数字电路与逻辑设计实验辅导材料一、组合逻辑电路的实验
1、电路设计例一：设计一个由与非门或数据选择器或3/8译码器组成的裁判表决电路，该电路有如下功能：有A、B、C三名裁判，其中A为主裁判，B、C为副裁判。当主裁判和一名或一名以上的副裁判认为运动员合格时，输出为1，否则为0。
解：（一）采用与非门设计电路：
①根据命题列出真值表 ②利用卡诺图化简
A B C F
0 0 0 0
0 0 1 0
0 1 0 0
0 1 1 0
1 0 0 0
1 0 1 1 圈画原则：
1 1 0 1 1）先圈孤立圈；
1 1 1 1 2）再圈一个方向的圈；
3）最后再按最大、最少的圈来圈画。
③画出电路图 ④ 选用芯片和标注管脚号
绘图要求：
1）要求绘制原理图，千万不可画成接线图，否则无法表述逻辑关系，无可读性。
2）电源和地线管脚和连线可以略去。
3）根据题目要求选择器件型号。
4）必须注明管脚号、元件编号和元件型号否则无法装配。
举例1：电路原理图的正确画法——原理图
举例2：电路原理图的错误画法——连线图
（二）采用数据选择器设计电路：
根据真值表用74151（八选一数据选择器）实现电路。
根据真值表用1/2 74153（四选一数据选择器）降维的方法实现电路。
（三）采用3/8译码器设计：
根据真值表用74138（3/8译码器）实现电路。
2、实验装配步骤
第一步：根据所给的芯片，将它们插入实验箱上与芯片管脚相符合的插座上，注意芯片插入的方向，即：缺口向左。示意图如下：
第二步：实验箱上的电源需外接+9V直流电源。
实验箱内部具有+9V转换为+5V（最大电流为1A）的稳压电路，稳压后的+5V供TTL或HC标准的各种数字集成器件使用。
① 用万用表测量+9V电压；
着重强调：
1）直流稳压电源的表头显示不准确，一定要学生使用万用表测量。
2）用万用表测量好+9V的电压之后，才可以加入到数字实验箱上。千万不要先接实验箱再调测电压值，这样很容易损坏实验箱
3）外接+9V电源不可将极性接反，若接反则LED15不亮，同时“+5V”端无输出电压。同样-5V电源也不能接反，若接反则LED16不亮。
② 测好+9V电压后，将+9V电压接入实验箱。
下面给出+9V电压的连接示意图：
第一种直流稳压电源 第二种直流稳压电源
③ 从实验箱上获取+5V直流电压接入芯片。示意图如下：
强调：先接地线再接+5V电源。
第三步：搭试电路
① A、B、C接电平开关，用导线连接到芯片的相应管脚上。
② 接线时按原理图上标注的管脚连接电路，接一根打一个“×”，表示已接好线，直到所有的线都打上“×”了，说明电路全部接好。
3、电路测试
按A、B、C三个开关的组合，用发光二极管检查F的输出，即：验证真值表。
4、门电路悬空端的正确处理理论上TTL电路输入端悬空不接等效于为高电平，但是实际使用中为了电路不受干扰，通常根据逻辑功能把悬空的输入端都要进行适当的处理。具体处理方法如下：
① 与非门的多余输入端接高电平。
② 或非门的多余输入端接低电平。
着重强调：
① 使能端、控制端必须按功能表的要求连接；
② 地址端必须全部接，不使用的输入端根据实际情况接“0”或“1”；
③ 不用的输出端不接。
5、故障检测
① 出现故障
1）首先检查整体电路电源。用万用表测量电源和地是否连接正确。测量方法是负（黑）表笔接地；正（红）表笔接芯片的管脚，千万不可测接先柱。；
2）其次检查集成芯片电源（地和电源都必须一一检查）。
②根据电路原理进行排查故障先设置一个固定输入状态，用发光二极管显示逻辑结果，如不正确根据与非门,有低出高，全高出低”的工作原理，用万用表测量各个门电路管脚的输入/输出情况（着重强调：万用表的测量方法，首先把黑表笔接地，红表笔点接在被测芯片的管脚上），并将测试结果进行分析，查找出故障。
