数字电路实验教程 筠绍捷编 38 ●●● 海南大学机电工程学院 二00七年八月
数字电路实验教程 翁绍捷编 海南大学机电工程学院 二 OO 七年八月
前言 电子电路（模拟电子电路和数字电子电路）实验研究的对象是由各科 电子元器件连接而成的各种功能电路和系统，研究的基本任务包括电子 电路的分析和电子电路的设计两方面。电子电路的分析是用实验方法分 析各种功能电路的特性，而电子电路的设计则是在规定的技术指标要求 下，设计各种功能电路，并用实验方法进行分析、修改使之达到规定的 要求。 电子电路实验是继电路分析实验之后的一门重要的电子技术基础实 验课程，其目的不仅在于加强巩固课堂所学的基本理论和基本知识，更 主要的是培养学生如何将一个设计好的功能电路或集成电路部件在工程 上具体实现的工程能力，包括正确使用所需要的仪器仪表、查阅技术料 资和选用合适的元器件，撰写出合格的实验报告。在电子电路的制作过 程中学会基本的调试方法和发现问题、分析问题、解决问题的能力。电 子电路的实验方法一般有传统的直接电路实验方法和计算机模拟实验方 法。直接电路实验方法具有直观、简捷、技术方法简单、实验结果可靠 的优点，目前仍然是一种普遍采用的实验方法。计算机模拟实验方法是 一种计算机上的“电子实验工作台”，根据电路理论，采用元器件模型， 直接模拟电子电路的功能，而不需要任何实际元器件的“数值实验”。目 前己有许多应用于电子电路实验研究的计算机模拟软件，如PSPICE、 ORCDA ELECTRONICS WORKBENCH、PROTEL等，应用电 子电路计算机模拟软件进行实验教学，可增强感性认识，有利于验证与 分析理论，以及易于发挥学生的想象力，因而日益引起各高等学校的重 视，一些高等学校己将计算机模拟软件应用于电子电路的实验教学。 “数字电路实验教程”加强电子电路计算机模拟软件在实验教学中的 应用。共提供了十三个基本分析、设计实验和九个综合性的设计课题， 另外还详细介绍了计算机模拟软件PSPICE和ELECTRONICS WORKBENCH的使用方法，给出了一些实例以及练习题。在实验教学 内容的安排上，对于不同专业的学生可作不同的选择，而实验方法可选 择实际元器件连成电路的直接电路实验方法、计算机模拟实验方法或实 物与模拟相结合的实验方法
前 言 电子电路（模拟电子电路和数字电子电路）实验研究的对象是由各种 电子元器件连接而成的各种功能电路和系统，研究的基本任务包括电子 电路的分析和电子电路的设计两方面。电子电路的分析是用实验方法分 析各种功能电路的特性，而电子电路的设计则是在规定的技术指标要求 下，设计各种功能电路，并用实验方法进行分析、修改使之达到规定的 要求。 电子电路实验是继电路分析实验之后的一门重要的电子技术基础实 验课程，其目的不仅在于加强巩固课堂所学的基本理论和基本知识，更 主要的是培养学生如何将一个设计好的功能电路或集成电路部件在工程 上具体实现的工程能力，包括正确使用所需要的仪器仪表、查阅技术料 资和选用合适的元器件，撰写出合格的实验报告。在电子电路的制作过 程中学会基本的调试方法和发现问题、分析问题、解决问题的能力。电 子电路的实验方法一般有传统的直接电路实验方法和计算机模拟实验方 法。直接电路实验方法具有直观、简捷、技术方法简单、实验结果可靠 的优点，目前仍然是一种普遍采用的实验方法。计算机模拟实验方法是 一种计算机上的“电子实验工作台”，根据电路理论，采用元器件模型， 直接模拟电子电路的功能，而不需要任何实际元器件的“数值实验”。目 前已有许多应用于电子电路实验研究的计算机模拟软件，如 PSPICE 、 ORCDA、 ELECTRONICS WORKBENCH、PROTEL 等，应用电 子电路计算机模拟软件进行实验教学，可增强感性认识，有利于验证与 分析理论，以及易于发挥学生的想象力，因而日益引起各高等学校的重 视，一些高等学校已将计算机模拟软件应用于电子电路的实验教学。 “数字电路实验教程”加强电子电路计算机模拟软件在实验教学中的 应用。共提供了十三个基本分析、设计实验和九个综合性的设计课题， 另外还详细介绍了计算机模拟软件 PSPICE 和 ELECTRONICS WORKBENCH 的使用方法，给出了一些实例以及练习题。在实验教学 内容的安排上，对于不同专业的学生可作不同的选择，而实验方法可选 择实际元器件连成电路的直接电路实验方法、计算机模拟实验方法或实 物与模拟相结合的实验方法。 1
