数电门电路组合逻辑.doc

1、数电门电路组合逻辑数电门电路组合逻辑 实验报告实验报告 一、实验目的一、实验目的 （1）掌握 TTL 和 CMOS 器件的静态特性和动态特性测量方法及这些特性对数字系统设计 的影响； （2）掌握通过数字器件手册查看器件静态和动态特性参数； （3）掌握不同结构的数字器件之间的互连； （4）掌握 OC 门和三态门的特性和使用方法； （5）加深示波器测量技术的训练； （6）掌握小规模组合逻辑的工程设计方法； （7）了解竞争和冒险的产生原因，消除方法，掌握用示波器和逻辑分析捕捉毛刺的方法。 二、实验仪器二、实验仪器 仪器名称仪器名称 型号型号 实验箱 YB3262 型 直流稳压器 DF1701S 型

2、数字合成函数/任意波信号发生器/计数器 F05A 型 数字示波器 TDS1001 型 数字万用表 UT803 型 芯片 74HC01、 74LS244、 74HC00、 74HC04 三、实验原理三、实验原理 实验原理见教材第 2 章。 预习思考题如下： 1、下图中的两个电路在实际工程中经常用到，其中反相器为 74LS04，电路中的电阻起 到了保证输出电平的作用。分析电路原理，并根据器件的直流特性计算电阻值的取值范围。 11 II1 I2 R1 11 II1 I2 R2 5 V 1 . 1 . N个 N个 （a）（b） 答：电路电路(a)(a)使用条件是驱动门电路固定使用条件是驱动门电路固定输

3、出为低电平输出为低电平 当 OL VV 时，如果有 N 个负载门且20N，将使 maxmaxOLIL INI，而 m a xOL II 将 使 maxOLOL VV，所以需如图（a）所示接下拉电阻 R。 125 84 . 0 5 . 0 30 maxmax max maxmaxmax max2 N OLIL OL OLOLIL OL mAN V INI V R VRINI VRI 电路电路(b)(b)使用条件是驱动门电路固定输出为高电平使用条件是驱动门电路固定输出为高电平 当 OH VV 时，如果有 N 个负载门且20N，将使 maxmaxOHIH INI，而 m axOH II 将使 min

4、OHOH VV，所以需如图（b）所示接上拉电阻 R。 k5 .11 4 . 002. 0 7 . 255 5 5 30 maxmax min minmaxmax min2 N OHIH OH OHOHIH OH mAN V INI VV R VRINIV VRIV 2、下图中的电阻起到了限制前一级输出电流的作用，根据器件的直流特性计算电阻值 的取值范围。 11 I R 74LS04 74LS04 I 1 74LS04 . N个 答：R 的作用是限制驱动电流，驱动电流长时间超出手册上规定的正常数据，易引起器件性 能不稳定。 当 OH VV 时，要求 maxOH II ，即 max minmin

5、OH IHOH I R VV I ，可得 k mA VV I VV R OH IHOH 75. 1 4 . 0 27 . 2 max minmin 当 OL VV 时，要求 maxOL II ，即 max maxmax OL OLIL I R VV I ，可得 375 8 5 . 08 . 0 max maxmax mA VV I VV R OL OLIL 故kR75. 1 3、图 2.4.1 用上拉电阻抬高输出电平中，R 的取值必须根据器件的静态直流特性来计 算，试计算 R 的取值范围。 11 R 4007 74HC04 5 V 5 V 7404 74LS04 I I2I1 2 I 1 I

6、图 2.4.1 用上拉电阻抬高输出电平 答：由于 74 或 74LS TTL 的 VOHmin值小于 4000/74HC 的 VIHmin值，所以在 TTL 输出端和 VCC之间接一个上拉电阻，以提高 TTL 的输出高电平。 当 OH VV 时，各支路电流分别为I、 1 I和 2 I。 要求VHCVV IH 5 . 304744007 min 、，即 VIRV5 . 35 而uAHCII IH 1 . 004744007 max 、，可得 M uA VV R15 1 . 0 5 . 35 当 OL VV 时，各支路电流分别为I、 1 I和 2 I。 要求 max 2 1OL IIII，即 ma