例如：当ABC=101时，正常条件下F=1，但此时F=0。说明电路有故障。检查故障的方法及示意图如下：
③调测过程中应注意的问题
1） 如有短路故障，要首先排除；
2） 要考虑电路前、后级之间的影响（可通过断开电路再测试）。
例二：现有A?B?C?D四台设备,10KW/台,它们由F和G两台发电机组供电。 F：10KW，G：20KW。
四台设备的工作情况为：
①四台设备不可能同时工作。
②可以是任意三台或两台同时工作。
③至少有任意一台在工作。
要求：设计一个供电控制线路，既能保证设备正常工作，又能节省电能。最后再用异或门、与非门或用两片八选一数据选择器画出电路图。
1、电路设计解：（一）异或门、与非门设计电路。
①根据题意确定输入和输出信号。
输入：A?B?C?D；其中“1”表示设备工作，“0”表示设备不工作。
输出：F?G，发电机组启动为“1”，其中不启动为“0”。
②列真值表 ③化简
④画出电路图
（二）用两片74151（八选一数据选择器）设计电路。
① 列真值表 ② 利用卡诺图降维
注意：“Φ”的处理。
③ 画电路图并标注管脚号
2、实验装配步骤（同上）。
3、电路测试（同上）。
4、门电路悬空端的正确处理（同上）。
5、故障检测（同上）。
一、时序逻辑电路的实验
1、D触发器的应用设计
例一：用两个D触发器和一个异或门设计两位可逆二进制计数器。
解：① 利用异或门的工作原理：
因此，当M=0时，CP2接Q1，作两位二进制减法计数；
当M=1时，CP2接Q1的非；作两位二进制加法计数。
② 标注管脚号
③ 画预测输出波形图
1） M=1（二进制加法计数器的输出波形图）
2）M=0（二进制减法计数器的输出波形图）
④ 用示波器画输出波形图
1） M=1（二进制加法计数器的输出波形图）
Ch1
Ch2
用Ch2作为触发源（用频率低的信号作为触发源）
Ch1
Ch2
用Ch2作为触发源（用频率低的信号作为触发源）
2） M=0（二进制减法计数器的输出波形图）
Ch1
Ch2
用Ch2作为触发源（用频率低的信号作为触发源）
Ch1
Ch2
用Ch2作为触发源（用频率低的信号作为触发源）
例二：试用DFF和与非门实现如图所示的“待设计电路”。要求发光二极管前3s亮，后2s暗，如此周期性重复。
解：即产生序列信号11100。用移存型序列信号发生器实现，状态转移表为：
检查自启动性：000→001(,010→101→011(,三个偏离态都能进入有效循环，所以具有自启动性。
2、计数器的应用设计
例一：用74161芯片，采用置“0”法设计M=7的加法计数器。
解,① 首先了解74161芯片的功能
② 由功能表可知74161是异步清“0”，同步置数。
反馈函数按SM-1写，即,SM-1=（0110）2。
③ 列真值表 ④ 画电路图并对芯片的管脚进行标号
⑤ 预测计数器的波形图
⑥ 用示波器画出的计数器的波形图
用Ch2作为触发源（用频率低的信号作为触发源）
划掉中间多余的波形就可获得最终的计数器的输出波形。
例二：用74161芯片，采用可靠清“0”法设计M=7的加法计数器；反馈函数按SM=（111）2写。
解：① 列真值表并写出反馈函数。
② 画电路图并标注管脚号。 ③ 预测波形图
例三：用74160芯片设计能按8421BCD译码显示0 ～ 59计数的60分频电路。
解：① 设计思路：6×10=60
1） 用74160芯片实现M=10的计数器；
2） 用置“0”法，设计一个M=6的计数器。
② 画电路图并标注管脚号。
③ 预测波形图（略）。
例四：用74161采用清“0”法实现M=60的计数器
例五：用74161采用同步置“0”法实现M=60的计数器
