杭州电子科技大学：《大学物理》课程实验指导（光电信息技术）光电数字电路实验

光电信息技术实验一一光电数字电路 目录 第一篇系统介绍 第一章系统概述 1 第二章 通用电路简介 .2 第三章 实验区简介 第二篇基础型实验 8 实验一 晶体管开关特性、限幅器与箝位器 实验二 门电路电参数的测试 13 实验三CMOS门电路测试 24 实验四 门电路逻辑功能及测试 .28 实验五 组合逻辑电路（半加器全加器及逻辑运算） 33 实验六触发器（一）R-S,D,J-K .38 实验七触发器（二）三态输出触发器及锁存器 43 实验八时序电路测试及研究 第三篇综合型实验 79 综合实验一智力竞赛抢答器电路 70 综合实验二 电子秒表 .82 3 综合实验三 2位直流数字电压表. 87 3、 附录CC7107AVD转换器组成 位直流数字电压表 .93 综合实验四数字频率计 96 综合实验五拔河游戏机 103 综合实验六随机存取存储器2114A及其应用 .108 第四篇设计型实验 .120 课题 8路抢答器电路设计 120 课预二 数字电子钟设计. 124 课题四 汽车尾灯控制电路 137 课题五篮球竞赛30s计时器 .141 第五篇附录. .144 杭州电子科技大学理学院物理实验教学示范中心光电信息技术实验室

光电信息技术实验 ――光电数字电路 目 录 第一篇 系统介绍. 1 第一章 系统概述. 1 第二章 通用电路简介. 2 第三章 实验区简介. 7 第二篇 基础型实验. 8 实验一 晶体管开关特性、限幅器与箝位器 . 8 实验二 门电路电参数的测试 . 13 实验三 CMOS 门电路测试 . 24 实验四 门电路逻辑功能及测试 . 28 实验五 组合逻辑电路（半加器全加器及逻辑运算） . 33 实验六 触发器（一）R-S，D，J-K . 38 实验七 触发器（二）三态输出触发器及锁存器 . 43 实验八 时序电路测试及研究 . 47 第三篇 综合型实验. 79 综合实验一 智力竞赛抢答器电路 . 79 综合实验二 电子秒表. 82 综合实验三 2 1 3 位直流数字电压表. 87 附录 CC7107A/D 转换器组成的 2 1 3 位直流数字电压表. 93 综合实验四 数字频率计. 96 综合实验五 拔河游戏机. 103 综合实验六 随机存取存储器 2114A 及其应用. 108 第四篇 设计型实验. 120 课题一 8 路抢答器电路设计 . 120 课题二 数字电子钟设计 . 124 课题四 汽车尾灯控制电路 . 137 课题五 篮球竞赛 30s 计时器. 141 第五篇 附录. 144 杭州电子科技大学理学院 物理实验教学示范中心 光电信息技术实验室 1

光电信息技术实验一一光电数字电路 第一篇系统介绍 第一章系统概述 一、系统特点 DJ-SD型数字逻辑实验仪是D系列产品之一，它适用于数字逻辑电路、脉冲电路等课 程的教学实验，同时也适用于相关电子课程设计，产品开发及科研。该实验仪在吸取国内 外同类产品优点的基础上设计定型的，它具有设计精良、性能稳定、接触可靠、使用方便 等特点，为开发型实验创造了理想的实验环境，是广大高等院校实验室首选产品。 二、系统结构框图 D-SD系列数字逻辑实验仪主要由电源接口、通用电路单元、面包板、各式IC插座等 组成。通用电路包括四位8421BCD码LED显示器，1位LED显示器，时钟电路，时序启停 电路，手动单脉冲电路，可调连续脉冲发生器，频率计，十六位二进制电平显示开关，十 六位二进制电平输入开关，逻辑笔、电位器组等。 D-SDI实验箱的系统结构框图如下所示： BCD码LED 七段显示 IC插座 电位晷组 电源及开关 可调连续脉 手动单脉冲 面包板区 时序及固定脉冲 1C插座 数字频率计 逻辑笔 C插座 逻辑电平显示 或阻容元件 逻辑电平输入开关 区 杭州电子科技大学理学院物理实验教学示范中心光电信息技术实验室