7、x 2 5 OL OL II R VV 2max 5 II VV R OL OL uAHCII IL 1 . 004744007 max 2 、 i 对于 7404 芯片，VVOL4 . 0 max ，mAIOL16 max ，可得 5 .287R ii 对于 74LS04 芯片，VVOL5 . 0 max ，mAIOL8 max ，可得 5 .562R 综上所述，R 的取值范围如下： 7404： MR155 .287 74LS04： MR155 .562 4、图 2.4.3(a)中 OC 外接上拉电阻的值必须取的合适，试计算在这个电路中 R 的取值范 围。 1 R 5 V5 V 7404 7

8、4LS04 1 4007 74HC04 10 V & 0 0 0 7401 74LS01 (a) OC 门做驱动 答：运用书 52 页 RC的数值计算公式。 IHCEO OHC C INnI VE R min max ILOL OLmC C INI VE R max ax min OC 门用 7401 实现 k uAuA VV INnI VE R IHCEO OHC C 0 .12 1 . 012501 710 min max 600 1 . 016 4 . 010 max ax min uAmA VV INI VE R ILOL OLmC C OC 门用 74LS01 实现 k uAuA V

9、V INnI VE R IHCEO OHC C 9 .59 1 . 01501 710 min max k uAmA VV INI VE R ILOL OLmC C 2 . 1 1 . 018 5 . 010 max ax min 5、下图中 A、B、C 三个信号经过不同的传输路径传送到与门的输入端，其中计数器 为顺序循环计数，即从 000 顺序计到 111，C 为高位，A 为低位。A、B、C 的传输延分别为 9.5nS、7.1nS 和 2nS。试分析这个电路在哪些情况下会出现竞争冒险，产生的毛刺宽度分 别是多少。 答：与非门，有低出高，全高出低。上图所示原理图对应的真值表为： C B A Y

10、 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 计数器为顺序循环计数，CBA 的状态变化为 000001010011100101110 111000 CBA 的状态 000001010011、100101、110111000 的变化过程中无竞争 冒险。 CBA 的状态 011100 的过程中， 时刻 t0： C 开始从“0”变向到“1” ，与非门输出 Y 为“1” ； 时刻 t02ns： CBA 的状态为 111，与非门输出 Y 变为“0” ； 时刻 t07.1ns： CBA 的状态为 101，与非门输出 Y 变

11、为“1” ； 时刻 t09.5ns： CBA 的状态为 100，与非门输出 Y 仍为“1” ； 毛刺宽度为 5.1ns。 CBA 的状态 101110 的过程中， 时刻 t0： B 开始从“0”变向到“1” ，与非门输出 Y 为“1” ； 时刻 t07.1ns： CBA 的状态为 111，与非门输出 Y 变为“0” ； 时刻 t09.5ns： CBA 的状态为 110，与非门输出 Y 变为“1” ； 毛刺宽度为 2.4ns。 四、实验内容四、实验内容 1. 用 OC 门实现三路信号分时传送的总线结构 a. 用 OC 门实现三路信号分时传送的总线结构，框图如图 2.5.5 所示，功能如表 2.5

12、.2 所示。 （注意 OC 门必须外接负载电阻和电源，EC取 5V） 待待 设设 计计 电电 路路 D2 D1 D0 A2 A1 A0 Y 图 2.5.5 三路分时总线原理框图 查询相关器件的数据手册，计算 OC 门外接负载电阻的取值范围，选择适中的电阻 值，连接电路。 静态验证： 控制输入和数据输入端加高低电平， 用电压表测量输出高低电平的电压 值，注意测量 A2A1A0=000 时的输出值。 动态验证：控制输入加高低电平，数据输入端加连续脉冲信号，用示波器双踪显示 输入和输出波形，测量波形的峰峰值、高电平电压和低电平电压，对结果进行分析 并解释为什么要选择“DC” 。 器件电源电压 VCC