例六：用一片74161和一片74151芯片产生如下序列：“1111000110”。
解：① 设计分析,
序列长度为：M=10，用74161和 74151实现序列码 。74151芯片只有三个地址，需要对电路进行降维。
② 设计思路：
1）74161用置“0”法设计一个8421BCD码计数器;
2）采用74151芯片，利用降维法实现“1111000110”序列码。
③ 设计步骤
④ 画电路图
⑤ 预测波形图（略）
例七：试用74161、74151及少量与非门实现如下功能:当S=0时,产生序列1011010;当S=1时,产生序列1110100。
解：① 设计思路
② 画电原理图
例八：各用一片74161和74151及若干与非门，设计一个同时输出两个不同的序列信号为：Z1=111100010和Z2=101110001的电路。
解：① 设计分析：
1）Z1和Z2 的序列长度都为：M=9。
2）74161只能实现计数，不可实现移位功能。如要实现移位功能，通常采用置数法。
3）74151只能有一个输出，不可能实现两个输出。
② 设计思路：
1）采用74161芯片，用置数法实现Z1序列信号。
2）采用74151芯片，实现Z2序列信号。
③ 设计步骤：
提问,如果Z1=111100010,M=9将Z2信号改为;
Z2=101110000,M=9电路如何设计?
74151芯片的数据端为,
D0=D1=D4=1，D2=D3=D5=D6=0，D7=Q3
例九：用74161和74138芯片设计一个五节拍分配器；
解：设计思路：
1）用置“0”法，设计一个M=5的计数器；
2）用74138译码器实现五节拍分配器。
例九： 请实现下图的输出波形Z。
提示:先用DFF构成M=5的计数器再用Q3? Q2? Q1和CP设计一组合网络实现输出波形。
解：分析
1）列真值表
2）
3、用74194产生序列码发生器的设计。
例一：用一片74194和若干与非门设计一个产生序列码为110100,··· 且能自启动的序列信号发生器。要求：导出DSL的表达式并画出电路。
解,
例二：试用74194及74151设计产生序列11100010011010，···要求电路具有自启动性。
注意：要使电路具有自启动性，
0000一定要取“1”，
才能使0000→0001。
1111一定要取“0”，
才能使1111→1110。
例三：用74194设计序列发生器产生序列信号,1110010,…;要求设计的电路具有自启动性。
检测自启动性：000→001√，电路可以自启动。
练习题：
1、A、B、C、D四人在同一实验室工作。
若A只要到实验室就有自己的工作做。
B必须C到实验室以后才能有工作可做。
C除了为B创造工作的条件外，到实验室是从来不干工作的。
D只有A在实验室时，才干工作。
请问：在什么情况下，实验室中没有人干工作？请用逻辑函数来描述。
并用与非门实现。
2、根据所给的状态转移表，请用一片74161、一片74151和一片7486异或门同时产生F1和F2序列信号。请问电路是否具有自启动，如不能自启动再增加一片7420使电路具有自启动性。
要点：考A1=A;LD在000时才为1，其余状态都为0。
3、用74194设计序列发生器产生序列信号,001110001,…; 要求设计的电路具有自启动性。
4、用合适器件设计一个N=18的分频器，要求分频器输出信号为方波信号。
5、已知某电路具有1个输入信号CP，5个输出信号A、B、C、D和E，5个输出信号均为模值M＝8序列信号，输入信号与输出信号以及输出信号之间的关系如下图所示。要求：
1）选用合适器件设计具有下图时序的电路。
2）搭试所设计的电路，并记录其输入与输出信号的波形。?
