Proteus實例教程課件第3章

第3章數(shù)字電子技術(shù)實驗

數(shù)字電子技術(shù)實驗的目的在于熟練掌握常用的中規(guī)模數(shù)字集成芯片的功能，研究這些集成芯片的應(yīng)用，通過綜合實踐，鞏固和加強數(shù)字電子技術(shù)理論知識和實驗技能，掌握一般數(shù)字電子系統(tǒng)的分析、組裝、調(diào)試和設(shè)計方法，綜合運用所學(xué)理論知識獨立分析和解決實際問題，為從事有關(guān)數(shù)字電子系統(tǒng)的設(shè)計和研究開發(fā)工作打下基礎(chǔ)。

本章結(jié)合Proteus軟件對數(shù)字電子技術(shù)中的典型實驗進行歸類，列舉了原理驗證型實驗、創(chuàng)新型實驗、設(shè)計型實驗和綜合型實驗等多個項目，涵蓋了數(shù)字電子技術(shù)中的關(guān)鍵知識點并具有一定的創(chuàng)新性和綜合性。

3.1.1CMOS4000系列3.1Proteus中數(shù)字電路常用元件及儀器

打開Proteus元件拾取對話框，在元件分類中居于第三位的是CMOS4000series，如圖3-1所示。CMOS4000系列屬早期生產(chǎn)的CMOS器件，在國外已限用，但由于這類器件價格比較便宜，目前在我們國家使用的還比較多。圖3-1Proteus中CMOS4000系列元件

圖4000系列與74系列對應(yīng)，比如4000系列的4511和74系列的7448對應(yīng)，都是BCD至七段顯示譯碼器，輸出高電平有效，如圖3-2所示。從圖中可以看出，除了4、5管腳的標(biāo)識和用法稍有不同外，其他管腳號及標(biāo)識都一樣，用來驅(qū)動共陰極七段數(shù)碼顯示。但提醒大家注意的是，它們的工作電壓和邏輯電平標(biāo)準(zhǔn)并不完全一致。圖3-2BCD到七段顯示譯碼器4511與7448

Proteus中4000系列元件的子類劃分如圖3-3所示，子類的列表如表1-6所示。

另外，元件也可按生產(chǎn)廠家來查找，如圖3-3中的Fairchild、Microchip和TexasInstruments都是制造商的名稱。圖3-34000系列元件的子類

3.1.2TTL

74系列

TTL

74系列根據(jù)制造工藝的不同又分為如圖3-4所示的幾大類，每一類元件的子類都相似，比如7400和74LS00功能一樣。圖3-4TTL74系列

由于每一類元件眾多，而學(xué)過數(shù)字電子技術(shù)的讀者，對常用的元件功能代號已熟悉，可在元件拾取對話框中的“Keywords”中鍵入元件名稱，采用直接查詢的方式拾取元件，如圖3-5所示。圖3-5直接拾取元件對話框

3.1.3數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在Proteus元件拾取對話框中的“DataConverters”類中，如圖3-6所示。常用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器有并行8位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(如ADC0809)、8位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(如DAC0808)、LF××采樣保持器、MAX××串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器、

位雙斜坡模數(shù)轉(zhuǎn)換器、具有I2C接口的小型串行數(shù)字濕度傳感器TC74及具有SPI接口的溫度傳感器TC72和TC77等，可按子類來查找。圖3-6數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器類元件拾取對話框

3.1.4可編程邏輯器件和現(xiàn)場可編程邏輯陣列

可編程邏輯器件及現(xiàn)場可編程邏輯陣列位于Proteus元件拾取對話框中的PLDs&FPGAs類中，此類元件較少，沒有再劃分子類，一共有十二個元件，如圖3-7所示。圖3-7可編程邏輯器件及現(xiàn)場可編程邏輯陣列類元件

