方法实现电路。 （三）采用 3/8 译码器设计： 根据真值表用 74138（3/8 译码器）实现电路
2、实验装配步骤 第一步:根据所给的芯片,将它们插入实验箱上与芯片管脚相符合的插座上, 注意芯片插入的方向,即:缺口向左。示意图如下: 实验箱 16芯插座 16芯插座 4蕊插座14芯插座14芯座14芯插座 第二步:实验箱上的电源需外接+9V直流电源。 实验箱内部具有+9V转换为+5V(最大电流为1A)的稳压电路,稳压后 的+5V供TTL或HC标准的各种数字集成器件使用 ①用万用表测量+9V电压 着重强调: 1)直流稳压电源的表头显示不准确,一定要学生使用万用表测量。 2)用万用表测量好+9V的电压之后,才可以加入到数字实验箱上。千万不要先接实验 箱再调测电压值,这样很容易损坏实验箱 3)外接+9V电源不可将极性接反,若接反则LED15不亮,同时“+5V”端无输出电压。 同样-5V电源也不能接反,若接反则LED16不亮 ②测好+V电压后,将+9V电压接入实验箱。 下面给出+9V电压的连接示意图 直流稳压电源 直流稳压电源 5V @@,回◎@ 数字实验箱 数字实验箱 第一种直流稳压电源 第二种直流稳压电源 ③从实验箱上获取+5V直流电压接入芯片。示意图如下: o甲自 实验箱 +5￥ 强调:先接地线再接 16芯插座 16芯插座 16芯插座 +5V电源
3 2、实验装配步骤 第一步：根据所给的芯片，将它们插入实验箱上与芯片管脚相符合的插座上， 注意芯片插入的方向，即：缺口向左。示意图如下： 第二步：实验箱上的电源需外接+9V 直流电源。 实验箱内部具有+9V 转换为+5V（最大电流为 1A）的稳压电路，稳压后 的+5V 供 TTL 或 HC 标准的各种数字集成器件使用。 ① 用万用表测量+9V 电压； 着重强调： 1）直流稳压电源的表头显示不准确，一定要学生使用万用表测量。 2）用万用表测量好+9V 的电压之后，才可以加入到数字实验箱上。千万不要先接实验 箱再调测电压值，这样很容易损坏实验箱 3）外接+9V 电源不可将极性接反，若接反则 LED15 不亮，同时“+5V”端无输出电压。 同样-5V 电源也不能接反，若接反则 LED16 不亮。 ② 测好+9V 电压后，将+9V 电压接入实验箱。 下面给出+9V 电压的连接示意图： 第一种直流稳压电源 第二种直流稳压电源 ③ 从实验箱上获取+5V 直流电压接入芯片。示意图如下： 强调：先接地线再接 +5V 电源
第三步:搭试电路 ①A、B、C接电平开关,用导线连接到芯片的相应管脚上 ②接线时按原理图上标注的管脚连接电路,接一根打一个“×”,表示已接 好线,直到所有的线都打上“×”了,说明电路全部接好 实验 乎6868668 F 16芯插座 芯插座 6芯插座 14[14乙座][14名插月 卤回回回回回回回回回 3、电路测试 按A、B、C三个开关的组合,用发光二极管检查F的输出,即: 验证真值表。 4、门电路悬空端的正确处理 理论上TTL电路输入端悬空不接等效于为高电平,但是实际使用中为了电路 不受干扰,通常根据逻辑功能把悬空的输入端都要进行适当的处理。具体处理方 法如下 ①与非门的多余输入端接高电平 ②或非门的多余输入端接低电平 着重强调 ①使能端、控制端必须按功能表的要求连接 ②地址端必须全部接,不使用的输入端根据实际情况接“0”或“1” ③不用的输出端不接。 5、故障检测 ①出现故障 1)首先检査整体电路电源。用万用表测量电源和地是否连接正确。测量 方法是负(黑)表笔接地;正(红)表笔接芯片的管脚,千万不可测接先柱。 2)其次检查集成芯片电源(地和电源都必须一一检查)。 ②根据电路原理进行排査故障 先设置一个固定输入状态,用发光二极管显示逻辑结果,如不正确根据与非 门“有低出髙,全高出低”的工作原理,用万用表测量各个门电路管脚的输入/ 输出情况(着重强调:万用表的测量方法,首先把黑表笔接地,红表笔点接在 被测芯片的管脚上),并将测试结果进行分析,查找出故障 例如:当ABC=101时,正常条件下F=1,但此时F=0。说明电路有故障。检 查故障的方法及示意图如下:
4 第三步：搭试电路 ① A、B、C 接电平开关，用导线连接到芯片的相应管脚上。 ② 接线时按原理图上标注的管脚连接电路，接一根打一个“×”，表示已接 好线，直到所有的线都打上“×”了，说明电路全部接好。 3、电路测试 按 A、B、C 三个开关的组合，用发光二极管检查 F 的输出，即： 验证真值表。 4、门电路悬空端的正确处理 理论上 TTL 电路输入端悬空不接等效于为高电平，但是实际使用中为了电路 不受干扰，通常根据逻辑功能把悬空的输入端都要进行适当的处理。具体处理方 法如下： ① 与非门的多余输入端接高电平。 ② 或非门的多余输入端接低电平。 着重强调： ① 使能端、控制端必须按功能表的要求连接； ② 地址端必须全部接，不使用的输入端根据实际情况接“0”或“1”； ③ 不用的输出端不接。 5、故障检测 ① 出现故障 1）首先检查整体电路电源。用万用表测量电源和地是否连接正确。测量 方法是负（黑）表笔接地；正（红）表笔接芯片的管脚，千万不可测接先柱。； 2）其次检查集成芯片电源（地和电源都必须一一检查）。 ②根据电路原理进行排查故障 先设置一个固定输入状态，用发光二极管显示逻辑结果，如不正确根据与非 门 “有低出高，全高出低”的工作原理，用万用表测量各个门电路管脚的输入/ 输出情况（着重强调：万用表的测量方法，首先把黑表笔接地，红表笔点接在 被测芯片的管脚上），并将测试结果进行分析，查找出故障。 例如：当 ABC=101 时，正常条件下 F=1，但此时 F=0。说明电路有故障。检 查故障的方法及示意图如下：
A F 7400 7400 输出逻辑正确 故障在此 输出逻辑不正确 ③调测过程中应注意的问题 1)如有短路故障,要首先排除 2)要考虑电路前、后级之间的影响(可通过断开电路再测试)。 后级电路 例二:现有A、B、C、D四台设备,10KW/台,它们由F和G两台发电机组供电。 F:10KW,G:20KW。 四台设备的工作情况为: ①四台设备不可能同时工作。 ②可以是任意三台或两台同时工作。 ③至少有任意一台在工作 要求:设计一个供电控制线路,既能保证设备正常工作,又能节省电能。最 后再用异或门、与非门或用两片八选一数据选择器画出电路图。 1、电路设计 解:(一)异或门、与非门设计电路 ①根据题意确定输入和输出信号。 输入:A、B、C、D;其中“1表示设备工作,“0表示设备不工作。 输出:F、G,发电机组启动为“1”,其中不启动为“0°。 ②列真值表 ③化简 A BC F 00000000 01100 1|0 110 l F=AC(BD+BD)+AC(BD+BD) 0100 011 G$00101110111111 AC (BD+BD )+AC(BD+BD) (BD+BD)(AC+AC) 100|0 101 110 =(BED(A0C)+(BOD)(A8C 1111|中φ F=AB⊕C⊕D
5 ③调测过程中应注意的问题 1） 如有短路故障，要首先排除； 2） 要考虑电路前、后级之间的影响（可通过断开电路再测试）。 例二：现有 A､B ､C ､D 四台设备,10KW/台,它们由 F 和 G 两台发电机组供电。 F：10KW，G：20KW。 四台设备的工作情况为： ①四台设备不可能同时工作。 ②可以是任意三台或两台同时工作。 ③至少有任意一台在工作。 要求：设计一个供电控制线路，既能保证设备正常工作，又能节省电能。最 后再用异或门、与非门或用两片八选一数据选择器画出电路图。 1、电路设计 解：（一）异或门、与非门设计电路。 ①根据题意确定输入和输出信号。 输入：A､B ､C ､D；其中“1”表示设备工作，“0”表示设备不工作。 输出：F ､G，发电机组启动为“1”，其中不启动为“0”。 ②列真值表 ③化简