光电信息技术实验 ――光电数字电路 第一篇 系统介绍 第一章 系统概述 一、系统特点 DJ-SD型数字逻辑实验仪是DJ系列产品之一，它适用于数字逻辑电路、脉冲电路等课 程的教学实验，同时也适用于相关电子课程设计，产品开发及科研。该实验仪在吸取国内 外同类产品优点的基础上设计定型的，它具有设计精良、性能稳定、接触可靠、使用方便 等特点，为开发型实验创造了理想的实验环境，是广大高等院校实验室首选产品。 二、系统结构框图 DJ-SD系列数字逻辑实验仪主要由电源接口、通用电路单元、面包板、各式IC插座等 组成。通用电路包括四位8421BCD码LED显示器，1位LED显示器，时钟电路，时序启停 电路，手动单脉冲电路，可调连续脉冲发生器，频率计，十六位二进制电平显示开关，十 六位二进制电平输入开关，逻辑笔、电位器组等。 DJ-SD1实验箱的系统结构框图如下所示： IC 插座 或阻容元件 区 IC 插座 IC 插座 面包板区 逻辑电平输入开关 逻辑电平显示 逻辑笔 数字频率计 时序及固定脉冲 手动单脉冲 可调连续脉 电位器组 电源及开关 BCD 码 LED 七段显示 杭州电子科技大学理学院 物理实验教学示范中心 光电信息技术实验室 1

光电信息技术实验一一光电数字电路 三、系统组成 该实验系统主要有以下内容组成： (1)电源参数：+5V2.0A,±12V/0.5A (2)信号源： 提供一组手动正负单脉冲： 一组固定频率的脉冲输出，可输出6种频率：1KHz、10KHz、100KHz、250KHz、500KHz MHz: 一组时序信号：T1~T4,可单拍输出或连续输出： 一组可调连续脉冲输出，输出频率为0~1MHz。 (3)数字频率计：测量范围0~10MHz,误差小于1Hz。 (4)装有四只可调电位器，阻值分别为1K,50K,100K,680K。 (5)主板上设有16P、20P、40P共10个可靠的1IC锁紧插座， (6)提供一组4位BCD码LED显示器，1位七段显示器，16位二进制电平输入，16位 进制电平显示器。 (7)数字逻辑笔一组 (8)面包板扩展区，三块大面包板，二块小面包板。 (9)保护箱：铝合金外箱一只。 (10)备有可多次叠插的锁紧插头线及实验指导书一本。 第二章通用电路简介 一、二~十进制七段译码显示器 二~十进制七段译码显示器共4位，段码为A、B、C、D、E、F和G七段，译码器采用 CD4511,显示器采用共阴0.5英寸显示器。译码器的输入端对应于每一位的8、4、2、1插 孔。另有4个小数点，每个小数点串入一只限流电阻。下图为二~十进制七段译码显示器 电路图。 杭州电子科技大学理学院物理实验教学示范中心光电信息技术实验室

光电信息技术实验 ――光电数字电路 杭州电子科技大学理学院 物理实验教学示范中心 光电信息技术实验室 2 三、系统组成 该实验系统主要有以下内容组成： （1）电源参数：+5V/2.0A，±12V/0.5A。 （2）信号源： 提供一组手动正负单脉冲； 一组固定频率的脉冲输出，可输出6种频率：1KHz、10KHz、100KHz、250KHz、500KHz、 1MHz； 一组时序信号：T1～T4，可单拍输出或连续输出； 一组可调连续脉冲输出，输出频率为0～1MHz。 （3）数字频率计：测量范围0～10MHz，误差小于1Hz。 （4）装有四只可调电位器，阻值分别为1K，50K，100K，680K。 （5）主板上设有16P、20P、40P共10个可靠的IC锁紧插座， （6）提供一组4位BCD码LED显示器，1位七段显示器，16位二进制电平输入，16位 二进制电平显示器。 （7）数字逻辑笔一组 （8）面包板扩展区，三块大面包板，二块小面包板。 （9）保护箱：铝合金外箱一只。 （10）备有可多次叠插的锁紧插头线及实验指导书一本。 第二章 通用电路简介 一、二～十进制七段译码显示器 二～十进制七段译码显示器共4位，段码为A、B、C、D、E、F和G七段，译码器采用 CD4511，显示器采用共阴0.5英寸显示器。译码器的输入端对应于每一位的8、4、2、1插 孔。另有4个小数点，每个小数点串入一只限流电阻。下图为二～十进制七段译码显示器 电路图

