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数电实验指导书

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数字电路实验的基础知识一、数字电路的特点：1、数字电路所处理的信号是数字信号，这种信号在数量上的和时间上都是离散的，即这类信号在数量上和时间上都被除各自的最小量化单位量化了的信号。

2、数字电路中，晶体管和门电路在稳态是工作于开关状态，即管子是工作于导通或截止，门电路则处于打开或关闭状态。

3、数字信号的输出只有“高”、“低”电平两种状态，分别用“0”、“1”表示。

对数字电路而言，具体的电压值并不重要，重要的是电路在工作时能区分“0”和“1”两种状态。

4、数字电路的集成度较高。

因此，数字电路实验与模拟电路实验应有所不同，数字电路实验，主要是培养学生的完成逻辑构思，选择并灵巧的应用集成元件，正确的拼装电路的能力.二、数字集成电路的分类所谓集成电路（集成块），就是在一块体积很小的基片材料上，采用特殊的制作工艺，把许许多多的晶体二极管、晶体三极管、电阻、电容等有源无源元件（不包括电感），按照一定的设计要求，集成制作并连接在它的上面，形成芯片，再把芯片进行封装后形成的一种具有某种电路功能的多引脚、单块式电子器件。

1959年，世界上出现了第一块集成电路，从此以后，半导体技术飞速发展，在一块半导体芯片上集成的电子元件越来越多，按集成元件的多少，可将集成电路分为小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）。

SSI：门电路、触发器等，一般100个门以下：MSI：各类计数器、寄存器、译码器和比较器等，一般包括100~1000个门：LSI：各类专用的寄存器等，一般包括1000~10000个门；VLSI：各类CPU、单片袖珍计算机等，一般在10000个门以上。

根据晶体管类型的不同，数字集成电路可分为双极型半导体和单极型半导体。

1、双极型半导体双极型集成电路中采用硅平面NPN型三极管，常见类型有：TTL：晶体管-晶体逻辑电路；ECL：射极耦合集成电路，特点：高速；HTL：高阈值集成电路，特点：抗干扰能力强；IIL：集成注入逻辑电路，特点：集成度高。

２、单极型半导体多采用“金属—氧化物—半导体”的绝缘栅场效应管，简称MOS场效应管，常见的有NMOS、PMOS、CMOS集成电路。

表一、数字集成电路各型号分类表一所列系列中，有的已经基本淘汰，如HTTL和LTTL，最常用最流行的是LSTTL和CMOS两个子系列，它们的产品种类和产量远远超过其它各种。

ALSTTL、ASTTL、FTTL的性能更好一些，目前还处于发展各完善阶段，它们之间相差不大。

数字集成电路，只要型号的序列号相同，它们的功能就相当，双列直插类型封装的外引线排列也一致，只是在功耗和指标上不同。

三、集成电路的外形、符号与识别（一）集成电路的外形和符号集成电路的英文缩写为“IC”，在一些旧的电路图中通常以基代号“IC”表示，在新的标准中，它的代号规定为“N”。

它的外观形态是一种片状单排或双排多引脚结构的电子器件，其大小按其集成成度的不同而不同。

（二）型号识别集成块上面字符标志的意义见表二。

中国TTL集成电路型号命名法有部标和国标两种，此外还有各厂商独自命名的方法。

1、中国部标T000系列例如：T063 A B（1）（2）（3）（4）（1）、T表示TTL集成电路；（2）、3位数码，表示系列品种代号；（3）、表示开关参数的档次：A……低档，B……高档；（4）、表示封装形式：A……陶瓷扁平，B……塑料扁平，C……陶瓷双列直插，D……塑料双列直插；２、中国国标TTL型号命名法（间接国标标准法）……T0000系列例如：T 4 020 M D（1）（2）（3）（4）（5）（1）、T表示TTL集成电路；（2）、一位数码，表示系列品种代号，其中：1：表示标准系列，同国标的54/74标准系列；2：表示高速系列，同国标的54/74系列；3：表示肖特基系列，同国标的54S/74S系列；4：表示低功耗肖特基系列，同国标的54LS/74LS系列；（3）、3位数码，表示系列品种代号，与国际的品种代号一致；（4）、表示工作温度；表二３、中国国标TTL型号命名法（直接国标标准法）例如： C T 74LS×××C（或M）J（或D或PF）（1）（2）（3）（4）（5）（1）、C表示中国；（2）、T表示TTL集成电路；（3）、74表示通用74系列；54表示通用54系列；LS表示低功耗肖特基系列；S表示肖特基系列；H表示高速系列；空白表示标准系列，×××为代码，表示品种代号，同国际标准一致。

