数字逻辑实验教案.doc

1、滁州学院计算机与信息工程学院实验课程教案课程名称： 数字电路分析与设计 授课教师： 姚光顺 授课对象： 11 网工、计科 授课时间： 2012 年 2 月-2012 月 7 月 滁州学院计算机与信息工程系2012 年 2 月数字逻辑实验教学大纲课程编号：课程名称：数字逻辑英 文 名 称 ： Digital Logic课程类型：专业基础课课程属性：独立设课总 学 时：16 总学分：0.5开设学期：2适用专业： 计算机科学与技术 网络工程先修课程：大学物理 电路原理一、实验课程简介数字逻辑实验，是数字逻辑课程教学内容的延伸和加强。在电子产品广泛应用的前提下，对于每一个大学生，具备一定电工电子基本知

2、识和应用能力是必不可少的。因此，数字逻辑实验教学是按在相关理论教学的基础上，根据教学实际情况所开设的重点技术基础实验课程。通过实验，可以加深学生对课程内容中重点、难点的理解，培养其动手能力。二、实验教学目标与基本要求本课程的作用与任务是：使学生进一步掌握数字逻辑电路的分析与设计的基本方法，了解数字逻辑物理器件的主要技术参数，以及物理设计中的制作、调试、故障诊断的基本技能。要求学生在实验原理指导下，熟悉和掌握常用中、大规模集成电路的功能和在实际中应用的方法，具备基本电路的设计能力。培养学生检查与排除电路故障、分析和处理实验结果、分析误差和撰写实验报告的能力，旨在培养学生综合运用知识能力、严谨细致

3、的工作作风和一丝不苟的科学态度。三、本实验课程的基本理论与实验技术知识本实验课基于门电路、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、A/D 和 D/A 转换的基本理论而设定。四、实验方法、特点与基本要求实验分为实验预习、实验操作、实验总结三个步骤：1、实验预习1) 明确实验目的，理解实验原理；2) 了解实验环境；3) 了解实验方法，拟定实验的操作步骤；2、实验操作1) 建立实验环境，进行实验操作，培养实践动手能力2) 实验过程中认真观察实验现象，详细记录实验结果3) 实验结束前，整理好实验设备，经指导教师验收方可退出实验室3、实验总结通过对实验记录的整理，以加深对所学理论知识的理解，不断总结、积累经

4、验，从而提高动手能力。五、实验主要仪器设备信号发生器、电压表、电流表、万用表、数字逻辑实验台六、实验项目的设置与内容提要序号 实验项目 内 容 提 要实验学时实验类型每组人数实验要求1 实验软件的 使用 1、掌握实验软件的使用方法 2 验证型 15 必做2 用 SSI 设计组合电路 1、 组合逻辑电路的设计与测试方法 2 设计性 15 必做3MSI 组合功能件的应用1、掌握中规模集成数据选择器的逻辑功能和使用方法；2、 学习用数据选择器构成组合逻辑点的方法；2 设计性15 必做4译码和显示电路1、掌握中规模集成译码器的逻辑功能和使用方法；2、熟悉数码管的使用2 验证型15 必做5触发器RS、D

5、、JK1、掌握基本 RS、JK 和 D 触发器的逻辑功能；2、掌握集成触发器的逻辑功能和使用方法；3、熟悉触发器之间相互转换的方法；2 验证型15 必做6脉冲波形产生电路1、 熟悉 555 集成时基电路结构、工作原理及其特点；2、 掌握 555 时基电路的应用2 验证型15 必做7 A/D,D/A 转换实验 1、了解 A/D，D/A 转换的基本工作原理和基本结构 2 验证性 15 必做8数字钟的设计与调试1、 掌握 EWB 软件的初步试用2、 掌握同步十进制计数器 74160 的功能及使用2 综合性15 必做七、实验报告要求参照电子系实验报告要求完成。实验报告是实验工作的全面总结，是教师考核学

