數(shù)字邏輯指導(dǎo)書講義資料

數(shù)字邏輯電子技術(shù)實驗指導(dǎo)與設(shè)計PAGEPAGE282數(shù)字電路實驗基本知識一、數(shù)字集成電路封裝中、小規(guī)模數(shù)字IC中最常用的是TTL電路和CMOS電路。TTL器件型號以74（或54）作前綴，稱為74/54系列，如74LS10、74F181、54S86等。中、小規(guī)模CMOS數(shù)字集成電路主要是4XXX/45XX（X代表0—9的數(shù)字）系列，高速CMOS電路HC（74HC系列），與TTL兼容的高速CMOS電路HCT（74HCT系列）。TTL電路與CMOS電路各有優(yōu)缺點，TTL速度高，CMOS電路功耗小、電源范圍大、抗擾能力強。由于TTL電路在世界范圍內(nèi)應(yīng)用極廣，在數(shù)字電路教學(xué)實驗中，我們主要使用TTL74系列電路作為實驗用器件，采用單一+5V作為供電電源。數(shù)字IC器件有多種封裝形式。為了教學(xué)實驗方便，實驗中所用的74系列器件封裝選用雙列直插式。圖1是雙列直插封裝的正面示意圖。雙列直插封裝有以下特點：圖1雙列直插式封裝圖圖2PLCC封裝圖1.從正面（上面）看，器件一端有一個半圓的缺口，這是正方向的標(biāo)志。缺口左邊的引腳為1，引腳號按逆時針方向增加。圖1中的數(shù)字表示引腳號。雙列直插封裝IC引腳數(shù)有14、16、20、24、28等若干種。2.雙列直插器件有兩列引腳。引腳之間的間距是2.54毫米。兩列引腳之間的距離有寬（15.24毫米）、窄（7.62毫米）兩種。兩列引腳之間的距離能夠少做改變，引腳間距不能改變。將器件插入實驗臺上的插座中去或者從插座中拔出時要小心，不要將器件引腳搞彎或折斷。3.74系列器件一般左下角的最后一個引腳是GND，右上角的引腳是VCC。例如，14引腳器件引腳7是GND，引腳14是VCC；20引腳器件引腳10是GND，引腳20是VCC。但也有一些例外，例如16引腳的雙JK觸發(fā)器74LS76，引腳13（不是引腳8）是GND，引腳5（不是引腳16）是VCC。所以使用集成電路器件時要看清它的引腳圖，找對電源和地，避免因接線錯誤造成器件損壞。數(shù)字電路綜合實驗中，使用的復(fù)雜可編程邏輯器件MACH4—64/32（或者ISP1016）是44引腳的PLCC（PlasticLeadedChipCarrier）封裝，圖2是封裝正面圖。器件上的小圓圈指示引腳1，引腳號按逆時針方向增加，引腳2在引腳1的左邊，引腳44在引腳1的右邊。MACH—64/32電源引腳號、地引腳號與ISP1016不同，千萬不要插錯PLCC插座。插PLCC器件時，器件的左上角（缺角）要對準(zhǔn)插座的左上角。拔PLCC器件應(yīng)使用專門的起拔器。XK實驗臺上的接線采用自鎖緊插頭、插孔（插座）。使用自鎖緊插頭、插孔接線時，首先把插頭插進插孔中，然后將插頭按順時針方向輕輕一擰則鎖緊。拔出插頭時，首先按逆時針方向輕輕擰一下插頭，使插頭和插孔之間松開，然后將插頭從插孔中拔出。不要使勁拔插頭，以免損壞插頭和連線。必須注意，不能帶電插、拔器件。插、拔器件只能在關(guān)斷+5V電源的情況下進行。二、數(shù)字電路測試及故障查找、排除設(shè)計好一個數(shù)字電路后，要對其進行測試，以驗證設(shè)計是否正確。測試過程中，發(fā)現(xiàn)問題要分析原因，找出故障所在，并解決它。數(shù)字電路實驗也遵循這些原則。1.數(shù)字電路測試數(shù)字電路測試大體上分為靜態(tài)測試和動態(tài)測試兩部分。靜態(tài)測試指的是，給定數(shù)字電路若干組靜態(tài)輸入值，測試數(shù)字電路的輸出值是否正確。數(shù)字電路設(shè)計好后，在實驗臺上連接成一個完整的線路。把線路的輸入接電平開關(guān)輸出端，線路的輸出接電平指示燈，按功能表或狀態(tài)表的要求，改變輸入狀態(tài)，觀察輸入和輸出之間的關(guān)系是否符合設(shè)計要求。靜態(tài)測試是檢查設(shè)計是否正確，接線是否無誤的重要一步。在靜態(tài)測試基礎(chǔ)上，按設(shè)計要求在輸入端加脈沖信號，觀察輸出端波形是否符合設(shè)計要求，這是動態(tài)測試。有些數(shù)字電路只需進行靜態(tài)測試即可，有些數(shù)字電路則必須進行動態(tài)測試。一般地說，時序電路應(yīng)進行動態(tài)測試。2.數(shù)字電路的故障查找和排除在數(shù)字電路實驗中，出現(xiàn)問題是難免的。重要的是分析問題，找出出現(xiàn)問題的原因，從而解決它。一般地說，有四個方面的原因產(chǎn)生問題（故障）：器件故障、接線錯誤、設(shè)計錯誤和測試方法不正確。在查找故障過程中，首先要熟悉經(jīng)常發(fā)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問題引起的故障，表現(xiàn)為器件工作不正常。不言而喻，器件失效肯定會引起工作不正常，這需要更換一個好器件。器件接插問題，如管腳折斷或者器件的某個（或某些）引腳沒插到插座中等，也會使器件工作不正常。對于器件接插錯誤有時不易發(fā)現(xiàn)，需仔細檢查。判斷器件失效的方法是用集成電路測試儀測試器件。需要指出的是，一般的集成電路測試儀只能檢測器件的某些靜態(tài)特性。對負載能力等靜態(tài)特性和上升沿、下降沿、延遲時間等動態(tài)特性，一般的集成電路測試儀不能測試。測試器件的這些參數(shù)，須使用專門的集成電路測試儀。（2）接線錯誤接線錯誤是最常見的錯誤。據(jù)有人統(tǒng)計，在教學(xué)實驗中，大約百分之七十以上的故障是由接線錯誤引起的。常見的接線錯誤包括忘記接器件的電源和地；連線與插孔接觸不良；連線經(jīng)多次使用后，有可能外面塑料包皮完好，但內(nèi)部線斷；連線多接、漏接、錯接；連線過長、過亂造成干擾。接線錯誤造成的現(xiàn)象多種多樣，例如器件的某個功能塊不工作或工作不正常，器件不工作或發(fā)熱，電路中一部分工作狀態(tài)不穩(wěn)定等。解決方法大致包括：熟悉所用器件的功能及其引腳號，知道器件每個引腳的功能；器件的電源和地一定要接對、接好；檢查連線和插孔接觸是否良好；檢查連線有無錯接、多接、漏接；檢查連線中有無斷線。最重要的是接線前要畫出接線圖，按圖接線，不要憑記憶隨想隨接；接線要規(guī)范、整齊，盡量走直線、短線，以免引起干擾。（3）設(shè)計錯誤設(shè)計錯誤自然會造成與預(yù)想的結(jié)果不一致。原因是對實驗要求沒有吃透，或者是對所用器件的原理沒有掌握。因此實驗前一定要理解實驗要求，掌握實驗線路原理，精心設(shè)計。初始設(shè)計完成后一般應(yīng)對設(shè)計進行優(yōu)化。最后畫好邏輯圖及接線圖。（4）測試方法不正確如果不發(fā)生前面所述三種錯誤，實驗一般會成功。但有時測試方法不正確也會引起觀測錯誤。例如，一個穩(wěn)定的波形，如果用示波器觀測，而示波器沒有同步，則造成波形不穩(wěn)的假象。因此要學(xué)會正確使用所用儀器、儀表。在數(shù)字電路中，尤其要學(xué)會正確使用示波器。在對數(shù)字電路測試過程中，由于測試儀器、儀表加到被測電路上后，對被測電路相當(dāng)與一個負載，因此測試過程中也有可能引起電路本身工作狀態(tài)的改變，這點應(yīng)引起注意。不過，在數(shù)字電路實驗中，這種現(xiàn)象很少發(fā)生。當(dāng)實驗中發(fā)現(xiàn)結(jié)果與預(yù)期不一致時，千萬不要慌亂。應(yīng)仔細觀測現(xiàn)象，冷靜思考問題所在。首先檢查儀器、儀表的使用是否正確。在正確使用儀器、儀表的前提下，按邏輯圖和接線圖逐級查找問題出現(xiàn)在何處。通常從發(fā)現(xiàn)問題的地方，一級一級向前測試，直到找出故障的初始發(fā)生位置。在故障的初始位置處，首先檢查連線是否正確。前面已說過，實驗故障絕大部分是由接線錯誤引起的，因此檢查一定要認真、仔細。確認接線無誤后，檢查器件引腳是否全部正確插進插座中，有無引腳折斷、彎曲、錯插問題。確認無上述問題后，取下器件測試，以檢查器件好壞、或者直接換一個好器件。如果器件和接線都正確，則需考慮設(shè)計問題。