（4）、表示工作温度；（5）、表示封装形式；４、国外TTL集成电路主要生产公司产品型号的命名规则a、（美）德克萨斯公司（TEXAS）例如：SN 74 LS 195 J（1）（2）（3）（4）（5）（1）、表示德克萨斯公司的标准TTL电路；（2）、表示工作温度范围：54……-55~+125摄氏度（军用）；74……0~+70摄氏度（民用）（3）、表示系列：ALS……先进低功耗肖特基系列；AS……先进肖特基系列；LS……低功耗肖特基系列；H……高速系列；空白……标准系列（4）、表示品种代号（5）、表示封装材料和封装形式；b、（美）摩托罗拉公司（MOTOROLA）例如：MC 74 196 P（1）（2）（3）（4）（1）、表示摩托罗拉公司生产的集成电路；（2）、表示工作温度范围：4，20，30，40，72，74和83……0~+75度；5，21，31，73，82，54和93……—55~+125度；（3）、表示品种代号；（4）、表示封装材料和封装形式；c、（美）仙童公司（FAIRCHILD）例如：93S 10 D C（1）（2）（3）（4）（1）、表示系列：54/74……标准系列；LS……低功耗肖特基系列；90……中速小规模；93……中速中规模；93H高速中规模；96……标准单稳；96L……低功耗单稳；（2）、表示系列品种代号；（3）、表示封装形式；（4）、表示工作温度范围：M……—55~+125度；C……0~+70度；d、（美）西格湮蒂克斯公司（SIGNETICS）例如：N 74LS 00 N（1）（2）（3）（4）（1）、表示工作温度范围，N：0~75度；S：—55~——125度；（2）、表示系列代号；（3）、表示品种代号（4）、表示封装材料及封装形式。

e、（美）国家半导体公司（NATIONALSEMICONDUCTOR）例如：DM 74 LS 161 N（1）（2）（3）（4）（5）（1）、表示美国国家半导体公司单片数字电路图：（2）、表示工作温度范围，54、70、71、72、75、77、78、93和96系列为军用产品，温度范围为—55~+125摄氏度；74、80、81、82、85、87和88系列为民用产品，温度范围为0~+70摄氏度；83、86和89也为民用产品，其工作温度范围为0~—+75摄氏度。

（3）、表示系列，空白表示标准系列，H表示高速系列，L表示低功耗系列。

LS表示低功耗肖特基系列。

（4）、表示品种代号。

（5）、表示封装材料及封装形式。

f、（日本）日立公司（HITACHI）例如：HD 74 LS 191 P（1）（2）（3）（4）（5）（1）、表示日立公司的数字集成电路。

（2）、表示表示工作温度范围，54系列为军用产品，温度范围为—55~+125摄氏度；74系列为民用产品，温度范围为0~+70摄氏度；（3）、表示系列，与其它产品相同。

（4）、表示品种代号（5）、表示封装材料和封装形式。

（三）引出脚识：面对集成电路的字符标志面，对于单排引脚的集成电路，将引脚朝下，以有圆点、色点、色带或色线、切角等标志特征的一端为起端，向另一端依次为1脚、2脚……；对于双排引脚的集成电路，将引脚朝外，面对有标志的一面，以有半圆口或小圆点的左下方开始为1脚，然后按逆时针方向顺序数依次是2脚、3脚……，直到半圆口的左上方为止。

