南昌大学数字电路逻辑设计实验讲义

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1、 i 数字电路逻辑设计 实验指导讲义 朱启标 编 2017 年 10 月 25 日 ii 前言前言 本实验讲义根据最新制定的实验教学大纲，由南昌大学信息工程学院电子信息工程系几位多年从事数字电路逻辑设计课程教学的老师合编而成。 可用于电子信息工程专业、通信工程专业数字电路逻辑设计实验课程的实验指导教材。实验教学内容涵盖了数字电路的大部分基础知识，包括常用的组合逻辑电路、时序逻辑电路和脉冲电路的验证和设计， 以及这些基础数字电路的在实际系统中的综合应用。 本实验指导讲义在喻嵘、王艳庆、丁杰、张莉、叶小丽、陈燕彬等老师编写的实验指导讲义基础上，经过修改整理而成。此外，内容方面还向徐晓玲老师作了请教

2、。在此，向以上各位老师表示衷心的感谢！ iii 数字电路实验注意事项及基本要求数字电路实验注意事项及基本要求 一一、数字集成电路的分类、特点及注意问题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 110 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 10100 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。

3、大规模集成电路（ LSI）的集成度约为 100门/片以上，超大规模（VLSI）约为 1000 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 CT0000 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 CD4000 系列相对应。高速 CMOS 系列中，74HC 和 74HCT 系列

4、与 TTL74 系列相对应，74HC4000 系列与 CC4000 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：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。 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 4.755.25V的范围内。 （2）环境温度在 00C700C 之间。 （3）高电平输入

5、电压VIH2V，低电平输入电压 VSL0.8V。 （4）输出电流应小于最大推荐iv 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 30MHZ 左右。 TTL 器件使用注意问题：器件使用注意问题： 1电源电压应严格保持在 5V10%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 Vcc上，或通过一个公用电阻（几千欧

6、）连到 Vcc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 R680时，输入端相当于逻辑“0” ；当 R47K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 R35.1 K；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

7、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数字集成电路的特点 1静态功耗低：电源电压 VDD=5V 的中规模电路的静态功耗小于 100W，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 318V，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， 在工作频率较高时，应考虑输入电容的影响

8、。 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 CMOSv 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 VOH（VDD-0.05V）,输出低电平 VOL（VSS+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 集成电路低，功耗随工作频率的升高而显著增大。 CMOS 器件的输入端和 VSS之间接有保护二极管，除了电平变换器等一些接

9、口电路外，输入端和正电源 VDD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（VSS-0.5V） ，除某些接口电路外，输入信号的高电平不得高于（VDD+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。 CMOS 器件使用注意事项：器件使用注意事项： 1电源连接和选择：VDD端接电源正极，VSS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 3V18V 系列器件。如 CC4000 系列，实验中 VDD通常接+5V电源。VDD电

10、压选在电源变化范围的中间值，例如电源电压在 812V 之间变化，则选择 VDD=10V 较恰当。CMOS 器件在不同的VDD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 VDD或接 VSS，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 CMOS 器件，为了避免输入端悬空，在电路板的输入端应接入限流电阻 RP和保护电阻 R，当 VDD=+5V时，RP取 5.1K，R 一般取 100K1M。 3输出端处理：输出端不允许直接接 V

11、DD或 VSS，否则将导致器件损坏，除三态（TS）器件外，不允许两个不同芯片输出端并联使用，但有时为了增加驱动能力，同一芯片上的输出端可以并联。 4对输入信号 VI的要求：VI的高电平 VIHVDD，VIL的低电平 VIL小于电路系统允许的低电压；当器件 VDD端未接通电源时，不允vi 许信号输入，否则将使输入端保护电路中的二极管损坏。 二二、集成电路外引线的识别集成电路外引线的识别 使用集成电路前， 必须认真查对识别集成电路的引脚， 确认电源、地、输入、输出、控制等端的引脚号，以免因接错而损坏器件。引脚排列的一般规律为： 圆形集成电路：识别是，面向引脚正视，从定位销顺时针方向依次为 1.2.