XK-D2H+主要特點D2H+可編程數(shù)字邏輯實驗儀根據(jù)國家教育大綱的要求，同時集眾多實驗儀的優(yōu)點而最新設(shè)計的。特別是在擴展區(qū)選用了萬能鎖緊式插座，可直接插入電阻、電容及8-40芯片集成電路等器件，擴展口采用了鍍金自鎖大孔。真正具備了功能全、可靠性好、連接方便、測試精確等優(yōu)點。它既能夠使用中小規(guī)模器件做簡單數(shù)字電路實驗，又可以用PLD、CPLD及ISPLD等器件做較為復(fù)雜的數(shù)字電路系統(tǒng)實驗，為培養(yǎng)學(xué)生打好數(shù)字電路的基礎(chǔ)創(chuàng)造了良好實驗環(huán)境。XK-D2H+實驗儀主要技術(shù)性能（一）電源電壓：輸入AC：220V輸出DC：+5V，1A（帶保護）±12V，0.5A（帶保護）（二）信號源：函數(shù)信號發(fā)生器輸出波形：方波、三角波、正弦波幅值：正弦波：0～14V（14V為峰-峰值，且正負對稱）三角波：0～24V（24V為峰-峰值，且正負對稱）方波：0～24V（24V為峰-峰值，且正負對稱）頻率范圍：分四檔，10Hz～100Hz，100Hz～1KHz，1KHz～10KHz，10KHz～100KHz（三）時鐘源頻率：1Hz、10Hz、100Hz、1KHz、10KHz、100KHz、1MHz、2MHz、4MHz（四）單脈沖及相位滯后脈沖實驗臺上安排了四個單脈沖按鈕AK1、AK2、AK3、AK4，產(chǎn)生4路單脈沖。每個按鍵的上方有兩個對應(yīng)的插孔，形成兩排插孔。下排的插孔輸出寬脈沖，上排的插孔輸出窄脈沖。每按一次按鈕，在下排與此按鈕對應(yīng)的插孔產(chǎn)生一個與按下時間相等的單脈沖，稱之為寬脈沖。單脈沖產(chǎn)生器采用RS觸發(fā)器構(gòu)成的消除抖動電路。如果把一個時鐘源接到“時鐘入”插孔，按一次按鈕，除在下排的對應(yīng)插孔產(chǎn)生一個寬單脈沖外，同時還會在上排的4個插孔產(chǎn)生1到4個窄脈沖，脈沖的寬度與輸入時鐘周期相同，各窄脈沖相位差一個輸入時鐘周期。輸出脈沖的個數(shù)取決于按鈕位置，按鈕AK1產(chǎn)生4個窄脈沖，按鈕AK2產(chǎn)生3個窄脈沖，按鈕AK3產(chǎn)生2個窄脈沖，按鈕AK4產(chǎn)生1個窄脈沖。按鈕AK1產(chǎn)生的1個寬脈沖和4個窄脈沖如圖所示：圖4寬脈沖和四個窄脈沖（五）邏輯測試筆可測：脈沖、高、低等信號。（六）數(shù)字頻率計測試頻率范圍：0～300KHz（七）邏輯電平開關(guān)及LED邏輯電平指示1.12位邏輯電平開關(guān)，開關(guān)向上撥輸出為高電平，向下?lián)茌敵鰹榈碗娖健?.12位LED邏輯指示，高電位燈為亮，低電位燈為滅。（八）數(shù)碼管顯示6位BCD碼數(shù)碼管顯示。圖5單脈沖及相位滯后脈沖電路（九）BCD碼數(shù)字撥碼開關(guān)4位BCD碼數(shù)字撥碼開關(guān)。（十）擴展區(qū)1.40芯萬能鎖緊插座4個。2.28芯萬能鎖緊插座2個。3.44芯ISP編程插座1個。4.電位器組、4.7K1個、10K1個、100K1個。5.電阻、電容、二級管、三極管元件40多個。Synario軟件的安裝和ISP器件下載Synario軟件的安裝和IPS器件下載方法一：1.Synario軟件的安裝Synario是由DATAI/O公司開發(fā)的一個通用電子設(shè)計軟件，在WINDOWS平臺運行。它支持ABEL-HDL語言、VHDL語言、原理圖三種電子設(shè)計方式，以及這些設(shè)計方式的混合使用，是可編程器件設(shè)計的優(yōu)秀工具之一。通過與器件公司合作，研制適配軟件（接口軟件），Synario支持許多公司（如Altera、AMD、Lattice、Philips、Xilinx等）的可編程器件。器件公司發(fā)行支持該公司器件設(shè)計的Synario版本。Synario軟件裝在一張光盤上，啟動光盤上的CDSETUP程序（或類似程序），在該程序的安裝指導(dǎo)下，可一步步將Synario正確安裝。2.ISP器件下載ISP是在系統(tǒng)可編程（InSystemProgram）的縮寫。ISP器件的出現(xiàn)實現(xiàn)了先安裝器件在電路板上，然后對其編程的愿望。這樣在不更改系統(tǒng)硬件的條件下，能夠?qū)ο到y(tǒng)進行修改、升級。ISP器件在系統(tǒng)編程（下載）是通過JTAG接口實現(xiàn)的。JTAG是JointTestActionGroup的簡稱。JTAG接口標(biāo)準(zhǔn)原是為采用邊界掃描法測試芯片和電路板制定的標(biāo)準(zhǔn)。IPS主要是使用JTAG接口中的TDI（TestDataInput）、TDO（TestDataOutput）、TMS（TestModeSelect）、TCK（TestClock）信號，采用了與JTAG類似的方法。對ISP器件來說，TDI、TCK、TMS是輸入信號，TDO是輸出信號。由于在一塊系統(tǒng)板上可能有多個ISP器件，為了使用一個下載插座對它們編程，同在JTAG接口中一樣，這些ISP器件在系統(tǒng)板上也連接成“鏈”的形成，見下圖圖ISP器件下載鏈為了對ISP器件下載，在PC機上運行的下載程序借用PC機的打印機并行端口。PC機的打印機端口與一條下載電纜連接，下載電纜的另一端接下載插座，ISP器件通過TDI、TDO、TMS、TCK等信號與下載插座相連。下載程序通過打印機數(shù)據(jù)端口向下載插座發(fā)送數(shù)據(jù)，通過打印機狀態(tài)端口從下載插座接收數(shù)據(jù)。這樣，在PC機上運行的下載程序就能將標(biāo)準(zhǔn)JEDEC文件的數(shù)據(jù)下載到ISP器件中，從而實現(xiàn)對ISP器件的在系統(tǒng)編程。D2H+實驗臺采用兩套下載系統(tǒng)，一套用于Vantice公司的ISP（MACH）器件，一套用于Lattice公司的ISP器件。采用兩套系統(tǒng)，主要是防止干擾。每套下載系統(tǒng)有一條下載電纜，一個下載插座，一個44腳PLCC插座，連接時要正確連接，注意不要接錯。MACH下載插座的信號如下：引腳1—TCK引腳2—NC引腳3—TMS引腳4—GND引腳5—TDI引腳6—Vcc或NC引腳7—TDO引腳8—GND引腳9—NC引腳10—NCLattice下載插座的信號如下：引腳1—SCLK引腳2—GND引腳3—MODE引腳4—NC引腳5—isoEN引腳6—SDI引腳7—SDO引腳8—Vcc下載前，首先用下載電纜將PC機的打印機端口和實驗臺上的下載插座接好，將ISP器件插入相應(yīng)44腳PLCC插座，打開實驗臺電源。Lattice公司ISP器件的下載程序集成在ISPSynario中。Vantice公司的器件下載軟件是一個單獨的軟件，名為machpro。使用machpro下載前，首先應(yīng)將光盤上machpro子目錄下的所有文件拷貝到硬盤上一個獨立的子目錄中。D2H+數(shù)字電路實驗系統(tǒng)目前支持Lattice公司和Vantice（AMD）公司的PLCC封裝的44引腳ISP器件下載。下面簡要說明下載軟件的是使用。一、VanticeISP器件下載在windows環(huán)境下，單擊machpro圖標(biāo)啟動下載程序，進入下載程序界面。這是一個標(biāo)準(zhǔn)WINDOWS界面，熟悉WINDOWS使用方法的用戶很容易掌握。這里介紹ISP器件下載主要步驟。1.選擇File菜單中的New子菜單條目，打開一個新的下載器件鏈窗口，生成一個新ISP下載器材鏈。2.在鏈文件窗口下，選擇Edit菜單中的子菜單條目AddDevice，向下載器件鏈（此時為空鏈）中加一個新ISP器件。3.屏幕上出現(xiàn)JTAGPartProperties對話框，用于定義新ISP器件下載過程中有關(guān)的特性。（1）在Part（器件型號）對話框中選擇新器件的型號，如M4-64/3244PINPLCC。（2）在JTAGOperation對話框中選擇所需的操作。進行下載操作時，選擇P=Erase，Program&VerifyDevicew/JEDECFile，即進行擦除、編程、編程后與JEDEC文件校驗。（3）單擊GetFile，選擇欲下載的文件。