四、数字电路实验的布线要求1、为了查找方便，连线应该尽量用不同的颜色。

例如，正电源一般用红色绝缘皮的线，负电源用蓝色，地线用黑色，信号线用黄色，也可根据条件选用其他颜色导线。

2、多次使用过的集成电路的引脚，必须修理整齐，引脚不能弯曲，所有的引脚应稍向外偏，这样才能使引脚与插孔接触良好。

要根据电路图确定元器件在面包板上的排列位置，目的是走线方便。

3、自行剪线，要根据连线的距离以及插入插孔的长度剪断导线，导线两头各留6mm左右作为插入插孔的长度较合适，裸线不能太长以免出现短路。

4、须使连线从集成电路周围通过，不允许跨接在集成电路上，也不要使导线互相重叠在一起，尽可能做到横平竖直，这样有利于查线，更换器件及连线。

5、好在各电源的输入端与地之间并联一个电容为几十微法的电容，这样可以减少瞬变过程中电流的影响。

为了更有效地抑制电源中的高频分量，应在该电容两端再并联一个高频去耦合电容，一般取容量为0.01~0.047uF的独石电容。

6、为使电路能够正常工作与测量，所有的地线必须连在一起，形成一个公共地参考点。

五、数字电路实验的故障诊断方法一个数字电路或系统，通常是由许多电路或功能块连接而成在实验过程中，会由于各种各样的原因产生故障。

故障的产生原因有多种，在些是由于操作不当（如布线错误、虚焊）引起的，有些故障（如组合逻辑电路的竞争冒险）是由于设计不当，实验电路本身所固有的，有些故障是实验器件使用不当或错误应用造成的。

在实验中，要求完全不出故障是比较困难的。

但要做到以下几点，尽可能将实验故障率减到最低，还是能顺利完成实验。

数字电路的故障相对比较简单，除三态电路外，它的输入与输出只有高电平和低电平两种状态。

查找故障时可以先进行动态测试，缩小故障的范围，再进行静态测试，查找故障的具体位置。

查找故障首先要有合适的信号源和示波器，示波器的频带一般要大于10MHZ，，至少要大于信号频率。

而且应该用双踪示波器观察输入和输出的波形相位关系。

查找故障的过程仍然可以按顺序进行测量，把输出的结果和预期的状态相比较，通过动态测试把故障缩小到较小的范围。

如果信号是非周期的，应该借助逻辑分析仪或其它辅助设备观察各处的状态。

如前所述，数字电路除三态电路外，输出不是高电平就是低电平，不允许出现不高不低的状态。

对于使用+5V电源的TTL电路来说，高电平Array要大于2.8伏，低电平要低于0.5V才能满足要求。

在数字电路中，一个逻辑门输入端一般由若干逻辑门提供，而它的输出又经常带动多个门的输入（如右图所示），同一故障经常由不同的原因引起。

在左图中，如果不论怎么改变A门X、Y、Z的输入状态，输出总保持低电平（通称“固0”故障），故障原因可能出自A门，也可能是因为与A门输出端相连的B、C、D门中任一个的输入端与低电平短路。

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数字电路 实验指导书

数字电路 实验指导书

TPE-D型系列数字电路实验箱数字逻辑电路实验指导书实验一门电路逻辑功能及测试实验二组合逻辑电路（半加器、全加器及逻辑运算）实验三时序电路测试及研究实验四集成计数器及寄存器实验一门电路逻辑功能及测试一、实验目的1、熟悉门电路逻辑功能。

2、熟悉数字电路实验箱及示波器使用方法。

二、实验仪器及器件1、双踪示波器；2、实验用元器件74LS00 二输入端四与非门 2 片74LS20 四输入端双与非门 1 片74LS86 二输入端四异或门 1 片74LS04 六反相器 1 片三、预习要求1、复习门电路工作原理及相应逻辑表达式。

2、熟悉所用集成电路的引线位置及各引线用途。

3、了解双踪示波器使用方法。

四、实验内容实验前检查实验箱电源是否正常。

然后选择实验用的集成电路，按自己设计的实验接线图接好连线，特别注意Vcc 及地线不能接错(Vcc=+5v，地线实验箱上备有)。

线接好后经实验指导教师检查无误可通电实验。

实验中改动接线须先断开电源，接好后在通电实验。

1、测试门电路逻辑功能⑴选用双四输入与非门74LS20 一只，插入面包板（注意集成电路应摆正放平），按图1.1接线，输入端接S1～S4(实验箱左下角的逻辑电平开关的输出插口)，输出端接实验箱上方的LED 电平指示二极管输入插口D1～D8 中的任意一个。

