实验一 门电路逻辑功能与测试

一、实验目的

1、掌握TTL集成门的逻辑功能

2、进一步熟悉常用电子仪器以及数字电路实验装置的结构，基本功能和使用方法

二、实验原理

1、本实验采用四输入双与非门74LS20，即在一块集成块内含有两个互相独立的与非门，每个与非门有四个输入端。其逻辑框图、符号及引脚排列如图4－1(a)、(b)、(c)所示。

1、与非门的逻辑功能

与非门的逻辑功能是：当输入端中有一个或一个以上是低电平时，输出端为高电平；只有当输入端全部为高电平时，输出端才是低电平（即有“0”得“1”，全“1”得“0”。）

其逻辑表达式

2、TTL与非门的主要参数

(1)低电平输出电源电流ICCL和高电平输出电源电流ICCH

与非门处于不同的工作状态，电源提供的电流是不同的。ICCL是指所有输入端悬空，输出端空载时，电源提供器件的电流。ICCH是指输出端空截，每个门各有一个以上的输入端接地，其余输入端悬空，电源提供给器件的电流。通常ICCL＞ICCH，它们的大小标志着器件静态功耗的大小。器件的最大功耗为PCCL＝VCCICCL。手册中提供的电源电流和功耗值是指整个器件总的电源电流和总的功耗。ICCL和ICCH测试电路如图4－2(a)、(b)所示。

[注意]：TTL电路对电源电压要求较严，电源电压VCC只允许在＋5V±10％的范围内工作，超过5.5V将损坏器件；低于4.5V器件的逻辑功能将不正常。

(2)低电平输入电流IiL和高电平输入电流IiH。IiL是指被测输入端接地，其余输入端悬空，输出端空载时，由被测输入端流出的电流值。在多级门电路中，IiL相当于前级门输出低电平时，后级向前级门灌入的电流，因此它关系到前级门的灌电流负载能力，即直接影响前级门电路带负载的个数，因此希望IiL小些。

IiH是指被测输入端接高电平，其余输入端接地，输出端空载时，流入被测输入端的电流值。在多级门电路中，它相当于前级门输出高电平时，前级门的拉电流负载，其大小关系到前级门的拉电流负载能力，希望IiH小些。由于IiH较小，难以测量，一般免于测试。

IiH与IiL的测试电路如图4－2(c)、(d)所示。

(3)扇出系数NO

扇出系数NO是指门电路能驱动同类门的个数，它是衡量门电路负载能力的一个参数，TTL与非门有两种不同性质的负载，即灌电流负载和拉电流负载，因此有两种扇出系数，即低电平扇出系数NOL和高电平扇出系数NOH。通常IiH＜IiL，则NOH＞NOL，故常以NOL作为门的扇出系数。

NOL的测试电路如图4－3所示，门的输入端全部悬空，输出端接灌电流负载RL，调节RL使IOL增大，VOL随之增高，当VOL达到VOLm（手册中规定低电平规范值0.4V）时的IOL就是允许灌入的最大负载电流，则

  通常

4)电压传输特性

门的输出电压vO随输入电压vi而变化的曲线vo＝f(vi) 称为门的电压传输特性，通过它可读得门电路的一些重要参数，如输出高电平VOH、输出低电平VOL、关门电平VOff、开门电平VON、阈值电平VT 及抗干扰容限VNL、VNH等值。测试电路如图4－4所示，采用逐点测试法，即调节RW，逐点测得Vi及VO，然后绘成曲线。

(5)平均传输延迟时间

是衡量门电路开关速度的参数，它是指输出波形边沿的0.5Vm至输入波形对应边沿0.5Vm点的时间间隔，如图4－5所示。

图4－5(a)中的tpdL为导通延迟时间，tpdH为截止延迟时间，平均传输延迟时间为

tpd的测试电路如图7－5(b)所示，由于TTL门电路的延迟时间较小，直接测量时对信号发生器和示波器的性能要求较高，故实验采用测量由奇数个与非门组成的环形振荡器的振荡周期T来求得。其工作原理是：假设电路在接通电源后某一瞬间，电路中的A点为逻辑“1”，经过三级门的延迟后，使A点由原来的逻辑“1”变为逻辑“0”；再经过三级门的延迟后，A点电平又重新回到逻辑“1”。电路中其它各点电平也跟随变化。说明使A点发生一个周期的振荡，必须经过6 级门的延迟时间。因此平均传输延迟时间为

