数字电路实验指导书2011版.doc

1、数字电路与逻辑设计实验指导书数字电路实验指导书张林行编吉林大学仪器科学与电气工程学院2011 年 1 月数字电路与逻辑设计实验指导书a目 录第一章 概述 .11.1 数字集成电路的分类、特点及注意问题 .11.2 集成电路外引线的识别 .41.3 数字逻辑电路的测试方法 .51.4 数字实验的基本过程 .51.5 数字实验中操作规范和常见故障检查方法 .71.6 实验要求 .9第二章 实验内容 .11实验一 实验设备认知及集成门电路测试 11实验二 组合逻辑电路分析与设计 17实验三 EDA 工具软件 MaxplusII 使用 20实验四 基于 EDA 软件的组合逻辑设计 24实验五 集成触发

2、器与时序电路 25实验六 集成计数器及其应用 29实验七 计数器设计 31实验八 序列发生器与序列检测器 33实验九 交通灯控制器 34实验十 七段数码管动态显示控制器 36附录 I 常用集成电路外引线功能端排列表 38附录 II MAX+PLUS II 快速入门 41附录 III VHDL 入门教程 .49附录 IV DXT-B 型 EDA 实验开发系统 63数字电路与逻辑设计实验指导书1第一章 概述数 字 电 路 与 逻 辑 设 计 是 一 门 实 践 性 很 强 的 专 业 基 础 课 ， 实 验 是 数 字 逻 辑电 路 课 程 重 要 的 教 学 环 节 ， 通 过 实 验 使 学

3、生 对 数 字 集 成 电 路 从 外 型 到 功 能 有 感性 认 识 ， 并 通 过 从 简 单 到 复 杂 的 数 字 逻 辑 设 计 ， 提 高 学 生 的 逻 辑 设 计 、 实 现 、验 证 以 及 排 错 能 力 ， 加 深 学 生 对 课 堂 所 学 知 识 的 理 解 。1.1 数字集成电路的分类、特点及注意问题当 今 ， 数 字 电 子 电 路 几 乎 已 完 全 集 成 化 了 。 因 此 ， 充 分 掌 握 和 正 确 使 用 数 字集 成 电 路 ， 用 以 构 成 数 字 逻 辑 系 统 ， 就 成 为 数 字 电 子 技 术 的 核 心 内 容 之 一 。集 成

4、电 路 按 集 成 度 可 分 为 小 规 模 、 中 规 模 、 大 规 模 和 超 大 规 模 等 。 小 规 模 集成 电 路 （ SSI） 是 在 一 块 硅 片 上 制 成 约 1 10 个 门 ， 通 常 为 逻 辑 单 元 电 路 ， 如逻 辑 门 、 触 发 器 等 。 中 规 模 集 成 电 路 （ MSI） 的 集 成 度 约 为 10 100 门 /片 ，通 常 是 逻 辑 功 能 电 路 ， 如 译 码 器 、 数 据 选 择 器 、 计 数 器 、 寄 存 器 等 。 大 规 模 集 成电 路 （ LSI） 的 集 成 度 约 为 100 门 /片 以 上 ， 超 大

5、 规 模 （ VLSI） 约 为 1000 门/片 以 上 ， 通 常 是 一 个 小 的 数 字 逻 辑 系 统 。 现 已 制 成 规 模 更 大 的 极 大 规 模 集 成 电 路 。数 字 集 成 电 路 还 可 分 为 双 极 型 电 路 和 单 极 型 电 路 两 种 。 双 极 型 电 路 中 有 代 表性 的 是 TTL 电 路 ； 单 极 型 电 路 中 有 代 表 性 的 是 CMOS 电 路 。 国 产 TTL 集 成电 路 的 标 准 系 列 为 CT54/74 系 列 或 CT0000 系 列 ， 其 功 能 和 外 引 线 排 列 与 国 际54/74 系 列 相

