本科數(shù)電實驗教案

1、課 程 教 案課程名稱： 數(shù)字電子技術(shù)實驗 任課教師： 成利香 所屬院部： 電氣與信息工程學(xué)院 教學(xué)班級： 電子1203 教學(xué)時間： 20132014 學(xué)年第 2 學(xué)期湖 南 工 學(xué) 院課程基本信息課程數(shù)字電子技術(shù)實驗課程代碼G0490334總計： 16 學(xué)時2 / 17名稱講課： 學(xué)時實驗： 16 學(xué)時上機(jī)： 學(xué)時課程設(shè)計： 周學(xué) 分1類別必修課（） 選修課（ ） 理論課（ ） 實驗課（）任課教師成利香職稱講師授課對象專業(yè)班級：電子1203 共1個班課程簡介（不超過1000字）數(shù)字電子技術(shù)實驗課程是數(shù)字電子技術(shù)理論的重要實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，教學(xué)目的在于通過實驗來強(qiáng)化學(xué)生的工程實踐訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的工

2、程設(shè)計、實驗調(diào)試、綜合分析及計算機(jī)應(yīng)用能力，進(jìn)一步促使學(xué)生對數(shù)字電子技術(shù)基本理論和技術(shù)的理解與掌握，為其后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)提供幫助，為今后新技術(shù)、新器件的學(xué)習(xí)和工程實踐數(shù)字系統(tǒng)問題的解決打下堅實基礎(chǔ)。根據(jù)教學(xué)計劃，本學(xué)期數(shù)字電子技術(shù)實驗課程共開設(shè)8個實驗項目，每個實驗項目2學(xué)時，共計16學(xué)時。具體安排依次為基本門電路邏輯功能測試、組合電路的設(shè)計與調(diào)試、集成觸發(fā)器功能測試、移位寄存器、集成計數(shù)器的設(shè)計、555定時電路及其應(yīng)用、交通燈控制電路設(shè)計和環(huán)形流水燈控制電路設(shè)計。其中2個驗證性實驗，4個設(shè)計性實驗，2個綜合性實驗，2個虛擬性綜合實驗項目。所開設(shè)的所有實驗項目除有一定廣度外，在難度上應(yīng)循序漸進(jìn)

3、，因而課程教學(xué)既能使學(xué)生得到較全面的動手能力的訓(xùn)練，同時也較好了兼顧了學(xué)生對電路故障的分析與排除能力訓(xùn)練。學(xué)生在完成每個實驗項目后，要求認(rèn)真撰寫包括實驗名稱、目的要求、設(shè)計步驟、實驗電路、實驗結(jié)果及實驗結(jié)果分析、總結(jié)與討論等內(nèi)容的實驗報告，并鼓勵學(xué)生在報告中發(fā)表自己的獨到見解和所做的實驗創(chuàng)新。教師將根據(jù)學(xué)生實驗過程中的綜合表現(xiàn)和對實驗報告的批閱情況，對學(xué)生的實驗成績進(jìn)行認(rèn)真評定。該課程以考查方式對學(xué)生的實驗成績進(jìn)行考核，學(xué)分1分?；窘滩暮椭饕獏⒖假Y料教材：曹才開,張丹等編. 電路與電子技術(shù)實驗. 中南大學(xué)出版社, 高等教育出版社, 2010.參考書1 王澄非主編. 電路與數(shù)字邏輯設(shè)計實踐.