00 01 11 10 G=AC(BD+BD)+AC(BD+BD) 00 +AC( BD+BD)+AC(BD+BD)+BC +AD 1=B0D AeC+(B6 D)(A6C)+BC+AD A⊕B⊕C⊕D+BC+AD 10 ⊥1=(A:B田C⊕D)BC·AD ④画出电路图 7486 F C } G 4& K (二)用两片74151(八选一数据选择器)设计电路。 ①列真值表 ②利用卡诺图降维 D G AB00 01 11 10 00011 00 110 1O1 中0010 →01 01 O o10101 011001 101 0111 1000 0011110 l010 10011 1001011中 1o111111中 00φ 注意 的处理 ③画电路图并标注管脚号 74151 74151
6 ④画出电路图 （二）用两片 74151（八选一数据选择器）设计电路。 ① 列真值表 ② 利用卡诺图降维 注意：“Φ”的处理。 ③ 画电路图并标注管脚号
2、实验装配步骤(同上)。 3、电路测试(同上)。 4、门电路悬空端的正确处理(同上)。 5、故障检测(同上) 、时序逻辑电路的实验 1、D触发器的应用设计 例一:用两个D触发器和一个异或门设计两位可逆二进制计数器。 解:①利用异或门的工作原理 A⊕1=A,A田D=A 因此,当M=0时,CP2接Q1,作两位二进制减法计数 当M=1时,CP2接Q1的非;作两位二进制加法计数。 M Q ②标注管脚号 M Q2 ③画预测输出波形图 1)M=1(二进制加法计数器的输出波形图) CP 2)M=0(二进制减法计数器的输出波形图) CP Q1
7 2、实验装配步骤（同上）。 3、电路测试（同上）。 4、门电路悬空端的正确处理（同上）。 5、故障检测（同上）。 一、时序逻辑电路的实验 1、D 触发器的应用设计 例一：用两个 D 触发器和一个异或门设计两位可逆二进制计数器。 解：① 利用异或门的工作原理： 因此，当 M=0 时，CP2 接 Q1，作两位二进制减法计数； 当 M=1 时，CP2 接 Q1 的非；作两位二进制加法计数。 ② 标注管脚号 ③ 画预测输出波形图 1） M=1（二进制加法计数器的输出波形图） 2）M=0（二进制减法计数器的输出波形图）
④用示波器画输出波形图 1)M=1(二进制加法计数器的输出波形图) ChI CP Ch2 Q 用Ch2作为触发源(用频率低的信号作为触发源 ChI Q1 用Ch2作为触发源(用频率低的信号作为触发源) 2)M=0(二进制减法计数器的输出波形图 ChI[CP 用Ch2作为触发源(用频率低的信号作为触发源) Q1 用Ch2作为触发源(用频率低的信号作为触发源) 例二:试用DFF和与非门实现如图所示的“待设计电路”。要求发光二极管前3s 亮,后2s暗,如此周期性重复。 解:即产生序列信号11100。用移存型序列信号发生器实现,状态转移表为: ■11 D1=a2+a3=Q2Q3 0 0 检查自启动性:000→001√,010→101→011√,三个偏离态都能进入有效循环,所 以具有自启动性。 原为s