13、仍为 5V， 将 EC改为 10V， 重复和， 分析两者的差别。 注意， 不要直接将 VCC改为 10V，避免烧毁器件。 b. 实验数据 计算 R 取值范围时，以该三路分时传送总线电路驱动 8 个 74LS04 中的反相器 来计算。 表表 2.5.2 设计要求的逻辑功能设计要求的逻辑功能 控制输入 输出 A2 A1 A0 Y 0 0 1 D0 0 1 0 D1 1 0 0 D2 SN74LS04 mAI VV uAI HC OL OL CEO 2 . 5 26. 0 5 . 0 0174 max max i 总线电路驱动 8 个 74LS04 中的反相器时， VLSVHCV IHOH 2047

14、40174 minmin ii 总线电路不接负载时， VEV VEV VEV C C cOH 109 . 9 59 . 4 1 . 0 min mAI uAI VV LS IL IH IH 4 . 0 20 2 0474 max max min VEC5 )(106 .18 10208105 . 03 25 3 66 min max IHCEO OHC C INnI VE R )(102.37 104 . 08102 . 5 26. 05 3 33 max ax min ILOL OLmC C INI VE R 此处设计电路中 OC 门所驱动负载门个数为 0，故 )(107 .66 105 .

15、 03 9 . 45 3 6 min max IHCEO OHC C INnI VE R )(5 .911 102 . 5 26. 05 3 max ax min ILOL OLmC C INI VE R 选取 kRC2。 用 OC 门实现的三路信号分时传送的总线结构电路图如下图所示。按下图连接电路。 静态验证 VEC845. 4时，控制输入和数据输入端加高低电平，输出高低电平的电压值如下表 所示。 控制输入 数据输入 输出 Y A2 A1 A0 D2 D1 D0 0 0 1 X X 0 0 0.276V 0 0 1 X X 1 1 4.842V 0 1 0 X 0 X 0 0.278V 0

16、1 0 X 1 X 1 4.843V 1 0 0 0 X X 0 0.245V 1 0 0 1 X X 1 4.842V 0 0 0 X X X 1 4.843V 由上表可知，单一控制输入端加高电平时，总线输出电平与数据输入端的输入相符。控 制输入端 A2A1A0=000 时的输出值为 4.843V，接近于所接于外电源电压 C E。 动态验证 控制输入 数据输入 输出 Y A2 A1 A0 D2 D1 D0 0 0 1 X X 0 1 0 X X 1 0 0 X X 波形参数如下： 频率/KHz 峰-峰值/V 高电平/V 低电平/V 输入波形 1.000 5.20 5.20 0.00 输出波形

17、 1.000 5.00 5.00 0.00 从输入输出波形图上我们可以看到，控制输入端加高电平时，相应的输出 Y 保持与输 入信号同样规律变化，实现了三路信号分时传送的总线结构。 我们选择 DC 输入耦合方式，是因为所观测的 1KHz 的 TTL 连续脉冲信号，含有直流 分量。若选择 AC 输入耦合方式，信号中的直流分量被隔开而只能观测到交流成分。观测数 字信号必须选用 DC 输入耦合方式。 器件电源电压 VCC仍为 5V，将 C E改为 10V。 VEC10 )(105 .49 10208105 . 03 210 3 66 min max IHCEO OHC C INnI VE R )(10

18、87. 4 104 . 08102 . 5 26. 010 3 33 max ax min ILOL OLmC C INI VE R 此处设计电路中 OC 门所驱动负载门个数为 0，故 )(107 .66 105 . 03 9 . 910 3 6 min max IHCEO OHC C INnI VE R )(1087. 1 102 . 5 26. 010 3 3 max ax min ILOL OLmC C INI VE R 选取 kRC2。 VEC95. 9时，控制输入和数据输入端加高低电平，输出高低电平的电压值如下表所 示。 控制输入 数据输入 输出 Y A2 A1 A0 D2 D1 D