4、東南大學(xué)出版社, 2003.2 陳大欽主編. 電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗-電子電路實驗·設(shè)計仿真(第二版).高等教育出版社, 2001。3 范愛平編. 電子電路實驗與虛擬技術(shù). 山東科學(xué)技術(shù)出版社, 2001.4 楊志忠主編. 數(shù)字電子技術(shù). 高等教育出版社, 2002. 湖南工學(xué)院教案用紙 p.1 實驗1 基本門電路邏輯功能測試(驗證性實驗)一、實驗?zāi)康?.熟悉基本門電路圖形符號與功能；2.掌握門電路的使用與功能測試方法；3.熟悉實驗室數(shù)字電路實驗設(shè)備的結(jié)構(gòu)、功能與使用。二、實驗設(shè)備與器材雙列直插集成電路插座，邏輯電平開關(guān)，LED發(fā)光顯示器，74LS00，74LS20，74LS86，導(dǎo)線三、

5、實驗電路與說明門電路是最簡單、最基本的數(shù)字集成電路，也是構(gòu)成任何復(fù)雜組合電路和時序電路的基本單元。常見基本集門電路包括與門、或門、與非門、非門、異或門、同或門等，它們相應(yīng)的圖形符號與邏輯功能參見教材P.176, Fig.6.1。根據(jù)器件工藝，基本門電路有TTL門電路和CMOS門電路之分。TTL門電路工作速度快，不易損壞，CMOS門電路輸出幅度大，集成度高，抗干擾能力強(qiáng)。1. 74LS00四2輸入與非門功能與引腳：2. 74LS20雙4輸入與非門功能與引腳：3. 74LS86四2輸入異或門功能與引腳：四、實驗內(nèi)容與步驟1. 74LS00功能測試：74LS00插入IC插座；輸入接邏輯電平開關(guān)；輸出

6、接LED顯示器；接電源；拔動開關(guān)進(jìn)行測試，結(jié)果記入自擬表格。2. 74LS20功能測試：實驗過程與74LS00功能測試類似。3. 74LS86功能測試：實驗過程與74LS00功能測試類似。4. 用74LS00構(gòu)成半加器并測試其功能：根據(jù)半加器功能：，用74LS00設(shè)計一個半加器電路；根據(jù)所設(shè)計電路進(jìn)行實驗接線；電路輸入接邏輯電平開關(guān)，輸出接LED顯示器；通電源測試半加器功能，結(jié)果記入自擬表格。5. 用74LS86和74LS00構(gòu)成半加器并測試其功能：實驗過程與以上半加器功能測試類似。五、實驗報告要求1. 內(nèi)容必須包括實驗名稱、目的要求、實驗電路及設(shè)計步驟、實驗結(jié)果記錄與分析、實驗總結(jié)與體會等。

7、2.在報告中回答以下思考題：如何判斷邏輯門電路功能是否正常？如何處理與非門的多余輸入端？湖南工學(xué)院教案用紙 p.2 實驗2 組合邏輯電路的設(shè)計與調(diào)試(設(shè)計性綜合實驗)一、實驗?zāi)康?.熟悉編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器等MSI的功能與使用；2.進(jìn)一步掌握組合電路的設(shè)計與測試方法；3.學(xué)會用MSI實現(xiàn)簡單邏輯函數(shù)。二、實驗設(shè)備與器材雙列直插集成電路插座，邏輯電平開關(guān)，LED數(shù)碼顯示器，74LS148，74LS151，74LS48，74LS138，74LS283，74LS04，多用表，導(dǎo)線三、實驗內(nèi)容與設(shè)計要求1.按教材P.180 Fig.6.6 電路接線，驗證8-3優(yōu)先編碼器74LS148和顯示譯碼器

8、74LS48的邏輯功能，記錄實驗數(shù)據(jù)，表格自擬；2.用數(shù)據(jù)選擇器74LS151(或者74LS138+74LS04)設(shè)計一個紅、黃、綠三色信號燈狀態(tài)監(jiān)測邏輯電路，并對所設(shè)計電路的功能進(jìn)行測試。要求：任何時刻信號燈只能亮紅、黃、綠三種顏色中的任意一種顏色燈；其它狀態(tài)都屬于故障狀態(tài)。3.用一片四位加法器74LS283實現(xiàn)8421BCD碼到余3碼的轉(zhuǎn)換，并測試電路功能。四、設(shè)計方法與設(shè)計提示1. 組合電路設(shè)計的一般步驟：參見教材P.180 Fig.6.5根據(jù)電路功能描述，分析因果關(guān)系，確定輸入、輸出變量，并對之進(jìn)行邏輯賦值；應(yīng)用窮舉法列出真值表，并寫出邏輯表達(dá)式；根據(jù)具體電路要求及特定器件資源，選擇確