目录 实验部分 实验 TTL门电路实验 实验二 组合逻辑电路设计实验 实验三 优先编码器与七段译码驱动器应用实验 4 实验四 七段字形显示译码器实验 实验五 触发器应用实验 -11 实验六 移位寄存器应用实验 13 实验七 移位寄存器设计实验 16 实验八 二进制计数、 译码显示电路设计实验 19 实验九 十进制计数、译码、显示实验 22 实验十 门电路应用实验 -24 实验十 555定时器电路及其应用实验 -27 实验十二 D/A转换器实验 -29 实验十三 AVD转换器实验： 32 设计部分 课题1 时间计数显示系统的设计 34 课题2 定时控制电路的设计 6 课题3 数字电子钟系统的设计 .37 课题4 交通信号灯控制器的设计 -39 课题5 转速测量显示系统设计 .41 课题6 电子密码锁的设计 A2 课题7 数显式直流稳压电源设计 -44 课题8 三位数字频率计数系统设计 课题9 智力竟赛抢答器设计 -45 附录 实用软件简介 ELECTRONICS WORKBENCH EDA- -46 由子仿直软件 PSPICE -56 EDA练习题 60
目 录 实验部分 实验一 TTL 门电路实验-1 实验二 组合逻辑电路设计实验-3 实验三 优先编码器与七段译码驱动器应用实验-4 实验四 七段字形显示译码器实验-8 实验五 触发器应用实验-11 实验六 移位寄存器应用实验-13 实验七 移位寄存器设计实验-16 实验八 二进制计数、译码显示电路设计实验-19 实验九 十进制计数、译码、显示实验-22 实验十 门电路应用实验-24 实验十一 555 定时器电路及其应用实验-27 实验十二 D/A 转换器实验-29 实验十三 A/D 转换器实验-32 设计部分 课题 1 时间计数显示系统的设计-34 课题 2 定时控制电路的设计-36 课题 3 数字电子钟系统的设计-37 课题 4 交通信号灯控制器的设计-39 课题 5 转速测量显示系统设计-41 课题 6 电子密码锁的设计-42 课题 7 数显式直流稳压电源设计-44 课题 8 三位数字频率计数系统设计-44 课题 9 智力竟赛抢答器设计-45 附 录 实用软件简介 ELECTRONICS WORKBENCH EDA-46 电子仿真软件 PSPICE-56 EDA 练习题 -60 2
实验一TTL门电路实验 一、 实验目的： L.熟悉TTL与非门、或非门的外形及管脚引线排列： 2.加深对门电路逻辑功能的认识： 3. 掌握门电路的使用方法。 二、 实验芯片： 74LS00一四二输入与非门 74LS02一四二输入或非门 2 VCC IY 3 1Y 2 4 0 GND GND 7400(4 2-Input NAND) 7402 (4 2-Input NOR) NAND gate truth table: NOR gate truth table A B I Y A B I Y 引用 图1 三、 实验内容 1.逻辑功能实验：按表1输入，测出输出电压值，并转变为逻辑值。 注：输入端悬空一输入逻辑“1” 输入端接地一输入逻辑“0” 1)与非门逻辑功能的测量：图2 2)或非门逻辑功能的测量：图4
实验一 TTL 门电路实验 一、 实验目的： 1. 熟悉 TTL 与非门、或非门的外形及管脚引线排列； 2. 加深对门电路逻辑功能的认识； 3. 掌握门电路的使用方法。 二、 实验芯片： 74LS00 — 四二输入与非门 74LS02 — 四二输入或非门 图 1 三、 实验内容 1. 逻辑功能实验：按表 1 输入，测出输出电压值，并转变为逻辑值。 注：输入端悬空 — 输入逻辑“1” 输入端接地 — 输入逻辑“0” 1) 与非门逻辑功能的测量：图 2 2) 或非门逻辑功能的测量：图 4 3
图2 2.动态实验：输入=5KHz,Vm=4V的正脉冲。图3、图5所示，输入 方法为： 1)任一端悬空，另一输入端输入正脉冲V,测量、记录V、Vo波形。 2)任一输入端接地，另一输入端输入正脉冲V:,同时测量、记录V:、 Vo波形。， 3)两输入端同时输入正脉冲，测量、记录V、Vo波形。 9*5e +59 A A 51 图4 图5 3.应用实验 1)与非门输出驱动发光二极管：图6 输入Vm=4V,1HZ的正脉冲，观察LED显示情况：改变信号频 率，观察LED显示情况。 2)与非门输出驱动扬声器：图7 输入V:m=4V,=200一800Hz的脉冲信号，改变频率f的大小，观 察发声情况。 四、 实验报告要求： 1.将实验1测得的结果转换为真值表，验证逻辑功能： 2.怎样判断门电路逻辑功能是否正常？ 4