1、电路设计例一：设计一个由与非门或数据选择器或3/8译码器组成的裁判表决电路，该电路有如下功能：有A、B、C三名裁判，其中A为主裁判，B、C为副裁判。当主裁判和一名或一名以上的副裁判认为运动员合格时，输出为1，否则为0。
解：（一）采用与非门设计电路：
①根据命题列出真值表 ②利用卡诺图化简
A B C F
0 0 0 0
0 0 1 0
0 1 0 0
0 1 1 0
1 0 0 0
1 0 1 1 圈画原则：
1 1 0 1 1）先圈孤立圈；
1 1 1 1 2）再圈一个方向的圈；
3）最后再按最大、最少的圈来圈画。
③画出电路图 ④ 选用芯片和标注管脚号
绘图要求：
1）要求绘制原理图，千万不可画成接线图，否则无法表述逻辑关系，无可读性。
2）电源和地线管脚和连线可以略去。
3）根据题目要求选择器件型号。
4）必须注明管脚号、元件编号和元件型号否则无法装配。
举例1：电路原理图的正确画法——原理图
举例2：电路原理图的错误画法——连线图
（二）采用数据选择器设计电路：
根据真值表用74151（八选一数据选择器）实现电路。
根据真值表用1/2 74153（四选一数据选择器）降维的方法实现电路。
（三）采用3/8译码器设计：
根据真值表用74138（3/8译码器）实现电路。
2、实验装配步骤
第一步：根据所给的芯片，将它们插入实验箱上与芯片管脚相符合的插座上，注意芯片插入的方向，即：缺口向左。示意图如下：
第二步：实验箱上的电源需外接+9V直流电源。
实验箱内部具有+9V转换为+5V（最大电流为1A）的稳压电路，稳压后的+5V供TTL或HC标准的各种数字集成器件使用。
① 用万用表测量+9V电压；
着重强调：
1）直流稳压电源的表头显示不准确，一定要学生使用万用表测量。
2）用万用表测量好+9V的电压之后，才可以加入到数字实验箱上。千万不要先接实验箱再调测电压值，这样很容易损坏实验箱
3）外接+9V电源不可将极性接反，若接反则LED15不亮，同时“+5V”端无输出电压。同样-5V电源也不能接反，若接反则LED16不亮。
② 测好+9V电压后，将+9V电压接入实验箱。
下面给出+9V电压的连接示意图：
第一种直流稳压电源 第二种直流稳压电源
③ 从实验箱上获取+5V直流电压接入芯片。示意图如下：
强调：先接地线再接+5V电源。
第三步：搭试电路
① A、B、C接电平开关，用导线连接到芯片的相应管脚上。
② 接线时按原理图上标注的管脚连接电路，接一根打一个“×”，表示已接好线，直到所有的线都打上“×”了，说明电路全部接好。
3、电路测试
按A、B、C三个开关的组合，用发光二极管检查F的输出，即：验证真值表。
4、门电路悬空端的正确处理理论上TTL电路输入端悬空不接等效于为高电平，但是实际使用中为了电路不受干扰，通常根据逻辑功能把悬空的输入端都要进行适当的处理。具体处理方法如下：
① 与非门的多余输入端接高电平。
② 或非门的多余输入端接低电平。
着重强调：
① 使能端、控制端必须按功能表的要求连接；
② 地址端必须全部接，不使用的输入端根据实际情况接“0”或“1”；
③ 不用的输出端不接。
5、故障检测
① 出现故障
1）首先检查整体电路电源。用万用表测量电源和地是否连接正确。测量方法是负（黑）表笔接地；正（红）表笔接芯片的管脚，千万不可测接先柱。；
2）其次检查集成芯片电源（地和电源都必须一一检查）。
②根据电路原理进行排查故障先设置一个固定输入状态，用发光二极管显示逻辑结果，如不正确根据与非门,有低出高，全高出低”的工作原理，用万用表测量各个门电路管脚的输入/输出情况（着重强调：万用表的测量方法，首先把黑表笔接地，红表笔点接在被测芯片的管脚上），并将测试结果进行分析，查找出故障。