19、0 0 0 1 X X 0 0 0.327V 0 0 1 X X 1 1 9.94V 0 1 0 X 0 X 0 0.329V 0 1 0 X 1 X 1 9.94V 1 0 0 0 X X 0 0.326V 1 0 0 1 X X 1 9.94V 0 0 0 X X X 1 9.94V 将上述结果与内容比较可知，输出 Y 的高低电平电压均有所提高。其中，高电平仍 为接近 C E。 C E增大使得 OC 门等效的低电平输出电阻上的压降增大，从而输出低电平比 VEC5时有所提高。 2. 用三态门实现三路信号分时传输 a. 要求：用三态门实现实验内容 7 中的三路信号分时传输 重复实验内容 7 中

20、的和， 注意不要同时将两个或两个以上的三态门的控制端处 于使能状态。 将 A2A1A0设为“000”， D2D1D0设为“111”，此时输出端为高阻状态，测量输出端 电压值，总结如何用万用表判断高阻态。 b. 实验数据 用三态门实现三路信号分时传送的总线结构电路图如下图所示。按下图连接电路。 静态验证 控制输入和数据输入端加高低电平，输出高低电平的电压值如下表所示。 控制输入 数据输入 输出 Y A2 A1 A0 D2 D1 D0 0 0 1 X X 0 0 0.001V 0 0 1 X X 1 1 4.834V 0 1 0 X 0 X 0 0.000V 0 1 0 X 1 X 1 4.835

21、V 1 0 0 0 X X 0 0.000V 1 0 0 1 X X 1 4.834V 0 0 0 X X X 1 0.266V 将 A2A1A0设为“000”， D2D1D0设为“111”，此时输出端为高阻状态，测量输出端电压 值为 0.266V。 如何用万用表判断高阻态？ 答：将 A2A1A0设为“000”，数据输入端无论是输入高电平还是低电平，用 UT803 型数 字万用表测得的输出端电压没有变化，均为略高于低电平电压，则此时输出端为高阻状态。 动态验证 控制输入 数据输入 输出 Y A2 A1 A0 D2 D1 D0 0 0 1 X X 0 1 0 X X 1 0 0 X X 波形参数

22、如下： 频率/KHz 峰-峰值/V 高电平/V 低电平/V 输入波形 1.000 5.12 5.12 0.00 输出波形 1.000 4.96 5.00 0.04 从输入输出波形图上我们可以看到，控制输入端加高电平时，相应的输出 Y 保持与输 入信号同样规律变化，实现了三路信号分时传送的总线结构。 3. 数值判别电路 a. 实验要求 设计一个组合逻辑电路，它接收一位 8421BCD 码 B3B2B1B0，仅当 2 B3B2B1B07 时输出 Y 才为 1。 设计一个组合逻辑电路，它接收 4 位 2 进制数 B3B2B1B0，仅当 2 B3B2B1B07 时 输出 Y 才为 1。 b. 设计方案

23、 方案一：方案一： 先由卡诺图化简可得出输出最简与或表达式， 然后由此转换与非门表达式， 得到逻 辑图。 8421BCD 码 B3B2B1B0 8421BCD 码只能代表 09 这 10 个值。其余为任意项，可根据电路简化的要求任意 确定其值为 1 或 0。 B1B0 B3B2 00011110 00 01 11 10 0 1 X 00 X 1 01 0 X X 0 1 X X 0120212 01202121 BBBBBBB BBBBBBBY （a）卡诺图化简及转换 （b）逻辑图 4 位 2 进制数 B3B2B1B0 4 位 2 进制数可以代表 015 这 16 个值。 B1B0 B3B2