6、生实验成绩的主要依据。实验报告是学生分析、归纳、总结实验数据、讨论实验结果的书面记录。实验报告要用规定的实验报告纸书写，其内容包括：实验名称、学生姓名、班号和实验日期、课程名称、实验目的和要求、实验仪器、设备与材料、实验原理、实验步骤、实验原始记录、实验数据、计算结果、实验结果分析、讨论与心得体会。八、考核方式与成绩评定标准1、本课程考试方法：考查 2、实验成绩：预习 20%、操作 30%、报告 30%、原始记录 20%。3、本课程最终成绩=上课表现0.1+实验成绩0.2+课程考试成绩0.7 各部分成绩，以等级制（优90、良80-89、中70-79、及格60-69、不及格 60）记分。九、推荐

7、教材和教学参考书教材：余孟尝主编， 数字电子技术基础简明教程第三版，高等教育出版社，2006年参考书：电子技术基础 （第四版） ，康华光编，高等教育出版社，2000 年数字电子技术基础 （第四版） ，阎石编，高等教育出版社，1998 年十、其他说明大纲制订人：姚光顺 董再秀 赵亮 大纲审定人：制订日期： 年 月 日第一讲 实验软件的使用一.教学目标1.了解Multisim10软件的安装步骤；2.了解 Multisim10 的基本操作；3.了解 Multisim10 中虚拟仪器仪表的使用；4.掌握利用逻辑转换仪由逻辑函数表达式求真值表、逻辑电路图等；二重难点分析重点：利用逻辑转换仪由逻辑函数表达

8、式求真值表、逻辑电路图等难点：无 三.实验设备与器件电脑四.实验内容及过程1.Multisim 10 的菜单、工具栏、元器件库、仪器仪表库、电路创建的操作方法。主要包含有：（1）NI multisim 10 的基本界面、主窗口、菜单栏、工具栏（2）NI multisim 10 的元器件库（3）NI multisim 10 的仪器仪表库（4）NI multisim 10 的基本操作（5）电路创建的基础：元器件的操作、电路图选项的设置、导线的操作、输入/输出端（6）仪器仪表的使用：仪器仪表的基本操作、数字多用表（Multimeter） 、示波器（Oscilloscope） 、逻辑分析仪（Logic

9、 Analyzer） 、 逻辑转换仪（Logic Converter） 、电压表 电流表；（7） NI multisim 10 的分析菜单：需用的仪器、试剂或材料等2.逻辑代数基础仿真实验（1）由逻辑函数表达式求真值表（2）由逻辑函数表达式求逻辑电路图（3）逻辑函数化简（4）由逻辑电路图求真值表和最简表达式五.实验报告实验结束，要求每个学生独立完成本次实验的实验报告。实验报告要求包含有：1.本次实验的目的和要求；2.实践内容或原理；3.需用的仪器或材料等；4.实践步骤或环节；5.实验结果分析；6.实验过程中出现的一些问题及原因分析第二讲 组合逻辑电路的设计与测试一.教学目标掌握组合逻辑电路的设

10、计与测试二.重难点分析重点：组合逻辑电路的设计方法难点：分析功能；选择芯片设计电路三.实验设备与器件电脑四 实验内容与过程1.实验原理(1)根据任务要求列出真值表;(2)通过化简得出最简逻辑函数表达式;(3)选择标准器件实现此逻辑函数。逻辑化简是组合逻辑设计的关键步骤之一，为了使电路结构简单和使用器件较少，往往要求逻辑表达式尽可能简化。由于实际使用时要考虑电路的工作速度和稳定可靠等因素，在较复杂的电路中，还要求逻辑清晰易懂，所以最简设计不一定是最佳的。但一般说来，在保证速度、稳定可靠与逻辑清楚的前提下，尽量使用最少的器件，以降低成本，是逻辑设计者的任务。组合逻辑设计过程通常是在理想情况下进行的