6、同 。 国 产 CMOS 集 成 电 路 主 要 为 CC（ CH） 4000 系 列 ， 其 功 能和 外 引 线 排 列 与 国 际 CD4000 系 列 相 对 应 。 高 速 CMOS 系 列 中 ， 74HC 和74HCT 系 列 与 TTL74 系 列 相 对 应 ， 74HC4000 系 列 与 CC4000 系 列 相 对 应 。必 须 正 确 了 解 集 成 电 路 参 数 的 意 义 和 数 值 ， 并 按 规 定 使 用 。 特 别 是 必 须 严 格遵 守 极 限 参 数 的 限 定 ， 因 为 即 使 瞬 间 超 出 ， 也 会 使 器 件 遭 受 损 坏 。TTL

7、器 件 的 特 点 ：1 输 入 端 一 般 有 钳 位 二 极 管 ， 减 少 了 反 射 干 扰 的 影 响 。2 输 出 电 阻 低 ， 增 强 了 带 容 性 负 载 的 能 力 。3 有 较 大 的 噪 声 容 限 。4 采 用 +5V 的 电 源 供 电 。数字电路与逻辑设计实验指导书2为 了 正 常 发 挥 器 件 的 功 能 ， 应 使 器 件 在 推 荐 的 条 件 下 工 作 ， 对 CT0000系 列 （ 74LS 系 列 ） 器 件 ， 主 要 有 ： （ 1） 电 源 电 压 应 4.75 5.25V 的 范 围 内 。（ 2） 环 境 温 度 在 00C 700C

8、之 间 。 （ 3） 高 电 平 输 入 电 压 VIH2V， 低 电 平输 入 电 压 VSLCreate Default Symbol 将 当 前 的 设 计 定 义 为一 个 器 件 符 号 。 文 件 存 盘 完 毕 以 后 应 将 工 程 设 置 为 当 前 文 件 ！ ！ ！Project =Set as Top-Level Entity（ 二 ） 设 计 校 验 ：检 查 第 一 步 中 的 设 计 输 入 是 否 有 错 误 （ 连 线 或 者 语 法 类 错 误 ） ，Project=Start Compilation(Ctrl+L) ,若 有 错 误 则 根 据 错 误 提

9、 示 找 出 并 修 改 错 误 ，无 错 执 行 下 一 步 。（ 三 ） 功 能 仿 真 ：在 进 行 功 能 仿 真 之 前 应 先 对 当 前 工 程 进 行 编 译 (Project=Start Compilation(Ctrl+L), 然 后 建 立 仿 真 波 形 文 件 ， 设 定 好 待 观 察 的 输 入 /输 出之 后 进 行 功 能 仿 真 ， 仿 真 结 果 正 确 进 行 下 一 步 ， 否 则 返 回 ， 对 第 一 步 中 的逻 辑 设 计 进 行 修 改 后 重 新 进 行 上 述 步 骤 。（ 四 ） 管 脚 锁 定 ：管 脚 锁 定 之 前 应 首 先 选

10、 择 器 件 的 型 号 （ 实 验 平 台 中 所 采 用 的 器 件 型 号 为Cyclone 系 列 的 EP1C6Q240C8， Assign=Device, 选 定 器 件 之 后 对 工 程 重 新 编译 ， 然 后 利 用 Assignments=Pins 或 Assignments=Pin Planer 进 行 管 脚 锁 定（ 应 根 据 实 验 平 台 的 管 脚 对 应 表 进 行 ） 。（ 五 ） 重 新 编 译 及 布 局 、 布 线 ：管 脚 锁 定 完 毕 后 重 新 编 译 ；（ 六 ） 下 载 / 编 程数字电路与逻辑设计实验指导书21编 译 无 误 后 利

11、用 Tools=Programmer 进 行 下 载 ， 观 察 实 际 运 行 结 果 。注 ： 实 验 平 台 所 用 的 下 载 电 缆 类 型 为 ByteBlaster(MV)， 可 以 在 编 程 界 面利 用 Hardware Setup 进 行 设 定 。2 基 于 74LS83 结 合 其 他 门 电 路 设 计 一 个 8421BCD 码 全 加 器 电 路 ， 其 要 求如 下 ： 图 2-3-1 8421BCD 码 全 加 器 方 框 图a 写 出 逻 辑 设 计 过 程 及 相 关 表 达 式 ；b 画 出 逻 辑 电 路 图 ；c 基 于 QuartusII 软 件