9、定器件；利用公式或卡諾圖化簡函數(shù)，并將之轉(zhuǎn)換成與所選用器件功能相適應(yīng)的形式； 畫出所設(shè)計的邏輯電路圖，并進(jìn)行后續(xù)的工藝設(shè)計與組裝調(diào)試。2. 典型組合電路MSI功能與引腳：8-3優(yōu)先編碼器74LS148；顯示譯碼器74LS48；8選1數(shù)據(jù)選擇器74LS151；3-8譯碼器74LS138；四位加法器74LS283。3. 設(shè)計提示：數(shù)據(jù)選擇器實現(xiàn)邏輯函數(shù)：如：用8選1數(shù)據(jù)選擇器74LS151實現(xiàn)函數(shù)。因74LS151輸出，故74LS151的接線方法為：，。3-8譯碼器74LS138實現(xiàn)邏輯函數(shù)與數(shù)據(jù)分配：74LS138的輸出，其中是由地址碼組成的最小項。由于任意函數(shù)總可以寫成最小項之和形式即，因而如

10、果將函數(shù)變量作為譯碼器的地址碼或譯碼控制信號，則根據(jù)反演定理并結(jié)合與非門即可完成邏輯函數(shù)的譯碼器實現(xiàn)。譯碼器實現(xiàn)邏輯函數(shù)與數(shù)據(jù)分配的具體方法參見教材P.183 Fig.6.10。8421BCD碼到余3碼的轉(zhuǎn)換：余3碼=8421BCD+0011，故用加法器可容易實現(xiàn)8421BCD碼到余3碼的轉(zhuǎn)換。五、預(yù)習(xí)要求及實驗注意事項1.預(yù)習(xí)要求：查閱并熟悉相關(guān)MSI的引腳及功能；按設(shè)計要求設(shè)計好實驗所用電路，畫出實驗電路圖。湖南工學(xué)院教案用紙 p.3 2.實驗注意事項： 接插芯片時，注意認(rèn)清定位標(biāo)志； 實驗前注意確定MSI芯片功能正常； 不允許MSI芯片輸出端直接接地或電源，須在斷電狀態(tài)進(jìn)行拆線或電路更改

11、。六、實驗報告要求1. 內(nèi)容必須包括實驗名稱、目的要求、實驗電路及設(shè)計步驟、實驗結(jié)果記錄與分析、問題分析與處理、實驗總結(jié)與體會等。2.在報告中回答以下問題：組合電路的一般設(shè)計步驟？組合電路的設(shè)計體會？湖南工學(xué)院教案用紙 p.4 實驗3 集成觸發(fā)器功能測試(驗證性實驗)一、實驗?zāi)康?.熟悉集成JK和D觸發(fā)器的功能與使用；2.熟悉觸發(fā)器的功能測試方法。二、實驗設(shè)備與器材雙列直插集成電路插座，邏輯電平開關(guān)，示波器，74LS112集成JK觸發(fā)器，74LS74集成D觸發(fā)器，多用表，導(dǎo)線三、實驗電路與說明觸發(fā)器是時序邏輯電路構(gòu)成的基本單元，具有兩個穩(wěn)態(tài)，并且觸發(fā)器狀態(tài)能在外部輸入信號作用下進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。觸發(fā)器