文件名出現(xiàn)在JEDECFilefor對話框中?；蛘咧苯釉贘EDECFilefor對話框內(nèi)鍵入所需的JEDEC文件名。（4）單擊GetFile，選擇輸出結(jié)果的文件名。文件名出現(xiàn)在OutputResult對話框中。或者直接在OutputResult對話框鍵入所需的JEDEC文件名。此文件用于記錄下載過程的現(xiàn)象。如果不進行這一步，結(jié)果記錄在logfile.out文件中。（5）在StateofIOpinswhile對話框中選擇Z=Tri-state。這是下載時最常見的IO引腳狀態(tài)選擇，它指出下載時IO引腳處于三態(tài)（高阻）狀態(tài)。（6）最后單擊OK，結(jié)束新ISP下載器件特性的定義，回到MACHPRO主屏幕。5.這時可以看到，一個新的ISP器件加到了下載鏈中。單擊GO按鈕，則對鏈中的所有ISP器件（這里只有一個）開始編程，即對它們下載。二、LatticeSynario器件下載1.在ISPSynario主屏幕上，雙擊ISPDownLoadSystem，調(diào)用ISPChainDownioad軟件。進入ISPChainDownioad界面。2.單擊Configuration子菜單中的PortAssignment條目，選擇下載電纜所在的并行口地址。3.單擊Configuration子菜單下的ScanBoard條目，下載軟件對下載鏈中的器件自動掃描，確定下載鏈中有多少器件，每個器件是何種型號。若連接無誤，將會彈出目標(biāo)器件列表。4.在器件列表中的File欄內(nèi)，選擇下載到各器件中的相應(yīng)JEDEC文件。5.在Option欄內(nèi)選擇Program&Verify，即編程和校驗操作。6.單擊Command子菜單中的RunOperation條目，即啟動下載操作。Synario軟件的安裝和ISP器件下載方法二：第一步：首先打開alu.syn項目文件，單擊選擇窗口左側(cè)列表框的“ALUI（alul.abl）”項，再雙擊窗口右側(cè)列表框的“ComileLogic”。如果程序無語法錯誤，則編譯完畢。第二步：單擊選擇窗口左側(cè)列表框的器件名“ispLSI1016E-80LJ44”，再雙擊窗口右側(cè)列表框的“CompileDesign”第三步：單擊菜單欄“Tools/CompileDesignEnvironment”命令進入編譯設(shè)計環(huán)境，單擊菜單欄“Assign/PinLocaiions”命令打開引腳預(yù)定窗口，鎖定引腳的方法是單擊選定“Unassigned”列表框中的引腳名使其高亮顯示，再雙擊窗口右側(cè)引腳圖中預(yù)定義的引腳即可完成引腳定義，可在“AssignPins”列表框中查看已定義的引腳。引腳鎖定后再選擇菜單欄“Tools/Compile”進行編譯，生成aiu.jed文件。第四步：單擊菜單欄“Tools/ispDCD”命令打開窗口，在下載窗口的菜單欄選擇“Command/TurboDownload/RunTurboDownload”命令將生成的JEDEC文件下載至ispLI1016E芯片中。如果該菜單命令項呈屏蔽狀態(tài)，說明下載電纜沒有被檢測到，請檢查后再試。數(shù)字電子技術(shù)基本實驗實驗一數(shù)制及半導(dǎo)體器件的基本知識一、實驗?zāi)康?.熟悉二進制、十進制、十六進制的表示方法。2.掌握二極管、三極管的開關(guān)特性。3.學(xué)會分立元件門電路邏輯功能的測試方法。二、實驗原理和電路1.數(shù)制十進制是人們在日常生活及生產(chǎn)中最熟悉、應(yīng)用最廣泛的計數(shù)方法。它由0、1、2、3、4、5、6、7、8、9十個不同的數(shù)字符號組成，是以10為基數(shù)的計數(shù)體制。二進制是數(shù)字電路和計算機中采用的一種數(shù)制，它由0、1兩個符號組成，是以2為基數(shù)的計數(shù)體制。二進制由于只有兩個數(shù)字符號0和1，因此很容易用電路元件的狀態(tài)來表示。例如，三極管的截止和飽和，繼電器的接通和斷開，燈泡的亮和滅，電平的高和低等，都可以將其中一個狀態(tài)定為0，另一個狀態(tài)定為1。此外，二進制數(shù)字運算比較簡單，存貯和傳送也十分可靠。同樣表示一個數(shù)，二進制數(shù)所表示的數(shù)與十進制表示的數(shù)位數(shù)不一樣。例如十進制數(shù)25表示為二進制數(shù)為11001，需5位。在計算機中進行的各種操作，通常先進行“十翻二”運算，待結(jié)果出來后，再進行“二翻十”操作。由于二進制數(shù)比十進制位數(shù)多，不便于書寫和記憶，因此在計算機應(yīng)用中，經(jīng)常用十六進制數(shù)來表示。十六進制是以16為基數(shù)的計數(shù)體制，共有0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A（10）、B（11）、C（12）、D（13）、C（14）、E（15）、F（16）個數(shù)字符號。十進制、二進制、十六進制數(shù)制對照表如表1.1。1所示。表1.1、1數(shù)制對照表對照內(nèi)容十進制二進制十六進制數(shù)字符號0、1進位規(guī)律逢十進一（借一當(dāng)十）逢二進一（借一當(dāng)二）逢十六進一（借一當(dāng)十六）基數(shù)R10216權(quán)10i2i16i任意整數(shù)、小數(shù)表達式數(shù)制之間是可以互相轉(zhuǎn)換的，具體方法參考有關(guān)教材。這里我們列出16以內(nèi)應(yīng)熟記的二進制、十進制、十六進制數(shù)制的表示，如表1.1.2所示。表1.1.20～15數(shù)制對照表二進制十進制十六進制000000010010001101000101011001111000100110101011110011011110111101234567891011121314150123456789ABCDEF2.二極管的開關(guān)特性二極管的主要特點是單向?qū)щ娦?。圖1.1.1是我們在數(shù)字電路中常用的硅二極管伏安特性曲線。由圖可見，當(dāng)加在二極管上的正向電壓VD大于死區(qū)電壓Vo時，管子開始導(dǎo)通，此后電流ID隨著VD的增加而急劇增加。當(dāng)VD小于Vo時，ID已經(jīng)很小，而且基本不變。因此，我們常在實際應(yīng)用時，把二極管當(dāng)作一個理想的開關(guān)元件，即VD≥0.7V時，二極管導(dǎo)通；VD﹤0.7V時，二極管截止。3.三極管的開關(guān)特性三極管是數(shù)字電路中最基本的開關(guān)元件，多數(shù)工作在飽和導(dǎo)通或截止這種工作狀態(tài)下，并在這兩種工作狀態(tài)之間快速轉(zhuǎn)換。在圖1.1.2所示電路中，當(dāng)輸入端加電壓VI=0V時，三極管截止；當(dāng)V1變化到+3V時，三極管飽和導(dǎo)通。通常我們把三極管的基極電流IB大于臨界飽和時的數(shù)值IBS稱為飽和導(dǎo)通條件。而把基極電壓VBE小于0.5V作為三極管截止的條件。（a）電壓、電流方向（b）伏安特性曲線圖1.1.1二極管特性圖1.1.2三極管工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)化4.MOS場效應(yīng)管的開關(guān)特性MOS場效應(yīng)管也是一種具有PN結(jié)的半導(dǎo)體器件，它是利用電場的效應(yīng)來控制電流的，是屬于電壓控制類型的器件。它有N型和P型兩種導(dǎo)電溝道，并且還有結(jié)型和絕緣柵型兩種結(jié)構(gòu)。由N、P溝道增強型MOS管構(gòu)成的簡單電路如圖1.1.3所示。對于N溝道增強型MOS管來說，其開啟電壓VT典型值為4V左右。當(dāng)VGS﹥VT時，MOS管導(dǎo)通；VGS﹤VT時，MOS管截止。對P溝道增強型MOS管來說，VT典型值為-4V左右。VGS﹥VT時，MOS管截止；VGS﹤VT時，MOS管導(dǎo)通。（a）N溝道增強型（b）P溝道增強型圖1.1.3MOS管構(gòu)成的簡單電路5.分立元件門電路在數(shù)字電路中，門電路大多數(shù)是集成的，只有少量的（或大功率電路中）用到分立元件門電路。