光电信息技术实验一一光电数字电路 七段显示 d四)口▣L5 4511 图2.1 二、十六位二进制电平显示器 二进制电平显示器如下图，由三片74L$04电路驱动发光二极管。当输入端为高电平时 对应的发光二极管亮，表示逻辑1'，当输入端为低电平时，对应的发光二极管不亮，表 示逻辑‘0'。初始状态为逻辑0'。 510 1 图2.2 三、十六位逻辑开关 逻辑电平开关由十六个开关电路组成，其电路如图2.3，当开关往上拔时，产生逻辑高 电平1'，当开关往下拔时，产生逻辑低电平0'。 Ki 9 100 10K 图2.3 杭州电子科技大学理学院物理实验教学示范中心光电信息技术实验室

光电信息技术实验 ――光电数字电路 二、十六位二进制电平显示器 二进制电平显示器如下图，由三片74LS04电路驱动发光二极管。当输入端为高电平时， 对应的发光二极管亮，表示逻辑‘1’，当输入端为低电平时，对应的发光二极管不亮，表 示逻辑‘0’。初始状态为逻辑‘0’。 三、十六位逻辑开关 逻辑电平开关由十六个开关电路组成，其电路如图2.3，当开关往上拔时，产生逻辑高 电平‘1’，当开关往下拔时，产生逻辑低电平‘0’。 杭州电子科技大学理学院 物理实验教学示范中心 光电信息技术实验室 3

光电信息技术实验一一光电数字电路 四、单脉冲电路 单脉冲电路有1个，其中P1单脉冲电路采用消抖动的RS电路，电路如图2-4，每按一 下单脉冲键，产生正负脉冲各一个。 3.3K*2 0: 4Ls00 图2.4 五、时钟电路 时钟电路由16M晶振、74LS04、74LS74等元件组成，其电路如图2-5A,由4M晶振 74LS04等元件组成振荡电路，再由74LS74电路分频整形输出，输出2MHZ、1MHZ、500KHZ 方波信号。再由1M方波信号经6级十进制分频，产生100KHZ、10KHZ、1KHZ、100KZ 10HZ、1HZ方波信号。见图2-5B 2 1 0.01 10 图2.5A 10KHZ 1KHZ 100H7 10哑 图2.5D 杭州电子科技大学理学院物理实验教学示范中心光电信息技术实验室

光电信息技术实验 ――光电数字电路 四、单脉冲电路 单脉冲电路有1个，其中P1单脉冲电路采用消抖动的R-S电路，电路如图2-4，每按一 下单脉冲键，产生正负脉冲各一个。 五、时钟电路 时钟电路由16M晶振、74LS04、74LS74等元件组成，其电路如图2-5A，由4M晶振、 74LS04等元件组成振荡电路，再由74LS74电路分频整形输出，输出2MHZ、1MHZ、500KHZ 方波信号。再由1M方波信号经6级十进制分频，产生100KHZ、10KHZ、1KHZ、100KZ、 10HZ、1HZ方波信号。见图2-5B 杭州电子科技大学理学院 物理实验教学示范中心 光电信息技术实验室 4

光电信息技术实验一一光电数字电路 六、时序发生器及启停电路 图2-6为时序发生器及启停电路原理图。其中：MF为时钟信号输入端，时钟信号可从 1MHZ、10OKHZ中选择一个连接。QD信号为时序启动信号，可接至单脉冲的正脉冲或负 脉冲。T开关为单拍和连续输出时序信号选择开关，当开关往上拔时，输出单拍的时序信 号：当开关往下拔时，输出连续的时序信号。图2-7为时序信号输出波形图。 七、可调连续脉冲 可输出频率为0~1MHz的脉冲信号，输出为幅度为4.5V。 八、逻辑笔 当输入为高电平‘1'时：发光二极管为红色，当输入低电平0'时，发光二极管为 绿色：输入端悬空时，发光二极管为黄色。 杭州电子科技大学理学院物理实验教学示范中心光电信息技术实验室 5

光电信息技术实验 ――光电数字电路 杭州电子科技大学理学院 物理实验教学示范中心 光电信息技术实验室 5 六、时序发生器及启停电路 图2-6为时序发生器及启停电路原理图。其中：MF为时钟信号输入端，时钟信号可从 1MHZ、100KHZ中选择一个连接。QD信号为时序启动信号，可接至单脉冲的正脉冲或负 脉冲。TJ开关为单拍和连续输出时序信号选择开关，当开关往上拔时，输出单拍的时序信 号：当开关往下拔时，输出连续的时序信号。图2-7为时序信号输出波形图。 七、可调连续脉冲 可输出频率为0～1MHz的脉冲信号，输出为幅度为4.5V。 八、逻辑笔 当输入为高电平‘1’时；发光二极管为红色，当输入低电平‘0’时，发光二极管为 绿色；输入端悬空时，发光二极管为黄色

