《数字电路实验》课件

数字电路实验课程本课程注重理论与实践结合，帮助学生掌握数字电路基础知识与实验技能数字电路的发展与应用早期发展120世纪40年代，真空管实现逻辑功能晶体管时代260年代，晶体管使电路小型化集成电路370年代，大规模集成电路出现现代应用4广泛用于计算机、通信、自动控制数字与模拟信号对比数字信号模拟信号离散值表示连续值表示抗干扰能力强信息密度高易于存储与处理自然界普遍存在适合逻辑运算处理复杂度高实验课程结构综合设计实验中级电路实验数字系统设计与测试基础电路实验触发器、计数器、寄存器逻辑门、组合逻辑电路测试数字电路实验室安全规范电源使用开关顺序先外电路，后电源接线注意断电状态下接线，防止短路静电防护接触元器件前先触摸接地金属设备维护实验结束后归还工具，整理工位常用仪器简介示波器万用表观察电路波形测量电压、电流、电阻测量频率、电压通断检测功能采样率通常为100MHz以上数字/指针两种类型直流电源提供稳定电压电流限制保护常用5V/

3.3V输出实验报告与考核方式综合评分100分制，期末成绩权重70%实验报告每次实验后一周内提交实验操作现场完成实验并记录数据数字电路基础概念数字量二进制有限离散值的物理量用0和1表示信息逻辑门逻辑电平实现基本逻辑运算的电路高低电平对应逻辑1和0基本逻辑门概述与门AND或门OR非门NOT所有输入为1，输出才任一输入为1，输出即输入取反，0变1，1变为1为10逻辑门真值表输入A输入B与门输出或门输出非门输出~A00001010111001011110与门（）电路原理ANDTTL实现CMOS实现双极型晶体管互补金属氧化物多发射极结构功耗低totem-pole输出抗干扰能力强或门（）电路原理OR晶体管工作原理开关特性，导通与截止基本电路结构输入并联，任一通路导通即输出集成电路实现37432芯片包含四个或门非门（）及其应用NOT输入信号逻辑0或1非门处理电平反转输出信号与输入相反实际应用信号反相，电平转换其他基本门电路与非门NAND或非门NOR与门后接非门或门后接非门功能完备性，可构建任意逻辑功功能完备性，可构建任意逻辑功能能7400芯片包含四个与非门7402芯片包含四个或非门异或门XOR输入不同时输出为1常用于比较器和加法器7486芯片包含四个异或门集成门电路芯片介绍74系列TTL芯片是常用的数字逻辑门集成电路，引脚间距

2.54mm，工作电压5V门电路实验步骤准备实验板插入芯片，注意防静电按图连接电路连接电源、地、输入输出引脚输入信号设置通过开关或按钮设置输入电平测量输出用LED或万用表观察输出状态组合逻辑电路简介定义特征输出仅由当前输入决定，无记忆功能数学模型布尔代数函数表达，真值表描述典型应用加法器、译码器、数据选择器设计方法真值表逻辑表达式电路实现→→组合逻辑电路设计方法确定真值表列出所有输入组合与期望输出写出逻辑表达式根据真值表，写出逻辑函数卡诺图化简利用卡诺图找出最小项组电路实现根据化简表达式连接逻辑门半加器实验原理逻辑电路图真值表由一个异或门和一个与门组成A BS C两个输入端A和B0000两个输出端S和和C进位011010101101半加器实验操作连接电路设置输入观察输出用7486和7408芯片实现异或门和与门用开关提供0和1输入信号用LED指示灯显示和与进位输出全加器实验原理三输入逻辑处理A、B、进位输入Cin两个半加器级联+或门数学关系双输出S=A⊕B⊕Cin，Cout=求和S、进位输出CoutAB+A⊕BCin全加器实验操作单位全加器连接多位加法器级联搭建一位全加器电路前一级Cout连接后一级Cin验证三输入与两输出功能实现多位数加法运算译码器原理与结构功能定义将n位二进制码转换为2^n个输出基本结构2与门阵列实现地址译码典型芯片74LS1383-