這些分立元件電路就是由二極管、三極管及電阻等組成的。有關(guān)門電路見下節(jié)有關(guān)實驗電路。三、實驗內(nèi)容和步驟1.二進制的認識實驗將XK系列數(shù)字電子技術(shù)實驗系統(tǒng)上的四只邏輯開關(guān)分別接四只發(fā)光二極管，如圖1.1.4所示。分別撥動邏輯開關(guān)K1、K2、K3、K4為表1.1.2十六種二進制狀態(tài)，通過LED顯示，熟記它所對應(yīng)的十進制、十六進制所表示的數(shù)。2.二極管開關(guān)特性測試（1）按圖1.1.5（a）接線，輸入V1接邏輯開關(guān)K，輸出Vo接LED發(fā)光二極管，電阻一端接二極管D的負極，一端接實驗系統(tǒng)地。（2）接通實驗系統(tǒng)電源（5V），撥動邏輯開關(guān)，使之輸入邏輯1（＞3V）或邏輯0（OV）電平，用萬用表測量電壓VD和Vo，并分別將結(jié)果填入表1.1.3中。表1.1.3二極管特性記錄表D的狀態(tài)V1（V）VD（V）Vo（V）正偏邏輯1邏輯0反偏邏輯1邏輯0圖1.1.4二進制數(shù)實驗接線圖（3）改變D的方向，按圖1.1.5（b）接線，重復(fù)第（2）步。（a）D正偏（b）D反偏圖1.1.5二極管開關(guān)特性測試電路3.三極管開關(guān)特性測試（1）按圖1.1.6所示在實驗系統(tǒng)上接好線，其中Rc=3KΩ，Rb=2KΩ，Vcc=5V，T為3DG6（或9011），輸入端V1接邏輯開關(guān)，（若自選參數(shù)，則要求輸入分別為高、低電平時，T分別能可靠地飽和、截止）。（2）接通實驗系統(tǒng)電源，撥動邏輯開關(guān)，在輸入端分別加入高（邏輯1）或低（邏輯0）電平時，按表1.1.4要求測量和記錄有關(guān)電壓，電流值。測量電流時，斷開電路，將萬用表串入電路中。（3）將Vo接實驗箱上LED發(fā)光二極管，撥動邏輯開關(guān)，觀察輸入與輸出的邏輯關(guān)系。表1.1.4三極管開關(guān)特性記錄表V1（V）IB（mA）Ic（mA）VBVoT的狀態(tài)（4）用雙蹤示波器觀察輸入、輸出信號的相位關(guān)系。按圖1.1.6，把輸入端V1改接到實驗系統(tǒng)連續(xù)脈沖輸出端（頻率調(diào)至1KHz左右），同時接雙蹤示波器YA；電路輸出端Vo接示波器YB輸入，示波器顯示方式置交替，適當(dāng)調(diào)節(jié)“電平”和“掃描速度”旋鈕，觀察輸入、輸出信號的相位關(guān)系。4.MOS管的開關(guān)特性測試（1）按圖1.1.3（a）接線，其中RD=100KΩ，VDD=10V，MOS管為3DG6。（2）接通電源。VGS加VDD=10V，用表測量VDS、ID的值并記錄。VGS為0V，用表測量VDS，ID的值，并圖1.1.6三極管開關(guān)特性測試實驗電路記錄，填入表1.1.5中。表1.1.5MOS管開關(guān)特性記錄表V1（V）ID（mA）VDS（V）T的狀態(tài)5.分立元件電路邏輯功能測試（1）與門邏輯功能測試a.在實驗系統(tǒng)上，按圖1.1.7所示電路連線。b.輸入端A、B接邏輯開關(guān)，輸出接發(fā)光二極管和萬用表，按表1.1.6要求測試并記錄輸出端邏輯狀態(tài)，寫出Y邏輯表達式。（2）或門邏輯功能測試按圖1.1.8在實驗系統(tǒng)上接線。其余測試方法同上，結(jié)果填入表1.1.7中。圖1.1.7二極管“與”邏輯電路圖1.1.8二極管“或”邏輯功能表1.1.6“與”邏輯功能狀態(tài)表表1.1.7“或”邏輯功能狀態(tài)表ABVo（V）Y狀態(tài)00110101ABVo（V）Y狀態(tài)00110101四、實驗器材1.XK系列數(shù)字電子技術(shù)實驗系統(tǒng)1臺2.直流穩(wěn)壓電源1臺3.雙蹤示波器1臺4.萬用表2只5.元器件：3DG6（9011）、3DO6各1只1N40012只2KΩ、3KΩ、10KΩ、20KΩ、100KΩ電阻各1只五、預(yù)習(xí)要求1.復(fù)習(xí)數(shù)制的基本概念。2.復(fù)習(xí)二極管、三極管、MOS管的開關(guān)特性。3.復(fù)習(xí)“與”、“或”、“非”等邏輯功能的意義。4.閱讀XK系列數(shù)字電子技術(shù)實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和使用說明（見附錄一）。5.了解雙蹤示波器面板各旋鈕的作用和使用方法（見各校所用示波器說明書）。六、實驗報告要求1.按要求填寫各實驗表格。2.說明半導(dǎo)體二極管導(dǎo)通和截止，三極管、MOS管導(dǎo)通、飽和與截止的各自條件與特點。3.在分立元件與、或門中，若輸入有一個分別接高或地，對輸出有何影響？實驗二門電路一、實驗?zāi)康?.驗證常用TTL、CMOS集成門電路邏輯功能。2.掌握各種門電路的邏輯符號。3.了解集成電路的外引線排列及其使用方法。二、實驗原理和電路集成邏輯門電路是最簡單、最基本的數(shù)字集成元件。任何復(fù)雜的組合電路和時序電路都可用邏輯門通過適當(dāng)?shù)慕M合連接而成。目前已有門類齊全的集成門電路，例如“與門”、“或門”、“非門”、“與非門”等。雖然，中、大規(guī)模集成電路相繼問世，但組成某一系統(tǒng)時，仍少不了各種門電路。因此，掌握邏輯門的工作原理，熟練、靈活地使用邏輯門是數(shù)字技術(shù)工作者所必備的基本功之一。1.TTL門電路TTL集成電路由于工作速度高、輸出幅度較大、種類多、不易損壞而使用較廣，特別對學(xué)生進行實驗論證，選用TTL電路比較合適。因此，本書大多采用74LS（或74）系列TTL集成電路。它的工作電源電壓為5V±0.5V，邏輯高電平1時≥2.4V，低電平0時≤0.4V。圖1.2.1為2輸入“與門”，2輸入“或門”，2輸入4輸入“與非門”和反相器的邏輯符號圖。它們的型號分別是74LS082輸入端四“與門”。74LS322輸入端四“或門”，74LS002輸入端四“與非門”，74LS204輸入端二“與非門”和74LS04六反相器（“反相器”即“非門”）。各自的邏輯表達式分別為：與門Q=A·B，或門Q=A+B，與非門Q=A·B,Q=A·B·C·D,反相器Q=A。（a）與門（b）或門（c）與非門（d）反相器圖1.2.1TTL基本邏輯門電路TTL集成門電路外引腳分別對應(yīng)邏輯符號圖中的輸入、輸出端。電源和地一般為集成塊的兩端，如14腳集成電路，則7腳為電源地（GND），14腳為電源正（Vcc），其余引腳為輸入和輸出，如圖1.2.2所示。外引腳的識別方法是：將集成塊正面對準(zhǔn)使用者，以凹口左邊或小標(biāo)點“·”為起始腳1，逆時針方向向前數(shù)1，2，3,……………n腳。使用時，查找IC手冊即可知各管腳功能。（a）（b）圖1.2.2集成電路管腳排列圖1.2.3TTL門電路實驗接線圖2.CMOS門電路CMOS集成電路功耗極低，輸出幅度大，噪聲容限大，扇出能力強，電源范圍較寬，應(yīng)用很廣。但CMOS電路應(yīng)用時，必須注意以下幾個方面：（1）不用的輸入端不能懸空。（2）電源電壓使用正確，不得接反。（3）焊接或測量儀器必須可靠接地。（4）不得在通電情況下，隨意拔插輸入接線。（5）輸入信號電平應(yīng)在CMOS標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平之內(nèi)。CMOS集成門電路邏輯符號、邏輯關(guān)系及外引腳排列方法均同TTL，所不同的是型號和電源電壓范圍。選用CC4000（CD4000）系列的CMOS集成電路，電源電壓范圍為+3V～+18V。而選用C000系列的CMOS集成電路，電源電壓范圍為+7V～15V。因此，設(shè)計COMS電路時應(yīng)注意對電源電壓的選擇。，三、實驗內(nèi)容和步驟1.TTL門電路邏輯功能驗證（1）按圖1.2.1在實驗系統(tǒng)（箱）上找到相應(yīng)的門電路。并把輸入端接實驗箱的邏輯開關(guān)，輸出端接發(fā)光二極管，如圖1.2.3（a）所示TTL與門電路邏輯功能驗證接線圖。