光电信息技术实验一一光电数字电路 图2.6时序发生器及启停电路图 门几 几几 图2.7输出连续的时序信号波形图 杭州电子科技大学理学院物理实验教学示范中心光电信息技术实验室

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光电信息技术实验一一光电数字电路 第三章实验区简介 一、实验区组成 实验区主要由IC(锁紧)插座、面包板两部分组成，（锁紧）插座的引脚间由印刷线 路板连通至旋紧式插孔。验证性实验可利用（锁紧）插座完成；综合实验及设计实验可利 用（锁紧）插座、面包板共同完成。实验板上有（锁紧）插座10个（不同型号，数目不 同)，C插座的电源端、地线端均未连接。 二、集成电路的接线 实验时用专用锁紧式导线插入锁紧式插针孔，顺时针转20~30度。折除时，逆时针 转20~30度。 由实验仪的结构可知，锁紧式插孔是实验的关键部分，因此正确使用锁紧式插孔、导 线是主要问题，下面介绍一些接线技巧。 1、实验前，应先插入集成电路、电阻等元件。 2、实验时，应根据导线的长度合理使用，不要用太长的导线，同时尽量多用几种颜 色。连接时，导线插入锁紧式插孔时，应顺时针转20度~30度，不要太用力，不然 插得太紧，不容易拆除。 3、实验板上的IC插座大部分电源线、地线均未连接，使用时应根据具体情况连接。 4、实验结束时，需拆除导线，应逆时针旋转导线20度~30度，然后拔出，不能直接 拉导线，直接拉导线，会使导线断路。 杭州电子科技大学理学院物理实验教学示范中心光电信息技术实验室

光电信息技术实验 ――光电数字电路 杭州电子科技大学理学院 物理实验教学示范中心 光电信息技术实验室 7 第三章 实验区简介 一、实验区组成 实验区主要由 IC（锁紧）插座、面包板两部分组成，（锁紧）插座的引脚间由印刷线 路板连通至旋紧式插孔。验证性实验可利用（锁紧）插座完成；综合实验及设计实验可利 用（锁紧）插座、面包板共同完成。实验板上有（锁紧）插座 10 个（不同型号，数目不 同），IC 插座的电源端、地线端均未连接。 二、集成电路的接线 实验时用专用锁紧式导线插入锁紧式插针孔，顺时针转 20～30 度。折除时，逆时针 转 20～30 度。 由实验仪的结构可知，锁紧式插孔是实验的关键部分，因此正确使用锁紧式插孔、导 线是主要问题，下面介绍一些接线技巧。 1、实验前，应先插入集成电路、电阻等元件。 2、实验时，应根据导线的长度合理使用，不要用太长的导线，同时尽量多用几种颜 色。连接时，导线插入锁紧式插孔时，应顺时针转 20 度～30 度，不要太用力，不然 插得太紧，不容易拆除。 3、实验板上的 IC 插座大部分电源线、地线均未连接，使用时应根据具体情况连接。 4、实验结束时，需拆除导线，应逆时针旋转导线 20 度～30 度，然后拔出，不能直接 拉导线，直接拉导线，会使导线断路

光电信息技术实验一一光电数字电路 第二篇基础型实验 实验一晶体管开关特性、限幅器与箝位器 一、实验目的 1、测试品体二极管、三极管的开关特性，了解外电路参数变化对品体管开关特性的影响 2、掌握限幅器和箝位器的基本工作原理。 二、实验原理 1、晶体二极管的开关特性 由于晶体二极管具有单向导电性，故其开关特性表现在正向导通与反向截止两种不同 状态的转换过程。 如图1-1电路，输入端施加一方波激励信号，由于二极管结电容的存在，因而有充 电、放电和存贮电荷的建立与消散的过程。因此当加在二极管上的电压突然由正向偏置 V2 (+V,)变为反向偏置(V2)时，二极管并不立即截止，而是出现一个较大的反向电流R, 并维持一段时间s(称为存贮时间)后，电流才开始减小，再经红（称为下降时间）后，反 向电流才等于静态特性上的反向电流I0,将=i+r叫做反向恢复时间，m与二极管 的结构有关，PN结面积小，结电容小，存贮电荷就少，·就短，同时也与正向导通电流和 反向电流有关。 当管子选定后，减小正向导通电流和增大反向驱动电流，可加速电路的转换过程。 2、晶体三极管的开关特性 晶体三极管的开关特性是指它从截止到饱和导通，或从饱和导通到截止的转换过程， 而且这种转换都需要一定的时间才能完成。 如图1-2电路的输入端，施加一个足够幅度（在-V2和+V1之间变化）的矩形脉冲电压 V激励信号，就能使晶体管从截止状态进入饱和导通，再从饱和进入截止。可见晶体管T 的集电极电流，和输出电压V。的波形已不是一个理想的矩形波，其起始部分和平顶部分都 延迟了一段时间，其上升沿和下降沿都变得缓慢了，如图1-2波形所示。 杭州电子科技大学理学院物理实验教学示范中心光电信息技术实验室