12、 验 证 逻 辑 功 能 。六 实 验 报 告 要 求 与 思 考 题1 总 结 QuartusII 的 使 用 步 骤 及 各 步 骤 的 作 用 。2 结 合 实 验 总 结 基 于 MSI 器 件 设 计 组 合 逻 辑 的 方 法 。3 如何利用 QuartusII 验 证 一 个 逻 辑 设 计 ？全加器CoYCiBA数字电路与逻辑设计实验指导书22图 2-3-2 8421BCD 码 全 加 器数字电路与逻辑设计实验指导书23实验四 基于 EDA 软件的组合逻辑设计一 实 验 目 的1. 进 一 步 掌 握 基 于 MSI 器 件 的 组 合 逻 辑 设 计 方 法 ；2. 初 步

13、了 解 并 掌 握 基 于 VHDL 语 言 的 组 合 逻 辑 设 计 方 法 。二 实 验 预 习 要 求1. 复 习 实 验 所 用 芯 片 的 逻 辑 功 能 、 管 脚 图 。2. 复 习 实 验 所 用 的 相 关 设 计 原 理 。3. 按 要 求 设 计 实 验 中 的 逻 辑 电 路 。三 实 验 原 理 1 74LS83 是 一 个 四 位 的 全 加 器 ， 基 于 74LS83 进 行 逻 辑 设 计 时 ， 需 要 将 逻辑 问 题 转 换 为 相 加 运 算 ， 以 充 分 利 用 其 逻 辑 功 能 。2 VHDL 语 言 是 一 种 常 用 的 硬 件 描 述

14、语 言 。 基 于 VHDL 语 言 进 行 数 字 逻 辑设 计 ， 应 充 分 利 用 其 行 为 级 描 述 能 力 （ 抽 象 描 述 ） ， 将 设 计 重 点 放 在 逻 辑 关 系的 表 述 上 。四 实 验 仪 器 及 设 备1 PC 计 算 机 2 QuartusII 开 发 软 件五 实 验 内 容1 设 计 一 个 组 合 逻 辑 电 路 ， 它 能 够 将 6 位 自 然 二 进 制 码 转 换 为 8421BCD码 。基 于 74LS83 以 及 必 要 的 门 电 路 设 计 以 上 逻 辑 ：a.写 明 设 计 过 程 ， 给 出 必 要 的 真 值 表 ， 卡

15、诺 图 或 逻 辑 表 达 式 ；b.画 出 逻 辑 图 ；c.基 于 QuartusII 调 试 验 证 以 上 逻 辑 设 计 。数字电路与逻辑设计实验指导书242 利 用 VHDL 语 言 完 成 1 中 所 要 求 的 逻 辑 设 计 ， 其 要 求 如 下 ：a 写 明 设 计 方 案 。b 给 出 完 整 的 源 程 序 。c 基 于 QuartusII 调 试 验 证 逻 辑 功 能 。六 实 验 报 告 及 要 求1 按 要 求 完 成 上 述 逻 辑 设 计 ， 并 进 一 步 总 结 如 何 利 用 MSI 器 件 设 计 组 合 逻辑 ？2 通 过 实 验 对 比 ， 采

16、 用 VHDL 语 言 进 行 逻 辑 设 计 有 何 优 势 ？ 应 用 VHDL语 言 进 行 数 字 逻 辑 设 计 的 前 提 是 什 么 ？实验五 集成触发器与时序电路一 实 验 目 的1 观 测 验 证 触 发 器 的 外 部 特 性 （ 逻 辑 功 能 ） ；2 初 步 掌 握 由 集 成 触 发 器 构 成 的 时 序 逻 辑 电 路 的 分 析 及 测 试 方 法 。二 实 验 预 习 要 求1. 复 习 实 验 所 用 芯 片 的 逻 辑 功 能 及 逻 辑 函 数 表 达 式 。2. 复 习 实 验 的 各 芯 片 的 结 构 图 、 管 脚 图 和 功 能 表 。3.