若實驗系統(tǒng)上無門電路集成元件，可把相應(yīng)型號的集成電路插入實驗箱集成塊空插座上，再接上電源正、負極，輸入端接邏輯開關(guān)，輸出端接LED發(fā)光二極管，即可進行驗證實驗，如圖1.2.3(b)所示。（2）按狀態(tài)表1.2.1中“與門”一欄輸入A、B（0,1）信號，觀察輸出結(jié)果（看LED備用發(fā)光二極管、如燈亮為1，燈滅為0）填入表1.2.1中，并用萬用表測量0、1電平值。表1.2.1門電路邏輯功能表輸入輸出與門或門與非門反相器D（K4）C（K3）B（K2）A（K1）Q=ABQ=A+B0011010100110101（3）按同樣方法，驗證“或門”74LS32，“與非門”74LS00、74LS20，“反相器”74LS04的邏輯功能，并把結(jié)果填入表1.2.1中。要注意：TTL門電路的輸入端若不接信號，則視為1電平。在拔插集成塊時，必須切斷電源。2.CMOS門電路邏輯功能驗證CMOS門電路的邏輯功能驗證方法同TTL門電路。為簡單起見，這里僅以CMOS“或非門”邏輯功能驗證為例，選用CD40024輸入端二或非門集成塊進行驗證。（1）實驗驗證線路圖見圖1.2.4所示。圖1.2.4（a）為或非門邏輯符號，圖1.2.4（b）為接線圖。不用的多余輸入端應(yīng)可靠接地。（2）按圖1.2.4（b）接線，輸入端接K1～K3邏輯開關(guān)，輸出端接LED發(fā)光二極管。電源電壓選用5V，14腳接+5V，7腳接地。（3）接通電源，撥動邏輯開關(guān)，輸入相應(yīng)的信號，驗證其功能是否滿足“或非門”邏輯表達式Q=A+B+C（表格自擬）（a）邏輯圖（b）接線圖圖1.2.4CMOS或非門邏輯功能驗證接線圖（4）CMOS集成電路與TTL集成電路不同，多余不用的門電路或觸發(fā)器等，其輸入端都必須進行處理,在工程技術(shù)中也如此。此外，在實驗時,當(dāng)輸入端需改接連線時,不得在通電情況下進行操作；均需先切斷電源，改接連線完成后，再通電進行實驗。輸出一般不需要保護處理。（5）用萬用表測量CMOS電路0和1電平數(shù)值。四、實驗器材1.XK系列數(shù)字電子技術(shù)實驗系統(tǒng)1臺2.直流穩(wěn)壓電源1臺3.集成電路：74LS08，74LS32，74LS20，74LS00，74LS04，CD4002各1片4.萬用表1個五、預(yù)習(xí)要求1.復(fù)習(xí)門電路的邏輯功能及各邏輯函數(shù)表達式。2.查找集成電路手冊，畫好進行實驗用各芯片管腳圖、實驗接線圖。3.預(yù)習(xí)CMOS電路使用注意事項。4.畫好實驗用表格。5.用門電路完成下列邏輯變換，并畫出邏輯線路圖：（1）Q=AB+CD（2）Q=AB+AB（3）Q=（AB+CD）·EF六、實驗報告要求1.畫出實驗用門電路的邏輯符號，并寫出其邏輯表達式。2.整理實驗表格。3.TTL、CMOS集成電路的高電平（1）、低電平（0）電平值分別是多少？4.畫出門電路邏輯變換的線路圖。實驗三TTL/CMOS門電路參數(shù)測試一、實驗?zāi)康?.掌握TTL“與非門”電路參數(shù)的意義及其測試方法。2.掌握CMOS“或非門”電路參數(shù)的意義及其測試方法。二、實驗原理和電路在系統(tǒng)電路設(shè)計時，往往要用到一些門電路，而門電路的一些特性參數(shù)的好壞，在很大程度上影響整機工作的可靠性。本實驗中我們僅選用TTL74LS002輸入端四與非門和CD40012輸入端四或非門進行參數(shù)的實驗測試，以幫助我們掌握門電路的主要參數(shù)的意義和測試方法。74LS00和CD4001集成電路外引腳排列圖如圖1.3.1所示。（a）74LS00（b）CD4001圖1.3.174LS00和CD4001集成電路外引腳排列圖通常參數(shù)按時間特性分二種：靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)。靜態(tài)參數(shù)指電路處于穩(wěn)定的邏輯狀態(tài)下測得的參數(shù)；而動態(tài)參數(shù)則指邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中與時間有關(guān)的參數(shù)。TTL“與非”門的主要參數(shù)有：1.扇入系數(shù)Ni和扇出系數(shù)No，能使電路正常工作的輸入端數(shù)目稱為扇入系數(shù)Ni。電路正常工作時，能帶動的同型號門的數(shù)目稱為扇出系數(shù)No。2.輸出高電平VOH；一般VOH≥2.4V。3.輸出低電平VOL：一般VOL≤0.4V。4.電壓傳輸特性曲線、開門電平Von和關(guān)門電平Voff：圖1.3.2所示Vi-Vo關(guān)系曲線稱為電壓傳輸特性曲線。使輸出電壓Vo剛剛達到低電平VOL時的最低輸入電壓稱為開門電平Von。使輸出電壓Vo剛剛達到高電平VOH時的最高輸入電壓Vi稱為關(guān)門電平Voff。5.輸入短路電流IIS：一個輸入端接地，其它輸入端懸空時，流過該接地輸入端的電流為輸入短路電流IIS。6.空載導(dǎo)通功耗Pon：指輸入全部為高電平、輸出為低電平且不帶負載時的功率損耗。7.空載截止功耗Pon：指輸入有低電平、輸出為高電平且不帶負載時的功率損耗。8.抗干擾噪聲容限：電路能夠保持正確的邏輯關(guān)系所允許的最大干擾電壓值，稱為噪聲電壓容限。其中輸入低電平時的噪聲容限為△0=Voff-VIL（VIL就是前級的VOL），而輸入高電平時的噪聲容限為△1=VIH-Von（VIH就是前級的VOH）。9.平均傳輸延遲時間tpd如圖1.3.3所示tpd=（tpdI+tpdh）/2，它是衡量開關(guān)電路速度的重要指標(biāo)。一般情況下，低速組件tpd約40～160ns，中速組件tpd約15～40ns，高速組件約8～15ns，超高速組件tpd小于8ns。Tpd的近似計算方法：tpd=T/6，T為用三個門電路組成振蕩器的周期。10.輸入漏電流Iro：指一個輸入端接高電平，另一輸入端接地時，流過高電平輸入端的電流。圖1.3.2電壓傳輸特性曲線圖1.3.3平均傳輸延遲時間tpdCMOS電路的參數(shù)是對它本身特性的一種定量描述。這些參數(shù)應(yīng)包括邏輯功能的正確與否，性能優(yōu)劣及可靠性水平等。各參數(shù)的意義和測試方法大體與TTL差不多，詳細請參閱CMOS集成電路手冊。三、實驗內(nèi)容及步驟TTL選用74LS00集成門電路。首先驗證其邏輯功能（驗證方法參考實驗二），正確后，再進行下面參數(shù)測試：1.TTL與非門參數(shù)測試（1）空載導(dǎo)通功耗Pon空載導(dǎo)通功耗Pon是指輸入全為高電平、輸出為低電平且不接負載時的功率損耗。Pon=Vcc·Iccl式中：Vcc——電源電壓；IccL——導(dǎo)通電源電流。測試電路見圖1.3.4（a）；電流表、電壓表用萬用表即可。按圖1.3.4（a）接線，合上K1和K2，再合上電源開關(guān)，讀出電流值IccL和電壓值Vcc。（2）空載截止功耗Poff空載截止功耗Poff是指輸入端至少有一個為低電平、輸出為高電平且不接負載時的功率損耗。Poff=Vcc·IccH式中：IccH—載止電源電流，Vcc—電源電壓。測試電路見圖1.3.4（a）。按圖1.3.4（a）接線，接上萬用表，K1或K2斷開，合上電源開關(guān)，讀出電流值ICCH和電壓值Vcc。（3）低電平輸入電流IIL（IIS）低電平輸入電流IIL又稱輸入短路電流IIS，是指有一個輸入端接地，其余端開路，輸出空載時，接地輸入端流出的電流。測試電路見圖1.3.4（b）。按圖1.3.4（b）接線，讀出電流即可。（4）高電平輸入電流IIH（Ila）高電平輸入電流IIH又稱輸入漏電流Ila、輸入反向電流；它是指輸入端一端接高電平、其余輸入端接地時流過那個接高電平輸入端的電流。測試電路見圖1.3.4（c）。讀出電流值即可。（5）輸出高電平VOH輸出高電平VOH是指輸出不接負載、當(dāng)有一輸入端為低電平時的電路輸出電壓值。測試電路見圖1.3.4（d）。K1合上，K2斷開，接通電源，讀出電壓值。（6）輸出低電平VOL輸出低電平VOL是指所有輸入端均接高電平時的輸出電壓值。測試電路同圖1.3.4（d）K1、K2均合上，接通電源，讀出電壓值。（7）電壓傳輸特性是反映輸出電壓υ0與輸入電壓υi之間關(guān)系的特性曲線。測試電路見圖1.3.4（e）。