TTL电路的一般在10nS～40nS之间。

74LS20主要电参数规范如表7－1所示

三、实验设备与器件

1、数字电路实验箱2、数字万用表

四、实验内容

在合适的位置选取一个14P插座，按定位标记插好74LS20集成块。

1、验证TTL集成与非门74LS20的逻辑功能

按图7－6接线，门的四个输入端接逻辑开关输出插口，以提供“0”与

“1”电平信号，开关向上，输出逻辑“1”，向下为逻辑“0”。门的输出端接由LED发光二极管组成的逻辑电平显示器（又称0－1指示器）的显示插口，LED亮为逻辑“1”， 不亮为逻辑“0”。按表2－2的真值表逐个测试集成块中两个与非门的逻辑功能。74LS20有4个输入端，有16个最小项，在实际测试时，只要通过对输入1111、0111、1011、1101、1110五项进行检测就可判断其逻辑功能是否正常。

                                           表7－2

2、74LS20主要参数的测试

(1)分别按图7－2、7－3、7－5(b)接线并进行测试，将测试结果记入表7－3中。

表7-3

(2)接图7－4接线，调节电位器RW，使vi从OV向高电平变化，逐点测量vi和vO的对应值，记入表7-4中。

五、实验报告

1、记录、整理实验结果，并对结果进行分析。

2、画出实测的电压传输特性曲线，并从中读出各有关参数值。

六、集成电路芯片简介

数字电路实验中所用到的集成芯片都是双列直插式的，其引脚排列规则如图7-1所示。识别方法是：正对集成电路型号（如74LS20）或看标记（左边的缺口或小圆点标记），从左下角开始按逆时针方向以1，2，3，.依次排列到最后一脚（在左上角）。在标准形TTL集成电路中，电源端VCC一般排在左上端，接地端GND一般排在右下端。如74LS20为14脚芯片，14脚为VCC，7脚为GND。若集成芯片引脚上的功能标号为NC，则表示该引脚为空脚，与内部电路不连接。

七、TTL集成电路使用规则

1、接插集成块时，要认清定位标记，不得插反。

2、电源电压使用范围为＋4.5V～＋5.5V之间，实验中要求使用Vcc＝＋5V。电源极性绝对不允许接错。

3、闲置输入端处理方法

(1) 悬空，相当于正逻辑“1”，对于一般小规模集成电路的数据输入端，实验时允许悬空处理。但易受外界干扰，导致电路的逻辑功能不正常。因此，对于接有长线的输入端，中规模以上的集成电路和使用集成电路较多的复杂电路，所有控制输入端必须按逻辑要求接入电路，不允许悬空。

(2) 直接接电源电压VCC（也可以串入一只1～10KΩ的固定电阻）或接至某一固定电压(＋2.4≤V≤4.5V)的电源上， 或与输入端为接地的多余与非门的输出端相接。

(3) 若前级驱动能力允许，可以与使用的输入端并联。

4、输入端通过电阻接地，电阻值的大小将直接影响电路所处的状态。当R≤680Ω时，输入端相当于逻辑“0”；当R≥4.7 KΩ时，输入端相当于逻辑“1”。对于不同系列的器件，要求的阻值不同。