3.1.5顯示器件

顯示器件在Proteus元件拾取對話框中的Optoelectronics類中，如圖3-8所示。

常用的七段數(shù)碼顯示，元件名的前綴為7SEG-，在用到此類元件時，采取部分查詢方法，直接在“Keywords”中輸入“7SEG-”，即可根據(jù)元件后面的英文說明來選取所需元件。比如，圖3-8中右面前三行列舉的元件都是七段數(shù)碼顯示，輸入為四位BCD碼或二進制數(shù)，使用時可省去顯示譯碼器；第四、五、六行都是七段共陽極數(shù)碼管，輸入端應(yīng)接顯示譯碼器7447；第七、八、九行三個數(shù)碼管都是七段共陰極接法，使用時輸入端應(yīng)用接顯示譯碼器7448。顯示器件主要在大類Optoelectronics中，子類參考表1-17。我們來仔細看一下顯示器件的子類劃分，如圖3-9所示。圖3-9顯示器件的子類

常用的發(fā)光二極管LEDs子類中的元件如圖3-10所示。選用時要用ACTIVE庫中的元件而不用DEVICE庫中的元件，在本書中，我們都使用這一規(guī)定，ACTIVE庫中的元件是能動畫演示的，而DEVICE不能，但一般電阻就不需要動畫演示，可用DEVICE庫中的元件。圖3-10子類LEDs中的器件

“BargraphDisplays”條形LED顯示子類中只有兩個元件，如圖3-11所示。主要區(qū)別在于顏色不同，這個元件相當(dāng)于十個LED二極管并排放置在一起，管腳號小的一端是陽極，接高電平；管腳號大的一端是陰極，接低電平。在多個發(fā)光二極管共同使用時，通常用它比較方便。圖3-11條形LED顯示

3.1.6調(diào)試工具

數(shù)字電路分析與設(shè)計中常用的調(diào)試工具在Proteus元件拾取對話框中的“DebuggingTools”類中，一共不到二十個，如圖3-12所示。顯示元件和調(diào)試工具的應(yīng)用例子如圖3-13所示。圖3-13部分顯示元件和調(diào)試工具的使用方法

555定時器是一個非常有用的模數(shù)混合器件，在進行數(shù)字邏輯電路設(shè)計時經(jīng)常要用它來組成無穩(wěn)態(tài)或單穩(wěn)態(tài)電路，產(chǎn)生連續(xù)或單個脈沖。555定時器能在較寬電源電壓范圍內(nèi)工作，可承受較大的負(fù)載電流。雙極型555定時器的電源電壓為5～16V，最大負(fù)載電流為200mA。CMOS型7555定時器的電源電壓為3～18V，最大負(fù)載電流為4mA。

下面對555定時器內(nèi)部的工作原理及幾種應(yīng)用電路進行詳細介紹。3.2555定時器555定時器因其內(nèi)部有三個5KΩ串聯(lián)電阻而得名。內(nèi)部仿真原理圖見圖3-14，其中4端復(fù)位未給出(高電平復(fù)位有效)。U1和U2為兩個運算放大器，接成了電壓比較器；U3和U4兩個與非門接成了低電平輸入有效的鎖存器，前面各加上一個反相器，變成了輸入高電平有效的鎖存器，U5為反相緩沖器，驅(qū)動輸出；Q1為三極管，發(fā)射極1端應(yīng)接地，通過控制Q1基極電位使其工作在導(dǎo)通或關(guān)斷兩個狀態(tài)。3.2.1555定時器的內(nèi)部構(gòu)成圖3-14555定時器的內(nèi)部原理圖

由于理想運放輸入端電流可考慮為零，所以三個5KΩ電阻串聯(lián)對8端的直流電源Vcc進行分壓，其中U1的反相端和U2的同相端分別為2VCC/3和VCC/3。555定時器的三個輸入端與輸出端及內(nèi)部三極管的狀態(tài)之間的關(guān)系如表3-1所示。輸入輸出復(fù)位(4)VI1(6)VI2(2)VO(3)Q1狀態(tài)低低導(dǎo)通高>2VCC/3>VCC/3低導(dǎo)通高<2VCC/3>VCC/3不變不變高<2VCC/3<VCC/3高關(guān)斷高>2VCC/3<VCC/3高關(guān)斷表3-1555定時器輸入輸出之間的關(guān)系