電阻R插入實驗箱電阻插孔中，K2合上為1，旋轉(zhuǎn)電位器Rw，使V1逐漸增大，同時讀出V1和V2值，其中V1值代表輸入電壓υi，V2值代表輸出電壓υa值。畫出υ0與υi的關(guān)系曲線，即電壓傳輸特性。（8）扇出系數(shù)No扇出系數(shù)No是指能正常驅(qū)動同型號與非門的最多個數(shù)。測試電路見圖1.3.4（f）。（a）（b）（c）（e）（f）（g）圖1.3.4TTL與非門參數(shù)測試圖（a）空載導(dǎo)通功耗Pon，空載截止功耗Poff測試電路：（b）低電平輸入電流IIL；（c）高電平輸入電流IIH測試電路；（d）輸出高電平VOH，輸出低電平VOL測試電路；（e）電壓傳輸特性測試電路；（f）扇出系數(shù)No測試電路；（g）平均傳輸延遲時間tpd測試電路。1號腳、2號腳均懸空，接通電源，調(diào)節(jié)電位器Rw，使電壓表的值為VOL=0.4V，讀出此時的電流值IOL。扇出系數(shù)No=IOL/IIL。（9）平均傳輸延遲時間tpdTTL與非門動態(tài)參數(shù)主要是指傳輸延遲時間，即輸入波形邊沿的0.5Vm點至輸出波形對應(yīng)邊沿的0.5Vm點的時間間隔，一般用平均傳輸延遲時間tpd表示。其中Vm表示輸入以及輸出電壓的最大值。測試電路見圖1.3.4（g）。按圖接線，3個與非門組成環(huán)形振蕩器，從示波器中讀出振蕩周期T。平均傳輸延遲時間tpd=T/6。2.CMOS或非門參數(shù)測試CMOS器件的特性參數(shù)也有靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)之分。測試CMOS器件靜態(tài)參數(shù)時的電路與測試TTL器件靜態(tài)參數(shù)的電路大體相同，不過要注意CMOS器件和TTL器件的使用規(guī)則各不相同，對各個端腳的處理要注意符合邏輯關(guān)系。另外，CMOS器件的ICCL、ICCH值極小，僅幾毫安。為了保證輸出開路的條件，其輸出端所使用的電壓表內(nèi)阻要足夠大，最好用直流數(shù)字電壓表。在此我們僅介紹其傳輸特性的測量和延遲時間的測量電路。選用CD40012輸入端四或非門一塊，并驗證其邏輯功能正確后，進行如下實驗測試：（1）電壓傳輸特性a.測試電路如圖1.3.5所示。圖1.3.5電壓傳輸特性測試電路圖1.3.6平均傳輸延遲時間tpdb.合上電源開關(guān)，調(diào)節(jié)電位器Rw，選擇若干個輸入電壓值V1，測量相應(yīng)的輸出電壓值V2，然后由測量所得的數(shù)據(jù)，作（繪）出CMOS或非門的電壓傳輸特性。c.斷開電源開關(guān)，將2號腳不與7號腳相連，而與1號腳相連。合上電源開關(guān)，重復(fù)上述調(diào)節(jié)電位器Rw的步驟，比較兩種情況下電壓傳輸特性的差異。（2）平均傳輸延遲時間tpda.測試電路如圖1.3.6所示b.按圖1.3.6接線，從示波器中讀出振蕩周期T。c.平均傳輸延遲時間tpd=T/6。四、實驗器材1.XK系列數(shù)字電子技術(shù)實驗系統(tǒng)1臺2.直流穩(wěn)壓電源1臺3.示波器1臺4.萬用表、數(shù)字萬用表各1只5.集成電路：74LS00、CD4001各1只6.元器件：電阻200Ω，1KΩ各1只電位起器1KΩ，10KΩ各1只五、預(yù)習(xí)要求1.復(fù)習(xí)TTL與非門個參數(shù)的意義及測試方法。2.了解CMOS或非門個參數(shù)的意義及數(shù)值。3.熟記TTL與非門、CMOS或非門的外形結(jié)構(gòu)。六、實驗報告要求1.記錄實驗測得的門電路參數(shù)值，并與器件規(guī)范值比較。2.用方格紙畫出電壓傳輸特性曲線。3.計算門電路的平均傳輸延遲時間tpd。實驗四OC門和三態(tài)門的應(yīng)用一、實驗?zāi)康?.熟悉OC門和三態(tài)門的邏輯功能。2.掌握OC門的典型應(yīng)用，了解RL對OC電路的影響。3.掌握TTL與CMOS電路的接口轉(zhuǎn)換的影響。4.掌握三態(tài)門的典型應(yīng)用。二、實驗原理和電路OC門即集電極開路門。三態(tài)門即除正常的高電平1和低電平0兩種狀態(tài)外，還有第三種狀態(tài)輸出—高阻態(tài)。OC門和三態(tài)門均是兩種特殊的TTL電路，若干個OC門的輸出可以并接在一起，三態(tài)門亦然。而一般普通的TTL門電路，由于它的輸出電阻太低，所以，它們的輸出不可以并聯(lián)接在一起，構(gòu)成“線與”。1.集電極開路門（OC門）集電極開路“與非”門的邏輯符號如圖1.4.1所示，由于輸出端內(nèi)部電路——輸出管的集電極是開路的，所以，工作時需外接負載電阻RL。兩個“與非”門（OC）輸出端相連時，其輸出為Q=AB+CD。即把兩個OC“與非”門的輸出相與（稱“線與”），完成“與或非”的邏輯功能，如圖1.4.2所示。圖1.4.1OC與非門邏輯符號圖1.4.2OC與非門“線與”應(yīng)用RL的計算方法通過圖1.4.3來說明。如果n個OC門“線與”驅(qū)動N個TTL“與非”門，則負載電阻RL可以根據(jù)“線與”的“與非”門（OC）數(shù)目n和負載門的數(shù)目N來進行選擇。為保證輸出電平符合邏輯關(guān)系，RL的數(shù)值范圍為：RLmax=（Ec-VOH）/（nIOH+mIIH）Rlmin=（Ec-VOL）/（ILM-NIIL）式中：IOH—OC門輸出管的截止漏電流。ILM—OC門輸出管允許的最大負載電流。IIL—負載門的低電平輸入電流。Ec—負載電阻RL所接的外接電源電壓。IIH—負載門的高電平輸入電流。n—“線與”輸出的OC門的個數(shù)。N—負載門的個數(shù)。m—接入電路的負載門輸入端個數(shù)。RL值的大小會影響輸出波形的邊沿時間，在工作速度較高時，RL的值應(yīng)盡量小，接近Rlmin。圖1.4.3OC門RL值的確定OC門的應(yīng)用主要有三個：（1）組成“線與”電路，完成某些特定的邏輯功能。（2）組成信息通道（總線），實現(xiàn)多路信息采集。（3）實現(xiàn)邏輯電平的轉(zhuǎn)換，以驅(qū)動MOS器件、繼電器、三極管等電路。TTL電路中，除集電極開路“與非”門外，還有集電極開路“或”門，“或非”門等其它各種門，在此不一一敘述。實驗電路中選用74LS01集電極開路輸出的2輸入端口與非門。（a）邏輯符號（b）應(yīng)用舉例圖1.4.4三態(tài)門2.三態(tài)門三態(tài)門有三種狀態(tài)0、1、高阻態(tài)。處于高阻態(tài)時，電路與負載之間相當(dāng)于開路。圖1.4.4（a）是三態(tài)門的邏輯符號，它有一個控制端（又稱禁止端或使能端）EN，EN=1為禁止工作狀態(tài)，Q呈高阻狀態(tài)；EN=0為正常工作狀態(tài)，Q=A。三態(tài)電路最重要的用途是實現(xiàn)多路信息的采集，即用一個傳輸通道（或稱總線）以選通的方式傳送多路信號，如圖1.4.4（b）所示。本實驗選用74LS125三態(tài)門電路進行實驗論證。三、實驗內(nèi)容及步驟1.集電極開路（OC）門實驗選用74LS01與非門（OC門）。其外引線排列如圖1.4.5所示。（1）負載電阻RL的確定將74LS01插入實驗箱的IC插座中。按圖1.4.6接線，反相器用實驗板上原有的電路，也可自行插入反相器集成電路。負載電阻RL用一只200Ω電阻和100KΩ電位器串聯(lián)代替，用實驗方法確定Rlmax和Rlmin并和理論計算相比較，填入表1.4.1中。圖1.4.574LS01外引線排列圖圖1.4.6OC門“線與”實驗電路取VOH=2.8V、VOL=0.35V、n=4、m=4、Ec=5V、IOH=0.05mA，ILM=20mA、IIL=1.6mA，IIH=0.05mA。表1.4.1負載電阻RL的測定理論值實測值RLRLmaxRLmin將“線與”Q端接實驗板發(fā)光二極管，撥動邏輯開關(guān)K1～K8，觀察輸出端Q，其結(jié)果是否符合“線與”的邏輯關(guān)系，即Q=A1B1+A2B2+A3B3+A4B4與或非邏輯功能。（2）OC門實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換按圖1.4.7接線，實現(xiàn)TTL電路驅(qū)動CMOS電路的電平轉(zhuǎn)換。