12、種類繁多，按電路結(jié)構(gòu)，可分為同步觸發(fā)器、主從觸發(fā)器和邊沿觸發(fā)器，按邏輯功能，可分為RS觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、D觸發(fā)器、T觸發(fā)器等。一般而言，集成觸發(fā)器除了觸發(fā)信號輸入端外，還擁有直接置零、置1輸入端。熟悉并掌握各種觸發(fā)器特性方程、狀態(tài)轉(zhuǎn)換、動作特點，是應(yīng)用觸發(fā)器的重要基礎(chǔ)。1. 74LS112集成JK觸發(fā)器的功能與引腳：2. 74LS74集成DK觸發(fā)器的功能與引腳：四、實驗內(nèi)容與步驟1. 74LS112功能測試：按教材P.186 表6.11改變和，觀察并記錄觸發(fā)器狀態(tài)的變化；按教材P.186 表6.12，對觸發(fā)器邏輯功能進(jìn)行測試；使(計數(shù)狀態(tài))，在端輸入方波，觀察并記錄、端工作波形。2. 74L

13、S74功能測試：按教材P.187 表6.13測試并記錄74LS74觸發(fā)器的邏輯功能；連接(計數(shù)狀態(tài))，在端輸入方波，觀察并記錄、端工作波形。五、實驗報告要求1. 內(nèi)容必須包括實驗名稱、目的要求、實驗電路及設(shè)計步驟、實驗結(jié)果記錄與分析、實驗總結(jié)與體會等。2.在報告中回答以下思考題：和的作用是什么？如何利用它們實現(xiàn)觸發(fā)器的置零或置1？觸發(fā)器正常工作時，它們應(yīng)處于什么狀態(tài)？當(dāng)觸發(fā)器處于計數(shù)狀態(tài)時，端狀態(tài)在的什么時刻變化？端波形與波形在周期上有什么關(guān)系？湖南工學(xué)院教案用紙 p.5 實驗4 移位寄存器(設(shè)計性實驗)一、實驗?zāi)康?.掌握集成移位寄存器的功能及其測試方法；2.研究由移位寄存構(gòu)成的環(huán)形計數(shù)器和

14、串行累加器工作原理。二、實驗設(shè)備與器材雙列直插集成電路插座，邏輯電平開關(guān)，集成移位寄存器74LS194，集成D觸發(fā)器74LS74，全加器74LS183，示波器，多用表，導(dǎo)線三、實驗內(nèi)容與步驟1.集成移位寄存器74LS194邏輯功能測試：實驗電路參見教材P.195 Fig. 6.25。、接邏輯電平開關(guān)，、接LED顯示器，從輸入單次脈沖，按教材P.196 表 6.23逐項測試并記錄測試結(jié)果：清除功能；送數(shù)功能測試；右移功能測試；左移功能測試；保持功能測試。2.循環(huán)移位電路設(shè)計并測試其循環(huán)移位功能：用74LS194設(shè)計一循環(huán)右移寄存器，然后測試其在脈沖作用下的數(shù)據(jù)循環(huán)右移功能，并記錄測試結(jié)果。3.串

15、行累加器設(shè)計及其功能測試：根據(jù)教材P.195 Fig. 6.24所示串行累加器結(jié)構(gòu)與工作原理，用74LS194和74LS183設(shè)計一四位串行累加器，然后在脈沖作用下測試電路的串行累加功能，結(jié)果記入自擬表格。四、實驗說明1. 74LS194引腳及功能：2.循環(huán)移位寄存器結(jié)構(gòu)與工作原理：3.串行累加器構(gòu)成方法與工作原理：五、實驗報告要求1.報告內(nèi)容必須包括實驗名稱、目的要求、實驗電路及設(shè)計步驟、實驗結(jié)果記錄與分析、問題分析與處理、實驗總結(jié)與體會等。2.總結(jié)74LS194邏輯功能，畫出環(huán)形計數(shù)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖與波形圖；3.分析串行累加器實驗結(jié)果的正確性；4. 在報告中回答以下問題：要使移位寄存器清零，可