11、，即假定一切器件均没有延迟效应。但是实际上并非如此，信号通过任何导线或器件都需要一个响应时间。例如，一般中速 TTL与非门的延迟时间为 1020ns。而且由于制造工艺上的原因，各器件的延迟时间离散性很大，往往按照理想情况设计的逻辑电路，在实际工作中有可能产生错误输出。一个组合电路，在它的输入信号变化时，输出出现瞬时错误的现象称为组合电路的冒险现象。2用“与非门”设计一个表决电路。当四个输入端中有三个或四个为“1”时，输出端才为“1” 。设计步骤：根据题意列出真值表如图所示，再填入卡诺图中。D 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1A 0 0 0 0 1 1 1 1 0

12、0 0 0 1 1 1 1B 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1C 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1Z 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1BC DA 00 01 11 100001 111 1 1 110 1由卡诺图得出逻辑表达式，并演化成“与非”的形式Z=ABC+BCD+ACD+ABD=ABCBCDACDABC根据逻辑表达式画出用“与非门”构成的逻辑电路如图所示。 3.设计一个保险箱的数字代码锁，该锁有规定的 4 位代码 A1， A2， A3， A4 的输入端和一个开箱钥匙孔信号 E 的输入端，锁的代码由实

13、验者自编（例如 1011） 。当用钥匙开箱时（ E=1） ，如果输入代码符合规定代码，保险箱被打开（ Z1=1） ，如果不符合，电路将发出报警信号（ Z2=1） 。要求使用最少数量的与非门实现电路，检测并记录实验结果。提示：实验时锁被打开或报警可以分别使用两个发光二极管指示电路显示示意。除不同代码需要使用的反相器外，最简设计仅需使用 5 个与非门。Z1=A1A2A3A4 * EZ2=A1A2A3A4 * E五.实验报告实验结束，要求每个学生独立完成本次实验的实验报告。实验报告要求包含有：1.本次实验的目的和要求；2.实践内容或原理；3.需用的仪器或材料等；4.实践步骤或环节；5.实验结果分析；

14、6.实验过程中出现的一些问题及原因分析第三讲 MSI 组合功能件的应用一、教学目标1.掌握中规模集成数据选择器的逻辑功能及使用方法；2.学习用数据选择器构成组合逻辑电路二、重难点分析重点：中规模集成数据选择器的逻辑功能及使用方法、学习用数据选择器构成组合逻辑电路难点：学习用数据选择器构成组合逻辑电路三、实验设备与仪器电脑 四、实验内容和过程实验原理(1)74LS153:一个双 4 选 1 数据选择器。其中 D0、D1、D2 、D3 为 4 个数据输入端；Y 为输出端；S 是使能端。在 =0 时使能，在 =1 时 Y=0；A1、A0 是器件中两个选择器公用的地址SS输入端。该器件的逻辑表达式为

15、)( 3012010101 DAADY表 3-1 74LS153 功能表控制输入 输出A1 A0 SY 1 00 0 0 D00 1 0 D11 0 0 D21 1 0 D3数据选择器是一种通用性很强的功能件，它的功能很容易得到扩展。4 选 1 数据选择器经组合很容易实现 8 选 1 选择器功能。使用数据选择器进行逻辑函数电路设计的。274LS151：8 选 1 数据选择器 74LS151：3数据选择器的应用实现逻辑函数用 8 选 1 数据选择器 74LS151 实现逻辑函数 Y = ABC + ABC + AB图 3-1 74LS153 逻辑符号4测试数据选择器 74LS151 的逻辑功能按

16、 74LS151 功能表逐项进行测试，记录测试结果。5用双 4 选 1 数据选择器 74LS153 实现 8 选 1 和全加器写出设计过程画出连接线图6利用一个 4 选一数据选择器和最少数量的与非门，设计一个符合输血-受血规则的 4输入 1 输出电路。检测所设计电路的逻辑功能。五实验报告实验内容进行设计、写出设计全过程，画出接线图，进行逻辑功能测试，总结实验收获、体会。第四讲 译码和显示电路一、教学目标1掌握中规模集成译码器的逻辑功能和使用方法；2熟悉数码管的使用二、重难点分析重点：中规模集成译码器的逻辑功能和使用方法、数码管的使用难点：数码管的使用三、实验设备与仪器电脑四、实验内容与过程1.