5、输出端不允许并联使用（集电极开路门(OC)和三态输出门电路(3S)除外）。否则不仅会使电路逻辑功能混乱，并会导致器件损坏。

6、输出端不允许直接接地或直接接＋5V电源，否则将损坏器件，有时为了使后级电路获得较高的输出电平，允许输出端通过电阻R接至Vcc，R＝3～5.1 KΩ。

实验二 组合逻辑电路

一、实验目的

1、学会组合逻辑电路的实验分析方法。

2、验证半加器、全加器的逻辑功能。

二、实验仪器及设备

1、数字逻辑实验箱

2、万用表

3、元器件：74LS00、74LS20各一块、74LS54、74LS86各一、电阻及导线若干

三、实验线路图

四、实验内容

1、测试用与非门构成的电路的逻辑功能

按图3-1接线。按下表要求输入信号，测出相应的输出逻辑电平，并填入表中。分析电路的逻辑功能为半加器，写出逻辑表达式为：Y=A⊕B Z=AB

2、测试用异或门和与非门组成的电路的逻辑功能

按图3-2接线。按下表要求输入信号，测出相应的输出逻辑电平，并填入表中。分析电路的逻辑功能为半加器，写出逻辑表达式为

3、测试用异或门、非门和与或非门组成的电路的逻辑功能

按图3-3接线。按下表要求输入信号，测出相应的输出逻辑电平，并填入表中。分析电路的逻辑功能为半加器，写出逻辑表达式为：

五、实验结果分析（回答问题）

1、总结用实验来分析组合逻辑电路功能的方法为：

按图接线，将输入的所有取值组合对应输出测出来，得到该电路的真值表，进而写出逻辑函数表达式，概述电路的逻辑功能

实验三 触发器

一、 实验目的

    1． 学会测试触发器逻辑功能的方法。

    2． 进一步熟悉RS触发器、集成JK触发器和 D触发器的逻辑功能及触发方式。

    3． 熟悉数字逻辑实验箱中单脉冲和连续脉冲发生器的使用方法。参看附录一。

    二、实验器材

    1．数字逻辑实验箱DSB-3 1台

    2．万用表 1只

    3．二踪示波器XJ4328 1台

    4．元器件： 74LS00（T065） 1块 74LS74 1块

    74LS76 1块 导线 若干

    三、实验说明

    1． 如何用二踪示波器XJ4328按时间对应关系同时显示两个信号？请预习附录二相关内容。

    2． 74系列产品抗干扰能力很差，不用的输入控制端不可悬空，要接固定高电平。可通过一个几KΩ电阻接5V电源，也可利用实验箱上的逻辑电平开关。

    四、实验内容和步骤

    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，将测试结果记录在表7-1中。

    2． 集成JK触发器74LS76逻辑功能测试

    （1） 直接置0和置1端的功能测试

    （2）JK触发器逻辑功能的测试

    按表7-3测试并记录JK触发器的逻辑功能（表中CP信号由实验箱操作板上的单次脉冲发生器P+提供，手按下产生0→1，手松开产生1→0）。

   

    (3) JK触发器计数功能测试



    使触发器处于计数状态（J=K=1），CP信号由实验箱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，同时用实验箱上的LED电平显示器和XJ4328型二踪示波器观察工作情况，记入表7-4。高频输入时，记录CP与Q的工作波形，并回答：Q状态更新发生在CP的哪个边沿？Q和CP信号的周期有何关系？若R=0会怎样？

    3． 集成D触发器74LS74逻辑功能测试

    （1）D触发器逻辑功能的测试

    按表7-5测试并记录D触发器的逻辑功能（表中CP信号由实验箱操作板上的单次脉冲发生器P+提供）。

    (2) D触发器计数功能测试

    使触发器处于计数状态（D=），CP端由实验箱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SR8双踪示波器观察工作情况，记录CP与Q的工作波形，并回答：Q状态更新发生在CP的哪个边沿？Q和CP信号的周期有何关系？若会怎样？

    四、实验报告要求

    1． 画出实验测试电路，整理实验测试结果，列表说明，回答所提问题，画出工作波形图。

    2． 比较各种触发器的逻辑功能及触发方式。

    3． 回答思考题

    1） 一个带直接置0/1端的JK触发器置为0或1有哪几种方法？

    2） 一个带直接置0/1端的D触发器置为0或1有哪几种方法

实验四 MSI计数器的应用

    一、 实验目的

    1． 熟悉中规模集成电路计数器的功能及应用。

    2． 进一步熟悉数字逻辑实验箱中的译码显示功能。（参看附录1）

    二、实验器材

    1．数字逻辑实验箱DSB-3 1台

    2．万用表 1只

    3． 元器件： 74LS00（T065） 一块

    74LS20（T063） 一块

    74LS161 一块

    导线 若干

    三、实验内容和步骤

    用74LS161及辅助门电路实现一个2~N~16任意进制计数器：

   

    以N=10为例，请在预习时分别设计相应电路，自行拟出实验步骤。分别安装并观察计数器的功能。

    1． 列出表述其功能的计数状态顺序表（参考表9-1的格式），记录实验数据。可利用实验箱上的低频连续脉冲作CP，LED译码显示电路指示输出状态。

                           

    2．利用实验箱上的高频连续脉冲作CP，用示波器观察QD、QC、QB、QA的波形，并按时间对应关系记录下来。

    四、实验报告要求

    1．整理实验测试结果，以N=10为例，分别画出电路图，列出计数状态顺序表，画出工作波形。

    2．回答思考题

    1）74LS161的置0端和置数端的工作情况有何不同？

    2）若要求计数器具有暂时停止计数、过一段时间再继续计数的功能，有哪几种方法可以实现?

实验五 电子秒表综合实验

一、 实验目的

1． 熟悉中规模集成电路计数器的功能及应用。

    2． 熟悉中规模集成电路译码器的功能及应用。

    3． 熟悉LED数码管及其驱动电路的工作原理。

4． 熟悉集成555定时器组成的多谐振荡器

    5． 初步学会综合安装调试的方法。

    二、实验器材

三、实验内容和步骤

1. 熟悉集成555定时器功能并组成多谐振荡器，用示波器观测输出波形。

2．用162设计60进制计数器

3．连接译码器和显示器

4．参考电路见下图：

    四、实验报告要求

    1． 画出60进制计数、译码、显示的逻辑电路图。

    2． 说明实验步骤。

    3． 简要说明数码管自动计数显示的情况。（可列省略中间某些计数状态的计数状态顺序表说明）

    4． 根据实验中的体会，说明综合安装调试较复杂中小规模数字集成电路的方法。

    5． 回答思考题

    1） 阴、共阳LED数码管应分别配用何种输出方式的译码器？

    2） 该如何确定数码管驱动电路中的限流电阻值？

    3） 如果60进制计数器采用高位接10进制、低位接6进制的方式，计数顺序又如何？可列省略中间某些状态的计数状态顺序表说明。

试验一门电路逻辑功能与测试