2. 动态实验：输入 f=5KHz ，Vm=4V 的正脉冲。图 3、图 5 所示，输入 方法为： 1) 任一端悬空，另一输入端输入正脉冲 Vi，测量、记录 Vi 、VO波形。 2) 任一输入端接地，另一输入端输入正脉冲 Vi ，同时测量、记录 Vi 、 VO 波形。 ， 3) 两输入端同时输入正脉冲，测量、记录 Vi、VO波形。 3. 应用实验 1) 与非门输出驱动发光二极管：图 6 输入 Vi m =4V, f=1HZ 的正脉冲，观察 LED 显示情况；改变信号频 率，观察 LED 显示情况。 2) 与非门输出驱动扬声器：图 7 输入 Vi m =4V, f=200—800HZ 的脉冲信号，改变频率 f 的大小，观 察发声情况。 四、 实验报告要求： 1. 将实验 1 测得的结果转换为真值表，验证逻辑功能； 2. 怎样判断门电路逻辑功能是否正常？ 4
3.分析实验2测得的输入、输出波形，说明它们的相位关系： 4.与非门一个输入端接连续脉冲，其余什么状态时，允许脉冲通过？什 么状态时禁止脉冲通过？ 说明实验3中发光二极管、扬声器中的工作过程： 6.TL门电路的高电平“1”、低电平“0”电平值各是多少？ 7.用ELECTRONICS WORKBENCH EDA进行分析. 实验二 组合逻辑电路设计实验 一、 实验目的： 1.掌握组合逻辑电路的设计方法： 2.熟悉组合逻辑电路逻辑功能的测试方法。 3.进一步掌握门电路的使用方法。 二、设计所用芯片： 74LS20一双四入TTL与非门 74LS00一四二入TTL与非门
3. 分析实验 2 测得的输入、输出波形，说明它们的相位关系； 4. 与非门一个输入端接连续脉冲，其余什么状态时，允许脉冲通过？什 么状态时禁止脉冲通过？ 5. 说明实验 3 中发光二极管、扬声器中的工作过程； 6. TTL 门电路的高电平“1” 、低电平“0” 电平值各是多少？ 7. 用 ELECTRONICS WORKBENCH EDA 进行分析。 实验二 组合逻辑电路设计实验 一、 实验目的： 1. 掌握组合逻辑电路的设计方法； 2. 熟悉组合逻辑电路逻辑功能的测试方法。 3. 进一步掌握门电路的使用方法。 二、 设计所用芯片： 74LS20 — 双四入 TTL 与非门 74LS00 — 四二入 TTL 与非门 5
三、设计任务： 设计一个数字锁，该锁方框图如图所示。其中A、B、C、D是四个 二进制代码输入端，E为开锁控制输入端。每把锁都有规定的四位数字代 码（设该锁为ABCD=1011),若输入代码符合该锁代码，开锁（控制输 入端E=1),锁才被打开(F1=1):若不符，开锁时，电路将发出警报信号 (F2=1),要求用最少的与非门实现。 F1锁开信号输出 B D F2报警信号输出 E 四、设计要求： 1.写出逻辑表达式，画出实验电路图： 2.搭成电路进行验证。 注：A、B、C、D和E所需电平可通过接高电平和接地获得： F1、F2的状态可通过发光二极管显示。 3.总结组合逻辑电路的设计方法。 4.若全部用四二入TTL与非门设计该数字锁，写出设计全过程，画出 电路图。 5.用EDA软件进行辅助设计、分析。 6
三、 设计任务： 设计一个数字锁,该锁方框图如图所示。其中 A、B、C、D 是四个 二进制代码输入端，E 为开锁控制输入端。每把锁都有规定的四位数字代 码（设该锁为 ABCD=1011），若输入代码符合该锁代码，开锁（控制输 入端 E=1），锁才被打开（F1=1）；若不符，开锁时，电路将发出警报信号 （F2=1），要求用最少的与非门实现。 A F1 锁开信号输出 B C D F2 报警信号输出 E 四、 设计要求： 1. 写出逻辑表达式，画出实验电路图； 2. 搭成电路进行验证。 注：A、B、C、D 和 E 所需电平可通过接高电平和接地获得； F1 、F2 的状态可通过发光二极管显示。 3. 总结组合逻辑电路的设计方法。 4. 若全部用四二入 TTL 与非门设计该数字锁，写出设计全过程，画出 电路图。 5．用 EDA 软件进行辅助设计、分析。 6