例如：当ABC=101时，正常条件下F=1，但此时F=0。说明电路有故障。检查故障的方法及示意图如下：
③调测过程中应注意的问题
1） 如有短路故障，要首先排除；
2） 要考虑电路前、后级之间的影响（可通过断开电路再测试）。
例二：现有A?B?C?D四台设备,10KW/台,它们由F和G两台发电机组供电。 F：10KW，G：20KW。
四台设备的工作情况为：
①四台设备不可能同时工作。
②可以是任意三台或两台同时工作。
③至少有任意一台在工作。
要求：设计一个供电控制线路，既能保证设备正常工作，又能节省电能。最后再用异或门、与非门或用两片八选一数据选择器画出电路图。
1、电路设计解：（一）异或门、与非门设计电路。
①根据题意确定输入和输出信号。
输入：A?B?C?D；其中“1”表示设备工作，“0”表示设备不工作。
输出：F?G，发电机组启动为“1”，其中不启动为“0”。
②列真值表 ③化简
④画出电路图
（二）用两片74151（八选一数据选择器）设计电路。
① 列真值表 ② 利用卡诺图降维
注意：“Φ”的处理。
③ 画电路图并标注管脚号
2、实验装配步骤（同上）。
3、电路测试（同上）。
4、门电路悬空端的正确处理（同上）。
5、故障检测（同上）。
一、时序逻辑电路的实验
1、D触发器的应用设计
例一：用两个D触发器和一个异或门设计两位可逆二进制计数器。
解：① 利用异或门的工作原理：
因此，当M=0时，CP2接Q1，作两位二进制减法计数；
当M=1时，CP2接Q1的非；作两位二进制加法计数。
② 标注管脚号
③ 画预测输出波形图
1） M=1（二进制加法计数器的输出波形图）
2）M=0（二进制减法计数器的输出波形图）
④ 用示波器画输出波形图
1） M=1（二进制加法计数器的输出波形图）
Ch1
Ch2
用Ch2作为触发源（用频率低的信号作为触发源）
Ch1
Ch2
用Ch2作为触发源（用频率低的信号作为触发源）
2） M=0（二进制减法计数器的输出波形图）
Ch1
Ch2
用Ch2作为触发源（用频率低的信号作为触发源）
Ch1
Ch2
用Ch2作为触发源（用频率低的信号作为触发源）
例二：试用DFF和与非门实现如图所示的“待设计电路”。要求发光二极管前3s亮，后2s暗，如此周期性重复。
解：即产生序列信号11100。用移存型序列信号发生器实现，状态转移表为：
检查自启动性：000→001(,010→101→011(,三个偏离态都能进入有效循环，所以具有自启动性。
2、计数器的应用设计
例一：用74161芯片，采用置“0”法设计M=7的加法计数器。
解,① 首先了解74161芯片的功能
② 由功能表可知74161是异步清“0”，同步置数。
反馈函数按SM-1写，即,SM-1=（0110）2。
③ 列真值表 ④ 画电路图并对芯片的管脚进行标号
⑤ 预测计数器的波形图
⑥ 用示波器画出的计数器的波形图
用Ch2作为触发源（用频率低的信号作为触发源）
划掉中间多余的波形就可获得最终的计数器的输出波形。
例二：用74161芯片，采用可靠清“0”法设计M=7的加法计数器；反馈函数按SM=（111）2写。
解：① 列真值表并写出反馈函数。
② 画电路图并标注管脚号。 ③ 预测波形图
例三：用74160芯片设计能按8421BCD译码显示0 ～ 59计数的60分频电路。
解：① 设计思路：6×10=60
1） 用74160芯片实现M=10的计数器；
2） 用置“0”法，设计一个M=6的计数器。
② 画电路图并标注管脚号。
③ 预测波形图（略）。
例四：用74161采用清“0”法实现M=60的计数器
例五：用74161采用同步置“0”法实现M=60的计数器