555定時器外接一個電容充放電電路即可構(gòu)成一個無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，在3端產(chǎn)生矩形波信號，且頻率可調(diào)，如圖3-15所示。

在555定時器的電源8端和接地1端之間，從上到下串接電阻R4、R5和電容C2。把555定時器的6端和2端(即內(nèi)部兩個電壓比較器的同相和反相輸入端)連在一起，再接到電容C2上端，即兩個比較器的外部輸入電壓都取為電容C2上的變化量，再與各自的固定電壓2VCC/3和VCC/3比較，觸發(fā)鎖存器，使Q1飽和導(dǎo)通。因7端接在R5上方，此時相當(dāng)于接地，C2通過R5放電。然后R4、R5和C2回路再充電，反復(fù)進行充放電的結(jié)果，將導(dǎo)致3端輸出矩形波。3.2.2555定時器組成的多諧振蕩器圖3-15555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器

為了觀看這種效果，C2應(yīng)拾取“CAPACITOR”(ACTIVE庫)元件，且在U5前放置“LOGICPROBE[BIG]”邏輯電平探測器，觀察輸出電平的變化及與Q1導(dǎo)通之間的關(guān)系。下面再放置一個圖表分析。

首先應(yīng)停止仿真。單擊左邊工具欄內(nèi)的圖表類型按鈕

，在對象選擇區(qū)“GRAPHS”中選“MIXED”(模擬和數(shù)字混合波形)項。注意，如果是純模擬波形，選第一項“ANALOGUE”；如果是純數(shù)字波形，選第二項“DIGTAL”，如圖3-16所示。然后在圖形編輯區(qū)單擊鼠標(biāo)左鍵拖出一個圖表分析框，再次單擊左鍵確認(rèn)，如圖3-17所示。圖3-16圖表類型選擇

圖3-17圖表分析框

在圖3-17中的非標(biāo)題區(qū)，即中間的空白區(qū)雙擊，出現(xiàn)如圖3-18所示的對話框，可修改圖表分析的標(biāo)題為“555ANALYSIS”。再把橫軸的時間長度改為6秒。因為本題555構(gòu)成的方波周期為1秒，這樣可出現(xiàn)6個周期波形。圖3-18修改標(biāo)題及橫坐標(biāo)

接下來可在圖表框中加入軌跡。添加軌跡的第一步是在被測點加上電壓探針。ProteusISIS中左側(cè)圖標(biāo)

和

分別為電壓和電流探針，這里使用電壓探針，即相當(dāng)于實際萬用表的正極性表筆。選中電壓探針

后，通過拖動到要連接的線上可自動連接上。把電壓探針連接到6端和3端，分別命名為Vc和Vout?？焖匐p擊探針名稱，并分別拖入圖表分析框，觀察到圖表框中出現(xiàn)了探針的名稱。

按“Space”空格鍵即生成相應(yīng)的波形，而不必單擊仿真運行按鈕。

移動鼠標(biāo)指針到圖表分析框的標(biāo)題處，鼠標(biāo)變成畫筆狀，雙擊，出現(xiàn)圖表分析的放大畫面，可修改它的各項屬性，尤其是背景及軌跡的顏色，如圖3-19所示。圖3-19555定時器的圖表分析

555定時器接成多諧振蕩器時的頻率計算公式為

其中，，

由此可計算出圖3-15中的輸出頻率約為1Hz。

由集成器件連接而成的頻率可調(diào)的矩形波發(fā)生器電路如圖3-20所示。圖3-20由集成555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器