16、否采用右移或左移功能實現(xiàn)可否采用并行送數(shù)法實現(xiàn)？如果可以，又如何操作？如要求循環(huán)左移，如何更改循環(huán)右移電路的連接？湖南工學(xué)院教案用紙 p.6 實驗5 集成計數(shù)器設(shè)計(設(shè)計性實驗)一、實驗?zāi)康?.掌握用集成計數(shù)器構(gòu)成任意進(jìn)制計數(shù)器的方法；2.掌握MSI計數(shù)器使用與功能測試方法；3.基于MSI計數(shù)器的任意進(jìn)制計數(shù)器設(shè)計。二、實驗設(shè)備與器材雙列直插集成電路插座，邏輯電平開關(guān)，LED發(fā)光顯示器，集成十進(jìn)制計數(shù)器74LS192，四2輸入與非門74LS00，連續(xù)脈沖源，單次脈沖源，導(dǎo)線三、實驗內(nèi)容與設(shè)計要求1. 自擬74LS192邏輯功能測試電路，并進(jìn)行測試與記錄；2. 采用反饋歸零或反饋置數(shù)法，用一片7

17、4LS192和74LS00構(gòu)成一個8進(jìn)制計數(shù)器，實驗方法與步驟自擬；3. 采用級聯(lián)的方法，用兩片74LS192和74LS00構(gòu)成一個24進(jìn)制計數(shù)器，實驗方法與步驟自擬。四、設(shè)計提示1.基于MSI集成N計數(shù)器的任意M進(jìn)制計數(shù)器的構(gòu)成方法：M<N：不需要級聯(lián)，采用一片集成N計數(shù)器便可構(gòu)成一個M進(jìn)制計數(shù)器，基本思想是在計數(shù)過程中，利用集成N計數(shù)器的清零或置數(shù)功能使之設(shè)法跳過N-M個計數(shù)狀態(tài)，前者稱為反饋歸零法，后者稱反饋置數(shù)法。設(shè)計的關(guān)鍵在于利用集成N計數(shù)器的哪個計數(shù)狀態(tài)來產(chǎn)生所需的清零或置數(shù)信號，這主要取決于集成N計數(shù)器的清零或置數(shù)功能是同步方式還是異步方式。M>N：此時需要采用多片集

18、成N計數(shù)器通過級聯(lián)和整體的清零或置數(shù)才能構(gòu)成一個M進(jìn)制計數(shù)器。整體的清零或置數(shù)信號在整個計數(shù)器的哪個狀態(tài)產(chǎn)生，類似于M<N時的情況；而多片集成N計數(shù)器的級聯(lián)方法，主要有串行進(jìn)位法級聯(lián)和并行進(jìn)位法級聯(lián)兩種。前者采用前一級的進(jìn)位作為下一級的計數(shù)脈沖，后者各級加同一計數(shù)脈沖，但需要利用前一級的進(jìn)位信號去控制下一級的計數(shù)。2. 74LS192引腳功能：雙時鐘集成十進(jìn)制同步可逆計數(shù)器五、實驗報告要求1.報告內(nèi)容除實驗名稱、目的要求外，還必須畫出設(shè)計電路，擬定實驗步驟，并對實驗記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，和實驗結(jié)果分析，表達(dá)實驗總結(jié)與體會等。2.說明任意進(jìn)制計數(shù)器的構(gòu)成方法；3.討論實驗中遇到的問題；4.在報

19、告中回答：湖南工學(xué)院教案用紙 p.7 74LS192加計數(shù)時，應(yīng)如何連接其、？如何實現(xiàn)秒、分時鐘計數(shù)？湖南工學(xué)院教案用紙 p.8 實驗6 555時基電路及其應(yīng)用(綜合性實驗)一、實驗?zāi)康?.熟悉555定時器結(jié)構(gòu)、功能特點與應(yīng)用；2.掌握555定時器構(gòu)成施密特、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器的方法。二、實驗設(shè)備與器材雙列直插集成電路插座，LED發(fā)光顯示器，示波器，連續(xù)脈沖源，單次脈沖源，集成NE555，二極管、電阻、電容、導(dǎo)線若干 三、實驗內(nèi)容1.用NE555按教材P.206 Fig.6.38(a)構(gòu)成單穩(wěn)電路并進(jìn)行實驗接線：取，從輸入單次脈沖，觀察、波形，并進(jìn)行幅度與暫穩(wěn)時間測試，記錄觀察測試結(jié)果。