8 ④ 用示波器画输出波形图 1） M=1（二进制加法计数器的输出波形图） Ch1 Ch2 用 Ch2 作为触发源（用频率低的信号作为触发源） Ch1 Ch2 用 Ch2 作为触发源（用频率低的信号作为触发源） 2） M=0（二进制减法计数器的输出波形图） Ch1 Ch2 用 Ch2 作为触发源（用频率低的信号作为触发源） Ch1 Ch2 用 Ch2 作为触发源（用频率低的信号作为触发源） 例二：试用 DFF 和与非门实现如图所示的“待设计电路”。要求发光二极管前 3s 亮，后 2s 暗，如此周期性重复。 解：即产生序列信号 11100。用移存型序列信号发生器实现，状态转移表为： 检查自启动性：000→001, 010→101→011,三个偏离态都能进入有效循环，所 以具有自启动性
2、计数器的应用设计 例一:用74161芯片,采用置0法设计M=7的加法计数器。 解:①首先了解74161芯片的功能 表6.5.274161的功能表 国。 PT cpp, D2DDoo;o1o功能 00g00000异步清除 1000+43 d2 d, do d, d2d, I|11bo|00≈111计数 10100000 Q3 Q2Q1Q0 1100o0ooolQj o?Q1 Q0 ②由功能表可知74161是异步清“0”,同步置数。 反馈函数按S-1写,即:S-1=(0110)2 ③列真值表 ④画电路图并对芯片的管脚进行标号 Q3Q2Q1Q0 0000 0001 =Q2 Q1 13t 0010 7416 0100 0101 ⑤预测计数器的波形图 L4L+L+L+L 01010 1000 11001 ⑥用示波器画出的计数器的波形图 r chI CPL ch1 Q, 0 0「1110011001100「1 ch1Q,0011001L0011100 ch2 Q00 0 用Ch2作为触发源(用频率低的信号作为触发源) 划掉中间多余的波形就可获得最终的计数器的输出波形
9 2、计数器的应用设计 例一：用 74161 芯片，采用置“0”法设计 M=7 的加法计数器。 解: ① 首先了解 74161 芯片的功能 ② 由功能表可知 74161 是异步清“0”，同步置数。 反馈函数按 SM-1 写，即： SM-1=（0110）2。 ③ 列真值表 ④ 画电路图并对芯片的管脚进行标号 ⑤ 预测计数器的波形图 ⑥ 用示波器画出的计数器的波形图 用 Ch2 作为触发源（用频率低的信号作为触发源） 划掉中间多余的波形就可获得最终的计数器的输出波形
ch1c中中中 ch2a,0「1Lo「1Lo11001o1Lo1L0 ch2Q30000 例二:用74161芯片,采用可靠清“0”法设计M=7的加法计数器;反馈函数 按S=(111)2写。 解:①列真值表并写出反馈函数。 Q,Q1Qo 000 00011 M=7 Rp =Q,QQn 100 1/01/01/0态 ②画电路图并标注管脚号。 ③预测波形图 a,010「10「1L01 例三:用74160芯片设计能按8421BCD译码显示0~59计数的60分频电路。 解:①设计思路:6×10=60 1)用74160芯片实现M=10的计数器 2)用置“0”法,设计一个M=6的计数器。 ②画电路图并标注管脚号。 十位 Q 80 Q40Q 20, Q10 74160(2 1474160(1) ③预测波形图(略)
10 例二：用 74161 芯片，采用可靠清“0”法设计 M=7 的加法计数器；反馈函数 按 SM=（111）2写。 解：① 列真值表并写出反馈函数。 ② 画电路图并标注管脚号。 ③ 预测波形图 例三：用 74160 芯片设计能按 8421BCD 译码显示 0 ～ 59 计数的 60 分频电路。 解：① 设计思路：6×10=60 1） 用 74160 芯片实现 M=10 的计数器； 2） 用置“0”法，设计一个 M=6 的计数器。 ② 画电路图并标注管脚号。 ③ 预测波形图（略）