12、3如图一（a） 。圆形多用于集成运放等电路。 扁平和双列直插型集成电路： 识别时， 将文字， 符号标记正放 （一般集成电路上有一圆点或有一缺口，将圆点或缺口置于左方） ，由顶部俯视，从左下脚起，按逆时针方向数，依次 1.2.3如图一（b） 。在标准形 TTL 集成电路中， 电源端 Vcc般排列在左上端， 接地端 GND一般排在右下端，如 74LS00 为 14 脚芯片，14 脚为 Vcc，7 脚为 GND。若集成电路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。 扁平型多用于数字集成电路， 双列直插型广泛用于模拟和数字集成电路。 三三、数字逻辑电路的测试方法数字逻辑电路的

13、测试方法 1. 组合逻辑电路的测试 组合逻辑电路测试的目的是验证其逻辑功能是否符合设计要求，也就是验证其输出与输入的关系是否与真值表相符。 (1). 静态测试。 静态测试是在电路静止状态下测试输出与输入的图一图一 集成电路外引线的识别集成电路外引线的识别 vii 关系。将输入端分别接到逻辑电平开关上，用电平显示灯分别显示各输入和输出端的状态。 按真值表将输入信号一组一组地依次送入被测电路，测出相应的输出状态，与真值表相比较，借以判断此组合逻辑电路静态工作是否正常。 (2). 动态测试动态测试是测量组合逻辑电路的频率响应。 在输入端加上周期性信号，用示波器观察输入、输出波形。测出与真值表相符的最

14、高输入脉冲频率。 2. 时序逻辑电路的测试 时序逻辑电路测试的目的是验证其状态的转换是否与状态图或时序图相符合。可用电平显示灯、数码管或示波器等观察输出状态的变化。常用的测试方法有两种，一种是单拍工作方式：以单脉冲源作为时钟脉冲，逐拍进行观测，来判断输出状态的转换是否与状态图 相符。另一种是连续工作方式：以连续脉冲源作为时钟脉冲，用示波器观察波形，来判断输出波形是否与时序图相符。 四四、数字实验的基本过程数字实验的基本过程 实验的基本过程，应包括：确定实验内容、选定最佳的实验方法和实验线路、拟出较好的实验步骤、合理选择仪器设备和元器件、进行连接安装和调试、最后写出完整的实验报告。 在进行数字电

15、路实验时， 充分掌握和正确利用集成器件及其构成的数字电路独有的特点和规律，可以收到事半功倍的效果，对于完成每一个实验，应做好实验预习、实验记录和实验报告等环节。 实验预习实验预习: 认真预习是做好实验的关键。预习好坏，不仅关系到实验能否顺利进行，而且直接影响实验效果。预习应按本教材的实验预习要求进行，在每次实验前首先要认真复习有关实验的基本原理，掌握有关器件使用方法，对如何着手实验做到心中有数，以保证所预习设计的内容正确，这样不但可拓宽设计思路，也可大大节省实际在实验室操作的时间和排错的时间，提高实验效率。通过预习还应做好实验前的准备，写出一份预习报告，其内容包括： 1.绘 出设 计 好的 实

16、 验电 路图 ， 该图 应 该是 逻辑 图 和连 线 图的 混合，既便于连接线，又反映电路原理，并在图上标出器件型号、使用的引脚号及元件数值，必要时还须用文字说明。 viii 2.拟定实验方法和步骤。 3.拟好记录实验数据的表格和波形座标，并记录预习的理论值。 4.列出元器件清单。 实验记录实验记录是实验过程中获得的第一手资料。 测试过程中所测试的数据和波形必须和理论基本一致，所以记录必须清楚、合理、正确，若不正确，则要现场及时重复测试，找出原因。实验记录应包括如下内容： 1.实验任务、名称及内容。 2.实验数据和波形以及实验中出现的现象，从记录中应能初步判断实验的正确性。 3.记录波形时，应注意输入、输出波形的时间相位关系，在座标中上下对齐。 4.实验中实际使用的仪器型号和编号以及元器件使用情况。 实验报告实验报告 是培养学生科学实验的总结能力和分析思维能力的有效手段，也是一项重要的基本功训练，它能很好地巩固实验成果，加深对基本理论的认识和理