17、复 习 实 验 所 用 到 的 相 关 原 理 。4. 按 要 求 分 析 实 验 中 的 电 路 。三 实 验 原 理1 触 发 器 是 具 有 记 忆 功 能 ， 能 存 储 数 字 信 息 的 最 常 用 的 一 种 基 本 单 元 电 路 ，是 构 成 时 序 逻 辑 电 路 的 基 本 逻 辑 部 件 。 触 发 器 具 有 两 个 稳 定 的 状 态 ： 0状 态 和 1 状 态 ； 在 适 当 触 发 信 号 作 用 下 ， 触 发 器 的 状 态 发 生 翻 转 ， 即 触 发 器可 由 一 个 稳 态 转 换 到 另 一 个 稳 态 。 当 输 入 触 发 信 号 消 失 后

18、 ， 触 发 器 翻 转 后 的状 态 保 持 不 变 （ 记 忆 功 能 ） 。2 根 据 电 路 结 构 和 功 能 的 不 同 ， 触 发 器 有 RS 触 发 器 、 D 触 发 器 、 JK 触 发器 、 T 触 发 器 、 T触 发 器 等 类 型 ， 如 下 表 所 示 ：数字电路与逻辑设计实验指导书25表 2-5-1 常 见 触 发 器 一 览 表3 集 成 触 发 器 的 主 要 产 品 是 D 触 发 器 和 JK 触 发 器 ， 其 他 功 能 的 触 发 器 可 由D、 JK 触 发 器 进 行 转 换 。 将 D 触 发 器 的 D 端 连 到 其 输 出 端 Q，

19、就 构 成T触 发 器 。 将 JK 触 发 器 的 J、 K 端 连 在 一 起 输 入 信 号 ， 就 构 成 T 触 发 器 ；J、 K 端 连 在 一 起 输 入 高 电 平 （ 或 悬 空 ） ， 就 构 成 T触 发 器 。 4 74LS74 是 双 上 升 沿 D 触 发 器 ， 有 预 置 、 清 零 功 能 ； 74LS107 是 双 J-K触 发 器 ， 有 清 零 功 能 。四 实 验 仪 器 及 设 备1. 数 字 电 路 实 验 箱2. 双 踪 示 波 器 ， 万 用 表3. 器 件 ： 74LS74， 74LS107， 74LS08五 实 验 内 容1. D 触 发

20、 器 功 能 测 试图 2-5-1 D 触 发 器在 CP 端 加 入 1KHz 方 波 信 号 ， 按 表 2-5-2 中 设 置 各 个 控 制 端 （ 可 用 数 据 开cpSdR dQQD数字电路与逻辑设计实验指导书26关 控 制 ） ， 观 察 在 各 种 组 合 下 Q 端 的 输 出 ， 并 填 表 。表 2-5-2 D 触 发 器 功 能 测 试 表Q 1nRdSCP D Qn理 论 值 观 测 值0 0 1 101 0 101 1 0101 1 112. J-K 触 发 器 功 能 测 试图 2-5-2 J-K 触 发 器参 照 图 2-5-2， 自 拟 实 验 步 骤 ，

21、测 试 J-K 触 发 器 的 功 能 ， 并 将 结 果 填 入 表2-5-3 中 。 若 令 J=K=1 时 ， CP 端 加 连 续 脉 冲 ， 用 双 踪 示 波 器 观 察 CP 端 和 Q端 波 形 ， 和 D 触 发 器 的 D 端 和 端 相 连 时 观 察 到 的 Q 端 的 波 形 相 比 较 ， 有 何Q异 同 点 ?表 2-5-3 J-K 触 发 器 功 能 测 试数字电路与逻辑设计实验指导书27Q 1nCLRCP J K Qn理 论 值 观 测 值00 X X X10 0 01 0 0 10 1 01 0 1 11 0 01 1 0 11 1 01 1 1 13. (