20、取，重復(fù)以上實驗步驟。2. NE555多諧振蕩器電路測試：按教材P.207 Fig.6.39連接實驗電路，觀察、波形，并進(jìn)行頻率測試，記錄觀察測試結(jié)果。按教材P.208 Fig.6.40連接實驗電路，觀察、波形并調(diào)節(jié)使占空比為50%，測試頻率并記錄觀察測試結(jié)果。按教材P.208 Fig.6.41連接實驗電路，調(diào)節(jié)和，觀察并記錄波形。3. NE555施密特觸發(fā)器電路測試：按教材P.209 Fig.6.42連接實驗電路，從輸入1正弦波并調(diào)節(jié)其幅度，觀察并記錄波形，測繪電路的電壓傳輸特性曲線并確定其閾值電壓與回差電壓。四、實驗說明1.555定時器結(jié)構(gòu)與功能：2. 555定時器施密特觸發(fā)器構(gòu)成與工作原

21、理：3. 555定時器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成與工作原理：4. 555定時器多諧振蕩器構(gòu)成與工作原理：五、實驗報告要求1.報告內(nèi)容除實驗名稱、目的要求外，還必須畫出設(shè)計電路，擬定實驗步驟，并對實驗記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，和實驗結(jié)果分析，表達(dá)實驗總結(jié)與體會等。2.給出詳細(xì)實驗電路，定量繪制觀察波形；3.討論實驗中遇到的問題；4.在報告中回答：555多諧振蕩器的周期、占空比主要受哪些元件參數(shù)影響？如何調(diào)節(jié)？湖南工學(xué)院教案用紙 p.9 實驗7 交通燈控制電路設(shè)計(虛擬綜合性實驗)一、實驗?zāi)康?.加深對計數(shù)電路的理解；2.加深對555定時器電路的理解；3.掌握基本電路在實際工程中的應(yīng)用。二、實驗電路及說明1.交通控

22、制要求南北和東西向道路輪流通行；每向道路由綠燈亮轉(zhuǎn)換為紅燈亮之前，黃燈先亮；每次黃燈亮一個單位時間，紅綠燈亮5個單位時間。2.實現(xiàn)方案 電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖：根據(jù)控制要求，定義：南北向綠燈，東西向綠燈，南北向紅燈，東西向紅燈，南北向黃燈，東西向黃燈，則系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖為：狀態(tài)參數(shù)圖的實現(xiàn)可采用以下兩種方案。實現(xiàn)方案一：算法狀態(tài)機(jī)方案(Algorithmic State Machine)湖南工學(xué)院教案用紙 p.10實現(xiàn)方案二：順序脈沖控制法由于系統(tǒng)狀態(tài)循環(huán)不變，故可采用順序脈沖控制方法進(jìn)行，即將單位時間按需要進(jìn)行分配即可控制系統(tǒng)循環(huán)變化的狀態(tài)。順序脈沖的產(chǎn)生可采用扭環(huán)形計數(shù)器來實現(xiàn)。具體方法參見教材P.226227內(nèi)容。，(，各延續(xù)6個時間單位，不可同時點亮)；，(，各延續(xù)5個時間單位，且要求與、與須同時點亮)；，(，各延續(xù)1個時間單位，且要求與、與須同時點亮)。顯然，方案二比方案一簡潔，故實驗電路采用方案二設(shè)計。3.定時電路：可采用由555構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生矩陣脈沖作為扭環(huán)形計數(shù)器