圖1.4.7TTL電路驅(qū)動CMOS接口電路表1.4.2電平實測數(shù)據(jù)表輸入C（V）D（V）E（V）AB1110圖1.4.8CD4069引腳排列圖圖中TTL門電路用實驗板上的74LS00“與非”門，OC門為74LS01，CMOS電路為CD4069反相器，CD4069其引腳排列如圖1.4.8所示。注意，CMOS電路在接入電源后，CMOS剩余的輸入需加保護，在此只需將不用的3、5、9、11、13引腳連在一起，再接到地上，或接實驗板上的開關(guān)電平上。電路接線完后，檢查無誤，接通電源，在輸入端A、B輸入全1，用萬用表測量C、D、E的電壓，再將B輸入置0，用萬用表測量C、D、E的電壓。兩次測得的結(jié)果填入表1.4.2中。（3）三態(tài)門實驗三態(tài)門選用74LS125，其實驗接線圖見圖1.4.9所示。當(dāng)EN=0時，其邏輯關(guān)系為Q=A；EN=1時，為高阻態(tài)。圖1.4.974LS125三態(tài)門外引腳排列圖1.4.10三態(tài)門實驗電路按圖1.4.10接線。其中三態(tài)門三個輸入分別接地、1電平和脈沖源，輸出連在一起接LED。三個使能端分別接實驗箱邏輯開關(guān)K1、K2、K3并全置1。在三個使能端均為1時，用萬用表測量Q輸出。分別使K1、K2、K3為0，觀察LED輸出Q端情況。K1、K2、K3不能有一個以上同時為0，否則造成與門輸出相連，這是絕對不允許的。記錄、分析這些結(jié)果。四、實驗器材1.XK系列數(shù)字電子技術(shù)實驗系統(tǒng)1臺2.直流穩(wěn)壓電源1臺3.示波器1臺4.萬用表1只5.集成電路：74LS01、74LS00、CD4069、74LS125各1片6.元器件：電阻200Ω、2KΩ、電位器10KΩ各1只五、預(yù)習(xí)要求1.復(fù)習(xí)集電極開路門（OC門）、三態(tài)門的工作原理和方法。2.了解實驗中所用組件的外引腳排列及其使用方法。3.計算實驗中的理論值RLmax和RLmin。六、實驗報告要求1.畫出實驗電路，并注明有關(guān)元件型號。2.整理、分析實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果。實驗五譯碼器和編碼器一實驗?zāi)康?.掌握譯碼器、編碼器的工作原理和特點。2.熟悉常用譯碼器、編碼器的邏輯功能和它們的典型應(yīng)用。二、實驗原理和電路按照邏輯功能的不同特點，常把數(shù)字電路分兩大類：一類叫做組合邏輯電路，另一類稱為時序邏輯電路。組合邏輯電路在任何時刻其輸出的穩(wěn)態(tài)值，僅決定于該時刻各個輸入信號取值組合的電路。在這種電路中，輸入信號作用以前電路所處的狀態(tài)對輸出信號無影響。通常，組合邏輯電路由門電路組成。組合邏輯電路的分析方法：根據(jù)邏輯圖進行二步工作：a.根據(jù)邏輯圖，逐級寫出函數(shù)表達式。b.進行化簡：用公式法、圖形法或真值表進行化簡、歸納。組合邏輯電路的設(shè)計方法：就是從給定邏輯要求出發(fā)，求出邏輯圖。一般分四步進行。a.分析要求；將問題分析清楚，理清哪些是輸入變量，哪些是輸出函數(shù)。b.列真值表。c.進行化簡：變量比較少時，用圖形法。變量多時，可用公式化簡。d.畫邏輯圖：按函數(shù)要求畫邏輯圖。進行前四步工作，設(shè)計已基本完成，但還需選擇元件——集成電路，進行實驗論證。值得注意的是，這些步驟并不是固定不變的程序，實際設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)具體情況和問題難易程度進行取舍。1.譯碼器譯碼器是組合電路的一部分，所謂譯碼，就是把代碼的特定含義“翻譯”出來的過程，而實現(xiàn)譯碼操作的電路稱為譯碼器。譯碼器分成三類：a.二進制譯碼器：如中規(guī)模2—4線譯碼器74LS139。，3—8線譯碼器74LS138等。b.二—十進制譯碼器：實現(xiàn)各種代碼之間的轉(zhuǎn)換，如BCD碼—十進制譯碼器74LS145等。c.顯示譯碼器：用來驅(qū)動各種數(shù)字顯示器，如共陰數(shù)碼管譯碼驅(qū)動74LS48，（74LS248），共陽數(shù)碼管譯碼驅(qū)動74LS47（74LS247）等。2.編碼器編碼器也是組合電路的一部分。編碼器就是實現(xiàn)編碼操作的電路，編碼實際上是譯碼相反的過程。按照被編碼信號的不同特點和要求，編碼器也分成三類：a.二進制編碼器：如用門電路構(gòu)成的4—2線，8—3線編碼器等。b.二—十進制編碼器：將十進制的0～9編成BCD碼，如：10線十進制—4線BCD碼編碼器74LS147等。c.優(yōu)先編碼器：如8—3線優(yōu)先編碼器74LS148等。三、實驗內(nèi)容及步驟1.譯碼器實驗（1）將二進制2-4線譯碼器74LS139，及74LS138二進制3-8譯碼器分別插入實驗系統(tǒng)IC空插座中。按圖1.5.1接線，輸入G、A、B信號，觀察LED輸出Yo、Y1、Y2、Y3的狀態(tài)，并將結(jié)果填入表1.5.1中。表1.5.174LS1392-4線譯碼器功能表輸入輸出GBAYoY1Y2Y310000×0011×01011111圖1.5.174LS1392-4線譯碼器實驗線路表1.5.274LS1383-8線譯碼器功能表輸入輸出使能選擇YOY1Y2Y3Y4Y5Y6Y7G1GCBA×10×1010101010101010××××××0000010100111001011101111111111111111111圖1.5.274LS1383-8線譯碼實驗線路按圖1.5.2接線，輸入G1、G2A、G2B、A、B、C信號，觀察LED輸出Yo～Y7。使能信號G1，G2A，G2B滿足表1.5.2條件時，譯碼器選通。譯碼器擴展，用74LS139雙2-4線譯碼器可接成3-8線譯碼器。用74LS138兩片3-8線譯碼器可組成4-16線譯碼器，按圖1.5.3接線，即可完成2-4線、3-8線譯碼器的擴展。同樣的方法，可完成更多的N→2N譯碼器的擴展功能。（a）2-4線譯碼器擴展（b）3-8線譯碼器擴展圖1.5.3譯碼器擴展電路（2）將BCD碼—十進制譯碼器74LS145插入實驗箱中，按圖1.5.4接線。其中BCD碼是用XK系列實驗系統(tǒng)的8421碼撥碼開關(guān)，輸出“0～9”與發(fā)光二極管LED相連。按動撥碼開關(guān)，觀察輸出LED是否和撥碼開關(guān)所指示的十進制數(shù)字一致。（3）將譯碼驅(qū)動器74LS48（或74LS248）和共陰極數(shù)碼管LC5011-11（547R）插入實驗箱空IC插座中，按圖1.5.5接線。圖1.5.6為共陰極數(shù)碼管管腳排列圖。接通電源后，觀察數(shù)碼管顯示結(jié)果是否和撥碼開關(guān)指示數(shù)據(jù)一致。如實驗箱中無8421碼撥碼開關(guān)，可用四位邏輯開關(guān)代替。圖1.5.4BCD碼—十進制譯碼器實驗線路圖圖1.5.5譯碼顯示實驗圖圖1.5.6共陰極數(shù)碼管LC5011-11管腳排列圖2.編碼器（1）將10-4線（十進制-BCD碼）編碼器74LS147插入實驗系統(tǒng)IC空插座中，按照圖1.5.7接線，其中輸入接9位邏輯0-1開關(guān)，輸出QD、QC、QB、QA接4個LED發(fā)光二極管。接通電源，按表1.5.3輸入各邏輯電平，觀察輸出結(jié)果并填入表1.5.3中。（2）將8-3線優(yōu)先編碼器按上述同樣方法進行實驗論證。其接線圖如圖1.5.8所示。功能表見表1.5.4。表1.5.3十進制/BCD碼編碼器功能表輸入輸出123456789QDQCQBQA111111111××××××××0×××××××01××××××011×××××0111××××01111×××011111××0111111×011111110111111111111圖1.5.710-4線編碼器實驗接線圖×：狀態(tài)隨意表1.5.48/3線編碼器功能表輸入輸出E101234567QCQBQAGSEO1000000000××××××××11111111×××××××0××××××01×××××011××××0111×××01111××011111×01111110111111111111圖1.5.88-3線編碼器實驗接線圖×：狀態(tài)隨意四、實驗器材1.XK系列數(shù)字電子技術(shù)實驗系統(tǒng)1臺2.