555定時器接成單穩(wěn)態(tài)電路時，通過外部觸發(fā)可產(chǎn)生單脈沖，且脈沖寬度Tw可通過下面式子計算。

圖3-21為單穩(wěn)態(tài)電路的仿真圖。其中R1和按鈕組成一個負(fù)脈沖發(fā)生器，操作時動作盡量要快，這個觸發(fā)負(fù)脈沖的時間要遠遠小于Tw的寬度才能觀察到效果。示波器的波形如圖3-22所示，上方的正脈沖為單穩(wěn)態(tài)電路的輸出，下方為觸發(fā)脈沖。3.2.3555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)電路圖3-21555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路圖3-22555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路示波器波形

1.救護車變音警笛電路

圖3-23所示為模擬救護車變音警笛電路的原理圖。圖中U1、U2都接成自激多諧振蕩的工作方式。其中，U1輸出的方波信號通過R5去控制U2的5腳電平。當(dāng)U1輸出高電平時，由U2組成的多諧振蕩器電路輸出頻率較低的一種音頻；當(dāng)U1輸出低電平時，由U2組成的多諧振蕩器電路輸出頻率較高的另一種音頻。因此，U2的振蕩頻率被U1的輸出電壓調(diào)制成為兩種音頻頻率，使嗽叭發(fā)出“嘀、嘟、嘀、嘟……”與救護車鳴笛聲相似的變音警笛聲。改變R2、C2的值，可改變嘀、嘟的間隔時間；改變R5、C4的值，可改變嘀、嘟聲音的音調(diào)。3.2.4555定時器應(yīng)用電路圖3-23555構(gòu)成的救護車變音警笛電路

2.消防車變音警笛電路

圖3-24所示為模擬消防車變音警笛電路的原理圖。它與救護車變音警笛電路的唯一區(qū)別是U2第5腳的控制電平不是取自U1的輸出3腳，而是經(jīng)過由晶體管Q1接成的射極跟隨器接在U1的2、6腳上，即U2的5腳的控制電平不是“突變”的方波，因而產(chǎn)生“逐漸”變調(diào)的與消防車警笛聲相似的鳴笛效果。改變R2、C2的值，可改變警笛聲的漸變時間；改變R5、C4的值，可改變“漸變”警笛的聲調(diào)，按圖示的阻容參數(shù)，警笛聲的“漸變”時間周期為1秒左右。圖3-24555構(gòu)成的消防車變音警笛電路

1.實驗?zāi)康模?）熟悉門電路邏輯功能；（2）熟悉Proteus中數(shù)字電路調(diào)試工具和儀器的使用。2.實驗器件（1）74LS00(二輸入四與非門)2片；（2）74LS20(四輸入雙與非門)1片；（3）74LS86(二輸入四異或門)1片；（4）74LS04(六反相器)1片。3.3原理驗證型實驗3.3.1門電路邏輯功能及測試

3.預(yù)習(xí)要求（1）復(fù)習(xí)門電路工作原理及相應(yīng)的邏輯表達式；（2）熟記所用集成電芯片各引腳的功能。4.實驗內(nèi)容及步驟1)與非門邏輯功能測試（1）選用雙四輸入與非門74LS20一片，按圖3-25接線，注意實際使用時74LS20一定要接電源和地。

Proteus中所用測試元件清單如表3-2所示。元件名稱所在大類所在子類數(shù)量備注74LS2074LSseriesGates&Inverters1四入雙與非門LOGICSTATEDebuggingTools—4輸入邏輯電平LEDOptoelectronicsLEDs1輸出顯示表3-2Proteus元件清單

(2)將74LS20輸入端按表3-3置位，分別測輸出電壓及邏輯狀態(tài)。輸入輸出12456(Y)電壓(V)HHHHLHHHLLHHLLLHLLLL表3-3測試真值表

2)異或門邏輯功能測試(1)選一片二輸入四異或門集成芯片74LS86，按圖3-26接線，輸入端1、2、4、5接邏輯電平輸入，輸出Y接輸出電平顯示(發(fā)光二極管和直流電壓數(shù))。圖3-26Proteus中74LS86功能測試