22、选 作 )触 发 器 功 能 转 换(1) 将 D 触 发 器 和 JK 触 发 器 转 换 成 T触 发 器 ， 列 出 表 达 式 ， 画 出 实验 电 路 图 。(2) 接 入 连 续 脉 冲 ， 观 察 各 触 发 器 CP 及 Q 端 波 形 ， 比 较 两 者 关 系 。(3) 自 拟 实 验 数 据 表 并 填 写 之 。4. 连 接 如 图 2-5-3 所 示 电 路 ， 在 CP 端 加 入 1KHz 脉 冲 信 号 ， 将 S1 接 地 后 再断 开 ， 用 示 波 器 观 察 三 个 触 发 器 的 Q 端 波 形 ， 并 绘 制 在 实 验 报 告 中 。图 2-5-3

23、 格 雷 码 计 数 器本 电 路 存 在 死 环 。 在 S1 断 开 的 情 况 下 ， 反 复 断 开 ， 接 通 电 源 ， 测 量 中 间 J-数字电路与逻辑设计实验指导书28K 触 发 器 的 Q 端 波 形 ， 看 能 否 进 入 死 环 ？ 如 何 判 断 进 入 了 死 环 ？六 实 验 报 告 要 求 与 思 考 题1. 整 理 实 验 数 据 并 填 表 。2. 按 要 求 回 答 问 题 ， 并 画 出 波 形 图 。3. 总 结 各 类 触 发 器 特 点 。4. 结 合 实 验 分 析 图 2-5-3 中 的 电 路 ， 画 出 其 状 态 转 换 图 。实验六 集

24、成计数器及其应用一 实 验 目 的1 掌 握 对 集 成 计 数 器 逻 辑 功 能 和 各 控 制 端 作 用 的 分 析 、 测 试 及 设 计 方 法 。2 学 会 运 用 集 成 计 数 器 构 成 任 意 进 制 计 数 器 。二 实 验 预 习 要 求1 复 习 实 验 所 用 芯 片 的 逻 辑 功 能 及 逻 辑 函 数 表 达 式 。2 复 习 实 验 的 各 芯 片 的 结 构 图 、 管 脚 图 和 功 能 表 。3 复 习 实 验 所 用 的 相 关 原 理 。4. 按 要 求 设 计 实 验 中 的 各 电 路 。三 实 验 原 理 1 计 数 器 是 一 个 用 以

25、 实 现 计 数 功 能 的 时 序 逻 辑 部 件 ， 它 不 仅 可 以 用 来 对 脉 冲 进行 计 数 ， 还 常 用 做 数 字 系 统 的 定 时 、 分 频 和 执 行 数 字 运 算 以 及 其 他 特 定 的 逻辑 功 能 。 计 数 器 的 种 类 很 多 ， 按 构 成 计 数 器 中 的 各 触 发 器 是 否 使 用 一 个 时钟 脉 冲 源 来 分 有 ： 同 步 计 数 器 和 异 步 计 数 器 ； 根 据 计 数 进 制 的 不 同 分 为 ： 二进 制 、 十 进 制 和 任 意 进 制 计 数 器 ； 根 据 计 数 的 增 减 趋 势 分 为 ： 加 法 、 减 法和 可 逆 计 数 器 ； 还 有 可 预 置 数 和 可 编 程 功 能 计 数 器 等 。2 利 用 集 成 计 数 器 可 方 便 地 构 成 任 意 （ N） 进 制 计 数 器 。方 法 ： 反 馈 归 零 法 ： 是 利 用 计 数 器 清 零 端 的 清 零 作 用 ， 截 取 计 数 过 程 中 的 某 一 个 中间 状 态 控 制 清 零 端 ， 使 计 数 器 由 此 状 态 返 回 到 零 重 新 开 始 计 数 。 把 模 数 大 的 计