17、基本原理显示译码器和数码管种类繁多，这里仅对实验中使用的 BCD 输入的 4 线七段译码器和七段发光二极管数码管的使用方法作简要介绍。并介绍 3 种译码显示组合器件。（1）七段发光二极管（LED）数码管七段 LED 数码管有共阴型和共阳型两类。实验中使用共阴型数码管，它的图形符号和内部电路图如图所示。要求配用相应的译码/ 驱动器。小型数码管的每段发光二极管的正向压降，随显示光的颜色不同略有区别，通常约为 2V，电亮电流在 510mA。图所示为一个由 3 位十进制数组成的译码显示电路的连线图，由于百位的译码器=0，若此位读数是 0 时，将不显示字符，并且是 YBR 输出为 0，图中可见，百位的

18、YBRBRI端与十位的 IBR 端相连，因而在百位处于灭 0 状态时，十位也具有灭 0 功能。例如，电路的读数是 005，由于采取了灭 0 的连接，故数码管仅显示最低位一个 5 字。显然对个位的读数使用灭 0 功能是不妥当的，个位的 应置 1。同样，对于小数点后的无效 0 也可采BRI用灭 0 功能，电路的具体连接方法由读者自行设计。图位十进制数的译码显示电路2.实验任务使用两块 74LS190 设计一个数字钟秒位六十进制计数器，画出逻辑图，检测并记录电路功能。五实验报告实验内容进行设计、写出设计全过程，画出接线图，进行逻辑功能测试，总结实验收获、体会。第五讲 触发器RS、D、JK一、教学目标

19、1、掌握基本 RS、JK 和 D 触发器的逻辑功能；2、掌握集成触发器的逻辑功能和使用方法；3、熟悉触发器之间相互转换的方法；二、重难点分析重点：基本 RS、JK 和 D 触发器的逻辑功能、集成触发器的逻辑功能和使用方法、触发器之间相互转换的方法难点：触发器之间相互转换的方法三、实验设备与仪器电脑四、实验内容和过程1.基本原理（1）基本 RS 触发器逻辑功能测试利用数字逻辑实验箱测试由与非门组成的基本 RS 触发器的逻辑功能，R、S 接电平开关，Q、Q 接电平显示，将结果记录在下表中。（2）集成 JK 触发器逻辑功能测试直接置 0 和置 1 端的功能测试JK 逻辑功能的测试按下表测试并记录 J

20、K 触发器的逻辑功能JK 触发器计数功能测试使触发器处于计数状态（J=K=1），CP 信号由软件操作板中的连续脉冲（矩形波）发生器提供，可分别用低频(f= 110HZ)和高频（f=20150KHZ）两档进行输入，分别用 LED电平显示器和 XJ4328 双踪示波器观察工作情况，记录 CP 与 Q 的工作波形，Q 状态更新发生在 CP 的下降沿。Q 信号的周期是 CP 信号周期的两倍。（3）集成 D 触发器逻辑功能测试D 触发器逻辑功能的测试按下表测试并记录 D 触发器的逻辑功能Qn+1D CPQn=0 Qn=101 0 0001 0 01 10 1 110 1 1D 触发器计数功能测试使触发器

21、处于计数状态（D= ），CP 端由操作板中的连续脉冲（矩形波）发生器提供，可分别用低频(f= 1-10HZ)和高频（f=20-150KHZ）两档进行输入，分别用实验箱上的 LED电平显示器和 XJ4318/XJ4328 双踪示波器观察工作情况，记录 CP 与 Q 的工作波形， Q 状态更新发生在 CP 的上升沿。Q 信号的周期是 CP 信号周期的两倍。2.实验任务（1）比较各种触发器的逻辑功能及触发方式五实验报告实验内容进行设计、写出设计全过程，画出接线图，进行逻辑功能测试，总结实验收获、第六讲脉冲波形产生电路一、教学目标1.熟悉 555 集成时基电路结构、工作原理及其特点；2.掌握 555