例六：用一片74161和一片74151芯片产生如下序列：“1111000110”。
解：① 设计分析,
序列长度为：M=10，用74161和 74151实现序列码 。74151芯片只有三个地址，需要对电路进行降维。
② 设计思路：
1）74161用置“0”法设计一个8421BCD码计数器;
2）采用74151芯片，利用降维法实现“1111000110”序列码。
③ 设计步骤
④ 画电路图
⑤ 预测波形图（略）
例七：试用74161、74151及少量与非门实现如下功能:当S=0时,产生序列1011010;当S=1时,产生序列1110100。
解：① 设计思路
② 画电原理图
例八：各用一片74161和74151及若干与非门，设计一个同时输出两个不同的序列信号为：Z1=111100010和Z2=101110001的电路。
解：① 设计分析：
1）Z1和Z2 的序列长度都为：M=9。
2）74161只能实现计数，不可实现移位功能。如要实现移位功能，通常采用置数法。
3）74151只能有一个输出，不可能实现两个输出。
② 设计思路：
1）采用74161芯片，用置数法实现Z1序列信号。
2）采用74151芯片，实现Z2序列信号。
③ 设计步骤：
提问,如果Z1=111100010,M=9将Z2信号改为;
Z2=101110000,M=9电路如何设计?
74151芯片的数据端为,
D0=D1=D4=1，D2=D3=D5=D6=0，D7=Q3
例九：用74161和74138芯片设计一个五节拍分配器；
解：设计思路：
1）用置“0”法，设计一个M=5的计数器；
2）用74138译码器实现五节拍分配器。
例九： 请实现下图的输出波形Z。
提示:先用DFF构成M=5的计数器再用Q3? Q2? Q1和CP设计一组合网络实现输出波形。
解：分析
1）列真值表
2）
3、用74194产生序列码发生器的设计。
例一：用一片74194和若干与非门设计一个产生序列码为110100,··· 且能自启动的序列信号发生器。要求：导出DSL的表达式并画出电路。
解,
例二：试用74194及74151设计产生序列11100010011010，···要求电路具有自启动性。
注意：要使电路具有自启动性，
0000一定要取“1”，
才能使0000→0001。
1111一定要取“0”，
才能使1111→1110。
例三：用74194设计序列发生器产生序列信号,1110010,…;要求设计的电路具有自启动性。
检测自启动性：000→001√，电路可以自启动。
练习题：
1、A、B、C、D四人在同一实验室工作。
若A只要到实验室就有自己的工作做。
B必须C到实验室以后才能有工作可做。
C除了为B创造工作的条件外，到实验室是从来不干工作的。
D只有A在实验室时，才干工作。
请问：在什么情况下，实验室中没有人干工作？请用逻辑函数来描述。
并用与非门实现。
2、根据所给的状态转移表，请用一片74161、一片74151和一片7486异或门同时产生F1和F2序列信号。请问电路是否具有自启动，如不能自启动再增加一片7420使电路具有自启动性。
要点：考A1=A;LD在000时才为1，其余状态都为0。
3、用74194设计序列发生器产生序列信号,001110001,…; 要求设计的电路具有自启动性。
4、用合适器件设计一个N=18的分频器，要求分频器输出信号为方波信号。
5、已知某电路具有1个输入信号CP，5个输出信号A、B、C、D和E，5个输出信号均为模值M＝8序列信号，输入信号与输出信号以及输出信号之间的关系如下图所示。要求：
1）选用合适器件设计具有下图时序的电路。
2）搭试所设计的电路，并记录其输入与输出信号的波形。?