⑵将电平开关按表1.1 置位，分别测出输出逻辑状态值及电压值填表。

表1.12、异或门逻辑功能测试⑴选二输入四异或门电路74LS86，按图1.5 接线，输入端1、2、4、5 接电平开关输出插口，输出端A 、B 、Y 接电平显示发光二极管。

⑵ 将电平开关按表1.2 的状态转换，将结果填入表中。

表 1.23、逻辑电路的逻辑关系⑴ 用 74LS00 双输入四与非门电路，按图1.3、图1.4 接线，将输入输出逻辑关系 分别填入表1.2，表1.3 中。

1.3⑵ 写出两个电路的逻辑表达式。

4、逻辑门传输延迟时间的测量用六反相器（非门）按图1.5 接线，输入80KHz 连续脉冲（实验箱脉冲源）， 用双踪示波器测输入、输出相位差。

数字电子实验指导书

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目录实验一集成门电路参数测试 (2)实验二集电极开路（OC）门及三态输出（TS）门 (6)实验三优先编码器译码器数据选择器 (9)实验四组合逻辑电路设计 (15)实验五触发器 (18)实验六寄存器 (22)实验七计数器 (25)实验八多谐振荡器和单稳态触发器设计 (29)实验九大规模集成电路设计(一) (31)实验十大规模集成电路设计(二) (35)实验十一数字电子综合设计 (38)附录一TH3-3模拟电路实验箱 (40)附录二THD-I型数字电路实验箱使用说明书 (42)附录三多组输出直流电源供应器 (44)附录四函数波发生器（GFG-82XX） (46)实验一集成门电路参数测试一．实验目的：1．熟悉数字集成元件的特点和使用方法，掌握集成芯片的外型和引脚号的查法。

2．熟悉TTL门电路静态参数，掌握测试方法。

3．掌握TTL、CMOS门电路的使用方法及注意事项。

二．实验设备及器件：数字电路实验板、稳压电源、四双输入端TTL与非门74LS00、四双输入端CMOS与非门CD4011、电位器一只、电阻两只。

(a) 74LS00管脚图(b) CD4011管脚图图2.1.1 74LS00 、CD4011管脚图三．实验内容及步骤：1、TTL与非门电路参数测试（1）输出高电平V OH测试V OH：输出高电平下限。