24、00011110 00 01 11 10 0 1 0 00 0 1 01 0 0 0 0 1 0 0 0123123023 01231230232 BBBBBBBBBB BBBBBBBBBBY （a）卡诺图化简及转换 （b）逻辑图 方案二：方案二： 对最简与或表达式进一步转换，可得由与非门以及异或门实现的逻辑图。 012 012012 012012 01202121 BBB BBBBBB BBBBBB BBBBBBBY 1313 012120232 YBYB BBBBBBBBY （a）表达式转换 （b）逻辑图 c. 实验数据 搭接 8421BCD 码数值判别电路，进行静态验证，测试结果如下：

25、B3 B2 B1 B0 Y1 B3 B2 B1 B0 Y1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 搭接 4 位 2 进制数数值判别电路，进行静态验证，测试结果如下： B3 B2 B1 B0 Y2 B3 B2 B1 B0 Y2 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1

26、0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 d. 数据分析 经验证，8421BCD 码与 4 位 2 进制数数值判别电路测试结果均与理论真值表相符，达 到设计要求。 4. 某停车场有一个交通控制系统，控制入口处的 3 个车道，如图 2.10.1 所示。这三个车道 分别为 “左车道” 、 “右车道”和“VIP 车道” 。每个车道有一个信号灯，红灯禁止通行， 绿灯允许通行，任何时候只能有一个通道是绿灯。每个车道有一个

27、传感器，用来监测是 否有车通过，另外还有一个时间控制信号用于控制车道循环。整个控制规则如下：当 VIP 车道有车时， 该车道信号灯变为绿灯；当 VIP 车道没有车且右车道也没有车时， 左车道信号灯变为绿灯；当 VIP 车道没有车且左车道也没有车时，右车道信号灯变为 绿灯；当 VIP 车道没有车，但左、右车道都有车时，由时间控制信号控制左右车道轮 流通行； 停车场停车场 入口入口 左车道左车道 VIP 车道车道 右车道右车道 图 2.10.1 停车场控制系统示意 a. 实验要求 根据设计要求进行方案分析，确定输入、输出变量，列出真值表； 用最少数量的与非门（7400 或 7420）实现设计，画出

28、逻辑图； 搭试电路，进行静态验证，记录测试结果。可以用发光二极管的亮和暗来指示信号 灯的值。 b. 设计方案及实验数据 方案一：方案一： 输入变量 输出变量 B2 = 1 代表 VIP 车道有车 Y2 = 1 代表 VIP 车道信号灯为红灯 B1 = 1 代表左车道有车 Y1 = 1 代表左车道信号灯为红灯 B0 = 1 代表右车道有车 Y0 = 1 代表右车道信号灯为红灯 C = 1 代表时间控制信号使左车道通行 C = 0 代表时间控制信号使右车道通行 先由卡诺图化简可得出输出最简与或表达式， 然后由此转换与非门表达式， 得到逻 辑图。 B0C B2B1 00011110 00 01 11

29、 10 X 0 1 11 1 0 X1 0 1 1 1 1 1 1 B0C B2B1 00011110 00 01 11 10 X 1 1 11 1 1 X0 1 1 1 0 0 1 1 CBBB CBBBY 012 0121 CBBB CBBBY 102 1020 22 BY （a）卡诺图化简及转换 （b）逻辑图 按逻辑图搭接电路，其中 012 YYY、分别接 VIP 车道、左车道以及右车道对应的 红色 LED 指示灯； 012 YYY、分别接 VIP 车道、左车道以及右车道对应的绿色 LED 指示 灯。进行验证，测试结果如下表所示： B2 B1 B0 C Y2 Y1 Y0 0 0 0 X

