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数字电子技术
实验指导书
河北工业大学电子信息工程学院
2024 年 10 月
数字电子技术实验指导书
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目 录
第一章 概述 .......................................................................................................1
1.1 数字集成电路的分类、特点及注意问题.....................................................................................1
1.2 集成电路外引线的识别.................................................................................................................4
1.3 数字逻辑电路的测试方法.............................................................................................................5
1.4 数字实验的基本过程.....................................................................................................................5
1.5 数字实验中操作规范和常见故障检查方法.................................................................................7
1.6 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 设计一位全加器或者乘法器..............................................................................................18
实验三 组合逻辑电路设计之密码锁、8 线-3 线编码器...............................................................25
实验四 组合逻辑电路之 BCD 码变换、逻辑函数实现................................................................27
实验五 集成触发器与时序电路......................................................................................................30
实验六:计数器设计..........................................................................................................................34
实验七 走马灯电路设计....................................................................................................................40
实验八:计数器型序列信号发生器设计..........................................................................................41
实验九:AD、DA 转换器 .................................................................................................................43
实验十:时基电路..............................................................................................................................46
实验十一:交通灯控制逻辑电路设计..............................................................................................54
附录 II 数电实验箱简介 ................................................................................................................63
数字电子技术实验指导书
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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 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 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~ 1 00
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 ( L SI)的 集 成 度 约 为 10 0 门 /片 以 上 , 超 大 规 模 ( VLSI )约
为 10 00 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 CT000 0 系 列 ,其 功 能 和 外 引 线 排 列
与 国 际 54/74 系 列 相 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 CD4 000 系 列 相 对 应 。高 速 CMOS 系 列 中 ,74H C
和 74H CT 系 列 与 TT L74 系 列 相 对 应 , 74 HC400 0 系 列 与 CC400 0 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 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 。
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3. 有 较 大 的 噪 声 容 限 。
4. 采 用 +5V 的 电 源 供 电 。
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 0
0
C~ 70
0
C 之 间 。( 3)高 电 平 输 入 电 压 V
I H
>2V , 低 电 平 输
入 电 压 V
S L
<0. 8V。( 4)输 出 电 流 应 小 于 最 大 推 荐 值 ( 查 手 册 )。( 5)工 作 频
率 不 能 高 , 一 般 的 门 和 触 发 器 的 最 高 工 作 频 率 约 30MH Z 左 右 。
TTL 器 件 使 用 注 意 问 题 :
1. 电 源 电 压 应 严 格 保 持 在 5V± 10%的 范 围 内 , 过 高 易 损 坏 器 件 , 过 低 则 不
能 正 常 工 作 , 实 验 中 一 般 采 用 稳 定 性 好 、 内 阻 小 的 直 流 稳 压 电 源 。 使 用
时 , 应 特 别 注 意 电 源 与 地 线 不 能 错 接 , 否 则 会 因 过 大 电 流 而 造 成 器 件 损
坏 。
2.多 余 输 入 端 最 好 不 要 悬 空 ,虽 然 悬 空 相 当 于 高 电 平 ,并 不 能 影 响 与 门( 与
非 门 ) 的 逻 辑 功 能 , 但 悬 空 时 易 受 干 扰 , 为 此 , 与 门 、 与 非 门 多 余 输 入
端 可 直 接 接 到 V
c c
上 , 或 通 过 一 个 公 用 电 阻( 几 千 欧 )连 到 V
c c
上 。 若 前
级 驱 动 能 力 强 , 则 可 将 多 余 输 入 端 与 使 用 端 并 接 ; 不 用 的 或 门 、 或 非 门
输 入 端 直 接 接 地 , 与 或 非 门 不 用 的 与 门 输 入 端 至 少 有 一 个 要 直 接 接 地 ,
带 有 扩 展 端 的 门 电 路 , 其 扩 展 端 不 允 许 直 接 接 电 源 。 若 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. 7KΩ 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 KΩ ; 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 。
CMO S 数 字 集 成 电 路 的 特 点
1. 静 态 功 耗 低 : 电 源 电 压 V
D D
=5V 的 中 规 模 电 路 的 静 态 功 耗 小 于 100μ 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 。
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2 . 电 源 电 压 范 围 宽 : 40 00 系 列 C MOS 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 CM OS 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 CMO S 器 件 的 输 入 电 阻 高 的 缘 故 。
5. 抗 干 扰 能 力 强 : C MOS 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)。
CMO S 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 CM OS 器 件 的 工 作 速 度 比 TTL 集 成 电 路 低 , 功 耗 随 工 作 频 率 的 升
高 而 显 著 增 大 。
CMO S 器 件 的 输 入 端 和 V
S S
之 间 接 有 保 护 二 极 管 ,除 了 电 平 变 换 器 等 一
些 接 口 电 路 外 , 输 入 端 和 正 电 源 V
D D
之 间 也 接 有 保 护 二 极 管 , 因 此 , 在 正
常 运 转 和 焊 接 CMOS 器 件 时 , 一 般 不 会 因 感 应 电 荷 而 损 坏 器 件 。 但 是 , 在
使 用 CMOS 数 字 集 成 电 路 时 , 输 入 信 号 的 低 电 平 不 能 低 于 ( V
S S
-0. 5V ), 除
某 些 接 口 电 路 外 , 输 入 信 号 的 高 电 平 不 得 高 于 ( V
D D
+0. 5V), 否 则 可 能 引 起
保 护 二 极 管 导 通 , 甚 至 损 坏 进 而 可 能 使 输 入 级 损 坏 。
CMO S 器 件 使 用 注 意 事 项 :
1. 电 源 连 接 和 选 择 : V
D D
端 接 电 源 正 极 , V
S S
端 接 电 源 负 极 ( 地 )。 绝 对 不
许 接 错 ,否 则 器 件 因 电 流 过 大 而 损 坏 。对 于 电 源 电 压 范 围 为 3V~ 18V 系
列 器 件 。 如 CC 4000 系 列 , 实 验 中 V
D D
通 常 接 +5V 电 源 。 V
D D
电 压 选 在
电 源 变 化 范 围 的 中 间 值 , 例 如 电 源 电 压 在 8 ~ 12V 之 间 变 化 , 则 选 择
V
D D
=10 V 较 恰 当 。 CMO S 器 件 在 不 同 的 V
D D
值 下 工 作 时 , 其 输 出 阻 抗 、
工 作 速 度 和 功 耗 等 参 数 都 有 所 变 化 , 设 计 中 须 考 虑 。
2. 输 入 端 处 理 : 多 余 输 入 端 不 能 悬 空 。 应 按 逻 辑 要 求 接 V
D D
或 接 V
S S
, 以
免 受 干 扰 造 成 逻 辑 混 乱 , 甚 至 还 会 损 坏 器 件 。 对 于 工 作 速 度 要 求 不 高 ,
而 要 求 增 加 带 负 载 能 力 时 , 可 把 输 入 端 并 联 使 用 。
对 于 安 装 在 印 刷 电 路 板 上 的 CMO S 器 件 , 为 了 避 免 输 入 端 悬 空 , 在 电 路
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