既当电源电压最低，输入低电平最高，输出电流最大时的输出电压值。

对74LS00取V CC=5V V IL=0.8V I OH=最大方法：如图2.1.2,一输入端接0.8V，其余输入端悬空，输出端通过电位器接地。

调节电位器使电流表读数最大，此时V O即为V OH 将其值填入表2.1.1实验记录中。

(2) 输出低电平V OL测试V OL：输出低电平上限。

即当电源电压最小，输入为高电平下限，输出低电平电流最大时输出电压值。

对74LS00取V CC=5V V IH=2V I OL=最大方法：如图2.1.3，输入端接2.0V，其它端悬空，输出端接入RL作为模拟负载。

数字电路实验指导书

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Hale Waihona Puke “ 0 ”； 当 R≥ 4 ． 7K Ω 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。 3．输 出 端 不 允 许 直 接 接 电 源 或 接 地 ，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，一 般 取 R＝ 3~5.1 K Ω ； 不 允 许 直 接 并 联 使 用 （ 集 电 极 开 路 门和三态门除外） 。 4． 应 考 虑 电 路 的 负 载 能 力 （ 即 扇 出 系 数 ） ，要留有余地，以 免 影 响 电 路 的 正 常 工 作 。扇 出 系 数 可 通 过 查 阅 器 件 手 册 或 计算获得。 5．在 高 频 工 作 时 ，应 通 过 缩 短 引 线 、屏 蔽 干 扰 源 等 措 施 ， 抑 制电流的尖峰干扰。 CMOS 数 字 集 成 电 路 的 特 点 1．静 态 功 耗 低 ：电 源 电 压 V DD =5V 的 中 规 模 电 路 的 静 态 功 耗 小 于 100 μ W， 从 而 有 利 于 提 高 集 成 度 和 封 装 密 度 ， 降 低 成本，减小电源功耗。 2．电 源 电 压 范 围 宽 ：4000 系 列 CMOS 电 路 的 电 源 电 压 范 围 为 3～ 18V ，从 而 使 选 择 电 源 的 余 地 大 ，电 源 设 计 要 求 低 。 3 ． 输 入 阻 抗 高 ： 正 常 工 作 的 CMOS 集 成 电 路 ， 其 输 入 端 保 护 二 极 管 处 于 反 偏 状 态 ， 直 流 输 入 阻 抗 可 大 于 100M Ω ， 在工作频率较高时，应考虑输入电容的影响。 4． 扇 出 能 力 强 ：在 低 频 工 作 时 ，一 个 输 出 端 可 驱 动 50 个 以 上 的 CMOS 器 件 的 输 入 端 ， 这 主 要 因 为 CMOS 器 件 的 输 入电阻高的缘故。 5．抗 干 扰 能 力 强 ：CMOS 集 成 电 路 的 电 压 噪 声 容 限 可 达 电 源 电 压 的 45% ， 而 且 高 电 平 和 低 电 平 的 噪 声 容 限 值 基 本 相 等。 6．逻 辑 摆 幅 大 ： 空 载 时 ，输 出 高 电 平 V O H ＞（ V D D -0.05V ） , 输 出 低 电 平 V O L ＜ （ V S S +0.05V ） 。 CMOS 集 成 电 路 还 有 较 好 的 温 度 稳 定 性 和 较 强 的 抗 辐 射 能 力 。不 足 之 处 是 ，一 般 CMOS 器 件 的 工 作 速 度 比 TTL 集 成
数字电路实验指导书

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实验一门电路逻辑功能测试及组成其他门电路一、实验目的1．掌握基本门电路逻辑功能测试方法。

2．掌握用与非门组成其他逻辑门的方法。

3．掌握Multisim元器件库中查找常用元件的方法。

二、实验设备及元器件1. PC人计算机及仿真软件Multisim 10。

2. 虚拟元件：与非门7400N、74LS04N、异或门7486N、三态门74LS125N。

3. 虚拟仪器：万用表XMM1、信号发生器XFG1、测量元件中的指示灯X1等。

三、实验内容1.测试与非门的逻辑功能（1）单击电子仿真软件Multisim 10基本界面左侧左列真实元件工具条的“TTL”按钮，从弹出的对话框中选取一个与非门7400N，将它放置在工作平台上；单击真实元件工具条的“电源”（Source）按钮，将电源和底线调出放置在电子平台上；单击真实元件工具条的“基本”（Basic）按钮，调出单刀双掷开关“SPDT”两只并将它们的key设置成“A”和“B”；单击真实元件工具条的“指示器”按钮其中调出红色指示灯一盏并把它放置在工作区中作为输出指示。

搭建后的电路如图3.1.1所示。

输出表达式Y=A·B。

图3.1.1（2）点击电子仿真软件Multisim 10基本界面右侧虚拟仪器工具条“万用表”按钮，调出虚拟万用表“XMM1”放置在电子平台上，将“XMM1”仪器连成仿真电路。

（3）双击虚拟万用表图标“XMM1”，将出现它的放大面板，按下放大面板上的“电压”和“直流”两个按钮，将它用来测量直流电压如图3.1.2所示。

（4）打开仿真开关，按照表 3.1.1，分别按动“A”和“B”键，使与非门的两个输入端为表中4种情况，从万用表的放大面板上读出各种情况的直流电位，将它们填入表内，并将电位转换成逻辑状态填入表3.1.1内。

图3.1.2（5）同样的步骤完成门电路7404N、7402N、7408N的功能测试,实验步骤自拟。

2. 用与非门组成其他功能门电路（1）用与非门组成或门：①根据摩根定律，或门的逻辑函数表达式Q=A+B可以写成：Q=A.B，因此，可以用三个与非门构成或门。