(2)將輸入電平按表3-4置位，將結(jié)果填入表中。(A、B點的輸出狀態(tài)可在仿真時觀察3、6端紅、藍電平的變化)。輸入輸出1245ABY電壓(V)LLLLHLLLHHLLHHHLHHHHLHLH表3-4測試真值表

3)邏輯電路的邏輯關(guān)系確定(1)用74LS00按圖3-27接線，通過測試，將輸入輸出邏輯關(guān)系填入表3-5中。

(2)圖3-27中用了兩片74LS00二入與非門，其中U2用作反相器，可以把兩個輸入端短接，也可以一個接高平，另外一個當(dāng)輸入端使用。輸入輸出ABYZLLLHHLHH表3-5邏輯關(guān)系測試真值表

5.實驗報告(1)按以上各步驟的要求填表及畫邏輯電路圖；(2)回答問題：①怎樣判斷門電路邏輯功能是否正常？②與非門一個輸入端連續(xù)脈沖，其余端什么狀態(tài)時允許脈沖通過？什么狀態(tài)時禁止脈沖通過？(用Proteus仿真測試)③異或門又稱可控反相門，為什么？(在Proteus中測試，異或門的一端接高電平，另一端接可變邏輯電平；異或門的一端接低電平，另一端接可變邏輯電平；分別觀察輸出與輸入的關(guān)系)。

1.實驗?zāi)康模?）熟悉集成譯碼器和數(shù)據(jù)選擇器邏輯功能；（2）掌握集成譯碼器和數(shù)據(jù)選擇器的使用方法。2.實驗器件（1）74LS139(二線—四線譯碼器)1片；（2）74LS153(雙四選一數(shù)據(jù)選擇器)1片。3.預(yù)習(xí)要求（1）復(fù)習(xí)譯碼器和數(shù)據(jù)選擇器的工作原理及相應(yīng)的邏輯表達式；（2）熟記74LS139和74LS153各引腳的功能。3.3.2譯碼器和數(shù)據(jù)選擇器4.實驗內(nèi)容及步驟1)譯碼器邏輯功能測試

將74LS139譯碼器按圖3-28接線(注意：實際接線時，9端應(yīng)接地，16端接電源)。按表3-6的輸入邏輯電平分別測試，將對應(yīng)的輸出狀態(tài)填入表中。表3-674LS139邏輯功能測試真值表輸入輸出使能選擇BAHXXLLLLLHLHLLHH2)用譯碼器將雙二線—四線譯碼器擴展為三線—八線譯碼器(1)畫出擴展電路圖，在Proteus中進行仿真。(2)設(shè)計并填寫該三線—八線譯碼器邏輯功能真值表，畫出輸入、輸出波形。3)數(shù)據(jù)選擇器的測試及應(yīng)用(1)將雙四選一數(shù)據(jù)選擇器74LS153按圖3-29接線，測試其邏輯功能。圖3-29Proteus中74LS153邏輯功能測試

圖3-29中沒有顯示電源和地端的接線，其中8端為地，16端為電源。

先令使能端1為高電平，按圖3-29接入邏輯電平，觀察輸出發(fā)光二極管是否亮。再讓1端為低電平，按照表3-7測試74LS153的邏輯功能并填表。輸入輸出使能選擇數(shù)據(jù)10D0D1D2D3YH110001LLLHLLLLLHLHLLLHLLLHLLHHLLLH

(2)從實驗臺脈沖信號源中輸出兩個不同頻率的信號，接到數(shù)據(jù)選擇器的任意兩個數(shù)據(jù)輸入端，分別設(shè)置相應(yīng)的選擇端信號，在輸出端用示波器觀察輸出信號是否與被選擇的數(shù)據(jù)輸入通道信號一致。Proteus中的實驗仿真圖如圖3-30所示。其中D1設(shè)置為1kHz的DCLOCK信號源，D0設(shè)置為500Hz的DCLOCK信號源。(3)分析上述實驗結(jié)果，并總結(jié)數(shù)據(jù)選擇器的作用。圖3-30Proteus中74LS153應(yīng)用電路