直流穩(wěn)壓電源1臺3.集成電路：74LS1382片74LS147、74LS148、74LS248、74LS139、74LS145各1片4.顯示器LC5011-111片五、預(yù)習(xí)要求1.復(fù)習(xí)譯碼器、編碼器的工作原理和設(shè)計方法。2.熟悉實驗中所用譯碼器、編碼器集成電路的管腳排列和邏輯功能。3.畫好實驗用邏輯狀態(tài)表。六、實驗報告要求1.整理實驗線路圖和實驗數(shù)據(jù)、表格。2.總結(jié)用集成電路進行各種擴展電路的方法。3.比較用門電路組成組合電路和應(yīng)用專門集成電路各有什么優(yōu)缺點。實驗六半加器、全加器及數(shù)據(jù)選擇器、分配器一、實驗?zāi)康?.掌握半加器、全加器及數(shù)據(jù)選擇器、分配器的工作原理。2.掌握數(shù)據(jù)選擇器、分配器擴展方法。3.熟悉常用全加器、半加器、數(shù)據(jù)選擇器、分配器的管腳排列和邏輯功能。二、實驗原理和電路1.半加器和全加器根據(jù)組合電路設(shè)計方法，首先列出半加器的真值表，見表1.6.1。寫出半加器的邏輯表達式S=AB+AB=A⊕B表1.6.1半加器邏輯功能輸入和進位ABSC0001101101100001C=AB若用“與非門”來實現(xiàn)，即為半加器的邏輯電路圖如圖1.6.1所示。用上述兩個半加器可組成全加器，原理如圖1.6.2所示。在實驗過程中，我們可以選異或門74LS86及與門74LS08實現(xiàn)半加器的邏輯功能；也可用全與非門如74LS00反相器74LS04組成半加器。這里全加器不用門電路構(gòu)成，而選用集成的雙全加器74LS183，其管腳排列和邏輯功能表分別見圖1.6.3和表1.6.2所示。(a)用異或門組成的半加器（b）用與非門組成的半加器圖1.6.1半加器邏輯電路圖圖1.6.2由二個半加器組成的全加器圖1.6.374LS183雙全加器外引腳排列圖表1.6.2全加器邏輯功能輸入輸出C1-1BASiCi000001010011100101110111001010111圖1.6.4變并行碼為串行碼2.數(shù)據(jù)選擇器和數(shù)據(jù)分配器數(shù)據(jù)選擇器又叫多路開關(guān)，其基本功能相當(dāng)于單刀多位開關(guān)，其集成電路有“四選一”、“八選一”、“十六選一”等多種類型。這里我們以“八選一”數(shù)據(jù)選擇器74LS151為例進行實驗論證。數(shù)據(jù)選擇器的應(yīng)用很廣。它可實現(xiàn)任何形式的邏輯函數(shù)，將并行碼變成串行碼，組成數(shù)碼比較器等。例如在計算機數(shù)字控制裝置和數(shù)字通信系統(tǒng)中，往往要求將并行形式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行的形式。若用數(shù)據(jù)選擇器就能很容易地完成這種轉(zhuǎn)換。只要將欲變換的并行碼送到數(shù)據(jù)選擇器的信號輸入端，使組件的控制信號按一定的編碼（如二進制碼）順序依次變化，則輸出端可獲得串行碼輸出，如圖1.6.4所示。數(shù)據(jù)分配器，實際上其邏輯功能與數(shù)據(jù)選擇器相反。它的功能是使數(shù)據(jù)由1個輸入端向多個輸出端中的某個進行傳送，它的電路結(jié)構(gòu)類似于譯碼器。所不同的是多了一個輸入端。若選擇器輸入端恒為1，它就成了上一實驗的譯碼器。實際上，我們可用譯碼器集成產(chǎn)品充當(dāng)數(shù)據(jù)分配器。例如，用2-4線譯碼器充當(dāng)四路數(shù)據(jù)分配器，3-8線譯碼器充當(dāng)八路數(shù)據(jù)分配器。就是將譯碼器的譯碼輸出充當(dāng)數(shù)據(jù)分配器輸出，而將譯碼器的使能輸入充當(dāng)數(shù)據(jù)分配器的數(shù)據(jù)輸入。數(shù)據(jù)選擇器和分配器組合起來，可實現(xiàn)多路分配，即在一條信號線上傳送多路信號，圖1.6.5即為傳送多路信號的示意圖。這種分時地傳送多路數(shù)字信息的方法在數(shù)字技術(shù)中經(jīng)常被采用。三、實驗內(nèi)容及步驟1.半加器和全加器實驗系統(tǒng)（箱）上如有異或門及全加器，即可直接按邏輯電路圖1.6.1和圖1.6.2進行實驗論證。如沒有，則可分別將2輸入四異或門74LS86，2輸入四與非門74LS00和與門74LS08，或門74LS32及全加器74LS183插入實驗系統(tǒng)IC空插座中。74LS183的外引腳排列見圖1.6.3。將A、B、Ci-1分別接實驗箱邏輯開關(guān)K1、K2、K3，輸出Si和Ci接發(fā)光二極管LED，如圖1.6.6所示。按全加器真值表輸入K1、K2、K3，邏輯電平信號，觀察輸出結(jié)果和Si及進位Ci，并記錄下來。圖1.6.5多路信號的傳送圖1.6.6全加器實驗接線圖半加器實驗方法同上。74LS86管腳排列如下：1、2腳為輸入端，3腳為輸出端；4、5腳為輸入端，6腳為輸出端；9、10腳為輸入端，8腳為輸出端；13、12腳為輸入端，11腳為輸出端。14腳為電源+5V，7腳為接地。實驗時，輸入信號，觀察和數(shù)與進位數(shù)，并記錄。2.數(shù)據(jù)選擇器和分配器將實驗用74LS151“八選一”數(shù)據(jù)選擇器插入實驗箱中，按圖1.6.7接線。其中C、B、A為三位地址碼，S為低電平選通輸入端，D0～D7為數(shù)據(jù)輸入端，輸出Y為原碼輸出端，W為反碼輸出端。置選通端S為0電平，數(shù)據(jù)選擇器被選中，撥動邏輯開關(guān)K3～K1分別為000，001，…111（置數(shù)據(jù)輸入端D0～D7分別為10101010或11110000），觀察輸出端Y和W輸出結(jié)果，并記錄。實驗結(jié)果表明，圖1.6.7實現(xiàn)了圖1.6.4的并行碼變串行碼的轉(zhuǎn)換。譯碼器常?？山映蓴?shù)據(jù)分配器，在多路分配器中即用3-8線74LS138譯碼器接成數(shù)據(jù)分配器形式，從而完成多路信號的傳輸，具體實驗接線見圖1.6.8。圖1.6.7八選一數(shù)據(jù)實驗接線圖圖1.6.8多路信號的傳輸（多路分配器）按圖1.6.8接線。D0～D7分別接數(shù)據(jù)開關(guān)或邏輯開關(guān)，D0′～D7′接8個發(fā)光二極管LED顯示，數(shù)據(jù)選擇器和數(shù)據(jù)分配器的地址碼一一對應(yīng)相連，并接三位邏輯電平開關(guān)（也可用8421碼撥碼開關(guān)的4、2、1三位或三位二進制計數(shù)器的輸出端Qc、QB、QA）。把數(shù)據(jù)選擇器74LS151原碼輸出端Y與74LS138的G2A和G2B輸入端相連，二個芯片的選通分別接規(guī)定的電平。這樣即完成了多路分配器的功能。置D0～D7為11110000和10101010兩種狀態(tài)，再分別兩次置地址碼A3～A0為0～7，觀察輸出發(fā)光二極管LED狀態(tài)，并記錄。四、實驗器材1.XK系列數(shù)字電子技術(shù)實驗系統(tǒng)1臺2.直流穩(wěn)壓電源1臺3.集成電路：74LS002片74LS04，74LS86，74LS32，74LS183，74LS138，74LS151各1片五、預(yù)習(xí)要求1.復(fù)習(xí)半加器、全加器，數(shù)據(jù)選擇器、數(shù)據(jù)分配器的工作原理和特點。2.了解本實驗中所用集成電路的邏輯功能和使用方法。3.準(zhǔn)備好實驗記錄圖表。六、實驗報告要求1.整理實驗數(shù)據(jù)和實驗線路圖。2.試用數(shù)據(jù)選擇器實現(xiàn)全加器及比較器功能，畫出具體線路圖。實驗七觸發(fā)器一、實驗?zāi)康?.熟練掌握觸發(fā)器的兩個基本性質(zhì)——兩個穩(wěn)態(tài)和觸發(fā)翻轉(zhuǎn)。2.掌握觸發(fā)器的分類——基本觸發(fā)器和時鐘觸發(fā)器。3.掌握基本觸發(fā)器的電路組成形式及其功能