22、时基电路的应用二、重难点分析重点：555 集成时基电路结构、工作原理及其特点、555 时基电路的应用难点：555 时基电路的应用三、实验设备与仪器电脑四、实验内容和过程1.基本原理数字电路中，经常使用矩形脉冲作为信号进行信息传送，或者作为时钟脉冲用来控制和驱动电路，是个部分协调动作。获得矩形脉冲波的电路通常有两类：一类是自激多谐振荡器，它是不需要外加信号触发的矩形波发生器；另一类是它激多谐振荡器，在这类电路中，有的是单稳态触发器，它需要在外加触发信号作用下，输出具有一定宽度的脉冲波；有的是整形电路（施密特触发器） ，它对外加输入的正弦波等波形进行整形，使电路输出矩形脉冲波。555 时基电路是一

23、种模拟集成电路，它的内部电路框图如图所示。电路主要由两个高精度比较器 C1，C 2 以及一个 RS 触发器组成。比较器的参考电压分别是 2/3Vcc 和 1/3Vcc，利用触发输入端 TR 输入一个小于 1/3Vcc 信号，或者阈值输入端 TH 输入一个大于 2/3Vcc 的信号，可以使 RS 触发器状态发生变换。CT 是控制输入端，可以外接输入电压，以改变比较器的参考电压值。在不接外加电压时，通常接 0.01uF 电容器到地。C t 是放电输入端，当输出端的 F=0 时，C t 对地短路，当 F=1 时，C t 对地开路。R 是复位输入端。当 R=0 时，输出端有 F=0。器件的电源电压 V

24、cc 可以是-15V +5V，输出的最大电流可达 200mA，当电源电压为+5V 时，电路输出与 TTL 电路兼容。555 电路能够输出从微秒级到小时级时间范围很广的信号。2.实验任务使用 555 时基电路组成图 6-11 所示电路，取 R1=R2=4.7k，C=C 0=0.01F。(1)用示波器观察并记录触发输入端 TR 和输出端 F 的工作波形，读出输出信号的周期 T 和正脉冲宽度 tw 的值；(2)用信号源的计数功能测量与记录输出信号的 T 与 tw 的值；(3)将上述两种测试结果与理论计算值比较，分析实验误差。五实验报告实验内容进行设计、写出设计全过程，画出接线图，进行逻辑功能测试，总

25、结实验收获、第七讲 A/D,D/A 转换实验一、教学目标1.了解 A/D，D/A 转换的基本工作原理和基本结构；2.掌握具体 A/D，D/A 芯片的使用二、重难点分析重点：A/D，D/A 转换的基本工作原理和基本结构难点：具体 A/D，D/A 芯片的使用三、实验设备与仪器电脑四、实验内容和过程1.基本原理在数字电子技术很多应用场合往往需要把模拟量转换成数字量，或把数字量转成模拟量，完成这一转换功能的转换器有多种型号，使用者借助于手册提供的器件性能指标及典型应用电路，可正确使用这些器件。本实验采用大规模集成电路 DAC0832 实现 D/A（数/模）转换，ADC0809 实现 A/D（模/数）转

26、换。（1）D/A 转换器 DAC0832DAC0832 是采用 CMOS 工艺制成的电流输出型 8 位数/模转换器，引脚排列如图 4-36 所示，各引脚含义为： ：数字信号输入端， MSB， LSB。0D77D0ILE：输入寄存器允许，高电平有效。CS:片选信号，低电平有效，与 ILE 信号合起来共同控制 是否起作用。1WR：写信号 1，低电平有效，用来将数据总数的数据输入锁存于 8 位输入寄存器中，1WR有效时，必须使 和 ILE 同时有效。CS:传送控制信号，低电平有效，用来控制 是否起作用。XFE2：写信号 2，低电平有效，用来将锁存于 8 位输入寄存器中的数字传送到 8 位2D/A 寄

27、存器锁存起来，此时 WFER 应有效。:D/A 输出电流 1，当输入数字量全为 1 时，电流值最大。1OUTI：D/A 输出电流 2。2：反馈电阻。DAC832 为电流输出型芯片，可外接运算放大器，将电流输出转换成fbR电压输出，电阻 是集成在内的运算放大器的反馈电阻，并将其一端引出片外，为在片fb外连接运算放大器提供方便。当 的引出端（脚 9）直接与运算放大器的输出端相连接，fLR如图 4-37 所示，而不另外串联电阻时，则输出电压如式（4.1.12）所示。（4.1.12）iniREFdV2100:基准电压，通过它将外加高精度的电压源接至 T 型电压网络，电压范围为（-REF10+10）V，