光电信息技术实验 ――光电数字电路 第二篇 基础型实验 实验一 晶体管开关特性、限幅器与箝位器 一、实验目的 1、测试晶体二极管、三极管的开关特性，了解外电路参数变化对晶体管开关特性的影响。 2、掌握限幅器和箝位器的基本工作原理。 二、实验原理 1、晶体二极管的开关特性 由于晶体二极管具有单向导电性，故其开关特性表现在正向导通与反向截止两种不同 状态的转换过程。 如图 1-1 电路，输入端施加一方波激励信号Vi，由于二极管结电容的存在，因而有充 电、放电和存贮电荷的建立与消散的过程。因此当加在二极管上的电压突然由正向偏置 （+V1）变为反向偏置（-V2）时，二极管并不立即截止，而是出现一个较大的反向电流 R V 2  ， 并维持一段时间ts（称为存贮时间）后，电流才开始减小，再经tr（称为下降时间）后，反 向电流才等于静态特性上的反向电流I0，将trr  t  trs 叫做反向恢复时间，trr 与二极管 的结构有关，PN结面积小，结电容小，存贮电荷就少，ts 就短，同时也与正向导通电流和 反向电流有关。 当管子选定后，减小正向导通电流和增大反向驱动电流，可加速电路的转换过程。 2、晶体三极管的开关特性 晶体三极管的开关特性是指它从截止到饱和导通，或从饱和导通到截止的转换过程， 而且这种转换都需要一定的时间才能完成。 如图 1-2 电路的输入端，施加一个足够幅度（在-V2和+V1之间变化）的矩形脉冲电压 Vi激励信号，就能使晶体管从截止状态进入饱和导通，再从饱和进入截止。可见晶体管T 的集电极电流ic和输出电压Vo的波形已不是一个理想的矩形波，其起始部分和平顶部分都 延迟了一段时间，其上升沿和下降沿都变得缓慢了，如图 1-2 波形所示。 杭州电子科技大学理学院 物理实验教学示范中心 光电信息技术实验室 8

光电信息技术实验一一光电数字电路 从V,开始跃升到ie上升到0.1lcs,所需的时间定义为延迟时间t:,而i从0.1cs增长到 0.9ICs的时间为上升时间t,从V:开始跃降到i。下降到0.91cs的时间为存贮时间ts,而i,从 0.9Ic下降到0.1Ics的时间为下降时间t,通常称lm=a+b为三极管开关的“接通时间” =+t称为“断开时间”，形成上述开关特性的主要原因仍是晶体管结电容之故。 R -2 ic◆ 0.918 72 0.1Ics i 70 V1/R +- 物t 0.1Vo -T2/R ts tf toff 图11品体二极管的开关特性 图12品体三极管的开关特性 改善晶体三极管开关特性的方法是采用加速电容Cb和在晶体管的集电极加二极管D 杭州电子科技大学理学院物理实验教学示范中心光电信息技术实验室

光电信息技术实验 ――光电数字电路 从Vi开始跃升到ic上升到 0.1ICS，所需的时间定义为延迟时间td，而ic从 0.1ICS增长到 0.9 ICS的时间为上升时间tr，从Vi开始跃降到ic下降到 0.9ICS的时间为存贮时间tS，而ic从 0.9 ICS下降到 0.1 ICS的时间为下降时间tf，通常称 on  tt  trd 为三极 t 称为“ 管开关的“接通时间”， t t off s   r 断开时间”，形成上述开关特性的主要原因仍是晶体管结电容之故。 图 1-1 晶体二极管的开关特性 图 1-2 晶体三极管的开关特性 改善晶体三极管开关特性的方法是采用加速电容 Cb 和在晶体管的集电极加二极管 D 杭州电子科技大学理学院 物理实验教学示范中心 光电信息技术实验室 9