8、74LS1544-16译码器译码器实验操作选用74LS138芯片，连接三位输入开关和八位LED输出指示灯，逐一验证译码功能数据选择器原理与用途多路输入选择控制内部结构单路输出D0~Dn数据输入端地址选择输入A0~Am与门阵列+或门组合根据地址选择一个数据通道数据选择器实验操作选用74LS151芯片8选1数据选择器集成电路连接数据输入D0~D7接开关或固定电平设置选择地址A、B、C地址线连接三位开关测试输出LED显示输出Y状态比较器原理一位比较器多位比较器比较两个单比特值从高位开始依次比较三种可能结果AB，级联结构，可扩展位数A=B，A比较器实验74LS85芯片连接测试电路结果指示四位二进制比较器输入A3~A0和B3~B0设置为开关量三个LED显示AB、A=B、A时序逻辑电路简介具有记忆功能输出与当前输入及历史状态有关时钟控制状态变化通常由时钟信号触发基本单元触发器是最基本的记忆单元主要应用寄存器、计数器、状态机触发器原理与分类RS触发器D触发器JK触发器置位复位触发器，最基数据触发器，锁存输入改进型RS触发器，解本类型数据决不确定状态T触发器翻转触发器，用于分频和计数触发器实验RS基本结构置位功能1两个或非门（或与非门）交叉耦合S=1,R=0时Q=1,Q=0保持状态复位功能S=0,R=0时保持前态S=0,R=1时Q=0,Q=1触发器实验D工作原理实验步骤时钟上升沿锁存D输入使用74LS74芯片Q输出等于锁存的D值连接D和CLK信号避免RS触发器的禁止状态观察Q随D变化的时序关系触发器工作原理JK输入定义J置位、K复位、CLK时钟状态变化J=0,K=0保持；J=1,K=0置位；J=0,K=1复位翻转功能J=1,K=1时，时钟触发输出翻转JK触发器实验74LS76芯片型号双路JK触发器集成电路2功能模式同步置位/复位，异步清零/预置5V工作电压标准TTL电平20ns建立时间输入信号到时钟边沿最小间隔同步与异步时序电路同步时序电路所有触发器由同一时钟信号控制状态转换在时钟沿发生设计简单，容易分析常用于高速数字系统异步时序电路触发器状态变化不依赖统一时钟由输入信号直接触发状态变化设计复杂，可能出现竞争冒险功耗低，响应速度快计数器原理与类型计数器是由触发器级联构成的时序电路，可分为同步/异步、二进制/十进制等多种类型二进制计数器实验使用74LS161芯片4位同步二进制计数器基本连接接通电源，连接CLK、CLR引脚输入时钟信号使用方波发生器或手动脉冲观察计数过程Q0-Q3输出连接LED或示波器环形计数器实验应用分析循环计数实现时序控制，非重叠时钟分初始化设置每个时钟脉冲，1向后移动一位配电路准备复位后置位第一个触发器，其使用四个D触发器级联，Q输出余为0接下一级D输入移位寄存器原理基本结构主要功能多个触发器串联连接数据存储串行输入、串行输出SISO串并转换串行输入、并行输出SIPO时序延迟并行输入、串行输出PISO数据移位操作移位寄存器实验74LS194芯片电路连接波形观察双向移位功能，支持并行加载设置控制信号，观察数据流动示波器捕捉各触发器输出信号数字显示器件与驱动七段数码管BCD译码器1由7个LED段和1个小数点组成将二进制码转为七段显示码2显示控制驱动电路静态显示或动态扫描方式提供足够电流驱动LED段数码管显示实验BCD输入0-9十进制码74LS47译码BCD转七段码电流放大ULN2003驱动芯片数码管显示共阳/共阴数码管常用集成电路简介SSI/MSI芯片LSI芯片接口芯片7400系列基本门电路存储器芯片SRAM/DRAM ADC/DAC转换器74LS138/154译码器微处理器/微控制器UART/SPI/I2C通信接口74LS151/153/157多路选择器FPGA/CPLD可编程逻辑器件驱动芯片ULN系列系列与系列比较744000TTL芯片74系列CMOS芯片4000系列速度快速度较慢功耗高功耗低噪声容限小噪声容限大电源5V电源3-15V输入负载大输入阻抗高集成电路可靠性测试引脚检测检查芯片引脚是否完好无缺电源特性测量工作电流，检查供电稳定性功能验证验证逻辑功能，检查真值表一致性4时序参数测量传播延迟，上升/下降时间集成电路扩展实验23SoC系统片上系统原型设计实验15FPGA实验可编程逻辑器件应用8嵌入式系统基于单片机的系统设计12通信接口数字通信协议实现与测试数字电路实验常见故障排查电源问题检查供电电压和接线极性连接问题排查线路虚接和短路信号问题检测输入信号完整性元器件故障更换可能损坏的芯片拓展实验与竞赛应用实验课程总结与提升建议强化基础掌握基本门电路与组合逻辑勤于实践自主设计简单电路并实现综合应用结合实际问题进行系统设计创新思维探索新方法与优化电路设计答疑与互动交流小组讨论教师指导成果展示同学间相互探讨技术难题实验中的关键点解析分享创新设计与解决方案。