28、也可以直接向其他 D/A 转换器的电压输出端。:电源，电压范围（+5+15）V。CAGND：模拟地。DGND：数字地。 A/D 转换器 ADC0809ADC0809 是采用 CMOS 工艺制成的 8 位逐次渐近型模/数转换器，引脚排列，如图 438 所示。各引脚含义为： ：8 路模拟量输入端。0IN7：地址输入端。012A、ALE:地址锁存允许输入信号，应在此脚施加正脉冲，上升沿有效，此时锁存地址码，从而选通相应的模拟信号通道，以便进行 A/D 转换。START：启动信号输入端，应在此脚施加正脉冲，当上升沿到达时，内部逐次逼近寄存器 START 复位，在下降沿到达后，开始 A/D 转换过程。E

29、OC：转换结束输出信号（转换结束标志） ，高电平有效，转换在进行中 EOC 为低电平，转换结束 EOC 自动变为高电平，标志 A/D 转换已结束。OVTEN（OE）：输入允许信号，高电平有效，即 OE=1 时，将输出寄存器中数据放到数据总线上。CP：时钟信号输入端，外接时钟脉冲，时钟频率一般为 640 。REF(+)、REF(-):ZKH基准电压的正极和负极。一般 （+）接+5V 电源， （-）接地。REFVREFV :数字信号输出端 MSB、 LSB7D07D0ADC0809 通过引脚 输入 8 路单边模拟输入电压，ALE 将 3 位地址线0IN进行锁存，然后由译码电路选通 8 路中某一路进

30、行 A/D 转换，地址译码与输012A、 、入选通关系ADC0809 地址译码与输入选通关系被选模拟通道 地 址2A1A0A0IN123I45N6I70000111100110011010100012.实验任务（1）用 DAC0832 及运算放大器 741 组成 D/A 转换电路A五、实验报告实验内容进行设计、写出设计全过程，画出接线图，进行逻辑功能测试，总结实验收获第八讲数字钟的设计与调试一、教学目标1掌握 EWB 软件的初步试用2.掌握同步十进制计数器74160的功能及使用二、重难点分析重点：同步十进制计数器 74160 的功能及使用难点：74160 使用三、实验设备与仪器电脑四、实验内容

31、和过程1.实验任务使用中、小规模集成电路设计与制作一台数字显示时、分、秒的闹钟。它应具有以下功能：（1） 能进行正常的时、分、秒计时功能使用 6 个七段发光二极管显示时间。其中时位以 12 小时为计数周期，其计数序列应为1、2、11、12、1、。当时钟是 12 时 59 分 59 秒后，再计一个秒脉冲，时钟应显示1 时 00 分 00 秒。电路还应有上午和下午的指示。设计要求时的十位数应采取灭零措施，上、下午指示应与时十位合用一个数码管。（2） 能进行手动校时利用两个单刀双掷开关分别对时位和分位进行校正。校时位时，要求时位以每秒计 1 的速度循环计数。校分位时，要求分位以每秒计 1 的速度循环计数。此时秒位计数应置 0，并且分位向时位的进位必须断开。（3） 能进行整点报时要求发出仿中央人民广播电台的整点报时信号，即在 59 分 50 秒起每隔 2 秒钟发出一次低音的“嘟”信号（信号鸣叫持续时间 1s，间隙 1s） 。连续发 5 次，到达整点时（即 00分 00 秒时）再鸣叫一次高音的“哒”信号（信号持续时间仍为 1s） 。因此，电路必须有两路信号输出，用来控制两种不同的音响信号输出（实验仅需输出两路控制信号，用发光二极管指示，不要求输出声响） 。五、实验报告实验内容进行设计、写出设计全过程，画出接线图，进行逻辑功能测试，总结实验收获