实验三优先编码器与七段译码驱动器应用实验 一、实验目的： 熟悉编码器和译码器的逻辑功能： 2.了解集成优先编码器与译码器的应用： 3. 学习查阅集成电路手册。 二、实验芯片： 1.74LS148一8/3线优先编码器 12~10一编码输入端（输入低电平有效） CBA一数码(8421码)输出（反码输出） Ei一使能输入端。Ei=1时，不工作。Ei=0时，允许编码器 进行编码。 E0一使能输出端。扩展编码输入。 Gs一工作状态输出端。有编码输出时Gs=0。 74148(8-to 3-line Priority Encoder) 8-Line to 3-Line Priority Encoder truth table: 16 E101Pg7567A2A9866E 5 S210A gX XXXXX 1 1 1 1 10 9 00001111 001100 10 74148 010 01111111 0 图1 2.74LS47一BCD七段译码器/驱动器 DCBA一数码输入(8421) g~a一七段输出
实验三 优先编码器与七段译码驱动器应用实验 一、 实验目的： 1. 熟悉编码器和译码器的逻辑功能； 2. 了解集成优先编码器与译码器的应用； 3. 学习查阅集成电路手册。 二、 实验芯片： 1. 74LS148 — 8 /3 线优先编码器 I7 ~ Io — 编码输入端（输入低电平有效） CBA — 数码（8421 码）输出（反码输出） Ei — 使能输入端。Ei = 1 时，不工作。Ei = 0 时，允许编码器 进行编码。 Eo — 使能输出端。扩展编码输入。 Gs — 工作状态输出端。有编码输出时 Gs = 0。 图１ 2. 74LS47 — BCD 七段译码器/驱动器 DCBA — 数码输入（8421） g ~ a — 七段输出 7
LT一点灯端。LT=0时，a=b==gl 工作时，LT=1。 RBO一灭灯输入或状态输出。RBO=O时，a=b=,.=g=0,正常工 作时，作为译码状态输出。 RBI一灭“0”输入，OCBA=0000时，若RBI=0,则a=b==g0 7447(BCD-to-Seven Segment Decoder/Drivers) Inputs Outputs No. T BI/RBO a b c d e f g 0110 1111 0100 0110013 0 0011081 121315 010001 1 1 888 8888888 1111111 3。 14 OE 7447 图2 3. LED为共阳七段字形数码管。 8
LT — 点灯端。LT=0 时，a=b=.=g=1 工作时，LT=1。 RBO — 灭灯输入或状态输出。RBO=O 时，a=b=.=g=0,正常工 作时，作为译码状态输出。 RBI — 灭“0”输入，OCBA=0000 时，若 RBI=0，则 a=b=.=g=0 图２ 3． LED 为共阳七段字形数码管。 8
三、实验电路与实验内容 1.由74LS148、74LS47及LED数码管构成的状态显示电路，图3 所示。分别使10、I1、I2、3、I4、I5、I6、I7=0,观察数码显示 字形，并记录下来。 2. 改变74LS148、74LS47各控制端的状态后，电路能否正常工作？ 13 7447 +5V COM G sW-DIP8 74148 1C8 四、实验报告要求： 1. 分析电路的工作原理： 2. 说明Ii、CBA输入及LED显示字形的关系，列出真值表： 3 采用74LS48实现与实验电路相同的功能，试画出逻辑电路： 4. 总结集成编码器与译码器的使用方法。 5.用EDA软件进行实验
三、 实验电路与实验内容： 1. 由 74LS148、74LS47 及 LED 数码管构成的状态显示电路，图 3 所示。分别使 I0、I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7=0，观察数码显示 字形，并记录下来。 2. 改变 74LS148、74LS47 各控制端的状态后，电路能否正常工作？ 四、 实验报告要求： 1. 分析电路的工作原理； 2. 说明 Ii、CBA 输入及 LED 显示字形的关系，列出真值表： 3. 采用 74LS48 实现与实验电路相同的功能，试画出逻辑电路； 4. 总结集成编码器与译码器的使用方法。 5．用 EDA 软件进行实验。 9