30、1 1 1 0 0 1 X 1 1 0 0 1 0 X 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 X X X 0 1 1 方案二：方案二： 变量定义与方案一相同。 先由卡诺图化简可得出输出最简与或表达式， 然后由此转换与非门表达式， 得到逻 辑图。 B0C B2B1 00011110 00 01 11 10 X 0 1 11 1 0 X1 0 1 1 1 1 1 1 B0C B2B1 00011110 00 01 11 10 X 1 1 11 1 1 X0 1 1 1 0 0 1 1 CBBB CBBBY BY 012 0121 22 CBBB CBBB CBBB

31、 CBBBBY 012 012 012 10120 （a）卡诺图化简及转换 （b）逻辑图 按逻辑图搭接电路，其中 012 YYY、分别接 VIP 车道、左车道以及右车道对应的 红色 LED 指示灯； 012 YYY、分别接 VIP 车道、左车道以及右车道对应的绿色 LED 指示 灯。进行验证，测试结果如下表所示： B2 B1 B0 C Y2 Y1 Y0 0 0 0 X 1 1 0 0 0 1 X 1 1 0 0 1 0 X 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 X X X 0 1 1 方案三：方案三： 输入变量 输出变量 B2 = 1 代表 VIP 车道有车

32、Y2 = 1 代表 VIP 车道信号灯为绿灯 B1 = 1 代表左车道有车 Y1 = 1 代表左车道信号灯为绿灯 B0 = 1 代表右车道有车 Y0 = 1 代表右车道信号灯为绿灯 C = 1 代表时间控制信号使左车道通行 C = 0 代表时间控制信号使右车道通行 先由卡诺图化简可得出输出最简与或表达式， 然后由此转换与非门表达式， 得到逻 辑图。 B0C B2B1 00011110 00 01 11 10 0 1 0 00 0 1 00 1 0 0 0 0 0 0 B0C B2B1 00011110 00 01 11 10 0 0 0 00 0 0 01 0 0 0 1 1 0 0 CBBB

33、BB CBBBBBY 12012 120121 CBBBBB CBBBBBY 02012 020120 22 BY （a）卡诺图化简及转换 （b）逻辑图 按逻辑图搭接电路，其中 012 YYY、分别接 VIP 车道、左车道以及右车道对应的 绿色 LED 指示灯； 012 YYY、分别接 VIP 车道、左车道以及右车道对应的红色 LED 指示 灯。进行验证，测试结果如下表所示： B2 B1 B0 C Y2 Y1 Y0 0 0 0 X 0 0 0 0 0 1 X 0 0 1 0 1 0 X 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 X X X 1 0 0 方案四：方案

34、四： 变量定义与方案三相同。 对方案三中最简与或表达式进一步转换，可得 CBBB CBBB CBBBBBY 012 012 120121 CBBB CBBB CBBBBBY 102 102 020120 22 BY （a）卡诺图化简及转换 （b）逻辑图 我们可以发现，方案四逻辑图与方案一相比，只是将红绿灯相应输出端交换。 方案五：方案五： 变量定义与方案一相同。 B0C B2B1 00011110 00 01 11 10 X 1 1 11 1 1 X0 1 1 1 0 0 1 1 CBBB CBBBY 102 1020 02021 YBYBY 22 BY （a）卡诺图化简及转换 & 0 0 0

35、 & 0 0 00 & 0 0 0 2 B 2 B 2 Y 2 Y 0 Y 0 Y 2 B 1 B C 0 B & 0 0 0 & 0 0 0 1 Y 1 Y 2 B （b）逻辑图 按逻辑图搭接电路，其中 012 YYY、分别接 VIP 车道、左车道以及右车道对应的 红色 LED 指示灯； 012 YYY、分别接 VIP 车道、左车道以及右车道对应的绿色 LED 指示 灯。进行验证，测试结果如下表所示： B2 B1 B0 C Y2 Y1 Y0 0 0 0 X 1 0 1 0 0 1 X 1 1 0 0 1 0 X 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 X X X 0 1 1 c. 数据分析 由以上测试结果可知，所设计电路均实现了控制系统所要求的控制规则。