5.實驗報告(1)畫出實驗要求的波形圖；(2)畫出實驗步驟(2)要求的接線圖；(3)總結(jié)譯碼器和數(shù)據(jù)選擇器的使用體會。

1.實驗?zāi)康模?）熟悉并掌握基本R-S觸發(fā)器的構(gòu)成、原理和功能測試方法；（2）學(xué)會正確使用觸發(fā)器集成芯片；（3）了解不同邏輯功能的觸發(fā)器相互轉(zhuǎn)換的方法。2.實驗器件（1）74LS00(二輸入四與非門)1片；（2）74LS74(雙D觸發(fā)器)1片；（3）74LS112(雙J-K觸發(fā)器)1片。3.預(yù)習(xí)要求（1）復(fù)習(xí)D觸發(fā)器和J-K觸發(fā)器的工作原理及相應(yīng)的邏輯表達式；（2）熟記74LS74和74LS112各引腳的功能。3.3.3觸發(fā)器

4.實驗內(nèi)容及步驟1)基本R-S觸發(fā)器功能測試

兩個TTL與非門首尾相接構(gòu)成的基本R-S觸發(fā)器的電路如圖3-31所示，其中斜線在繪制時按下“Ctrl”鍵。

(1)按順序在

和

端加信號，觀察并記錄輸出端

Q和

的狀態(tài)，將結(jié)果填入表3-8中，并說明上述各種輸入狀態(tài)下觸發(fā)器執(zhí)行的是什么功能。Q邏輯功能01111011表3-8基本R-S觸發(fā)器的邏輯功能測試真值表

(2)當(dāng)

和

都接低電平時，觀察

Q和

的狀態(tài)；當(dāng)

和

同時由低電平跳為高電平時，注意觀察

Q和

的狀態(tài)，重復(fù)3～5次，看

Q和

的狀態(tài)是否相同，以正確理解RS觸發(fā)器輸出“不定”狀態(tài)的含義。2)維持—阻塞型D觸發(fā)器功能測試

雙D型正邊沿維持—阻塞型觸發(fā)器74LS74的邏輯符號如圖3-32所示。圖中

和

端為異步置位和清零端，CP為時鐘脈沖輸入端。

試按下面的步驟做實驗：

(1)分別在

和

端加低電平，觀察并記錄

和

端的狀態(tài)。(2)令

和

端為高電平，D端分別接高、低電平，用點動脈沖(LOGICSTATE)作為CP，觀察并記錄當(dāng)CP為低電平、上升沿、高電平和下降沿時Q端狀態(tài)的變化。(3)當(dāng)==1，CP=0(或CP=1)時，改變D端信號(LOGICSTATE)，觀察

端的狀態(tài)是否變化。圖3-32Proteus中D觸發(fā)器和J-K觸發(fā)器原理圖

將結(jié)果填入表3-9中。注意

和

是一個輸出端不同時刻的兩個狀態(tài)。CPDQnQn+101XX0110XX0110↑00111↑101110(1)X01(4)令==1，將D和

相連，CP加連續(xù)脈沖(CLOCK)，用雙蹤示波器觀察并記錄Q相對于CP的波形。3)負(fù)邊沿J-K觸發(fā)器功能測試

雙J-K負(fù)邊沿觸發(fā)器74LS112的邏輯符號如圖3-32所示。自擬實驗步驟，測試其邏輯功能，并將結(jié)果填入表3-10中。若J=K=1，CP端加連續(xù)脈沖，用雙蹤示波器觀察Q-CP波形，把D觸發(fā)器的D端與

相連時觀察到的波形相比較，有何異同點？4)觸發(fā)器功能轉(zhuǎn)換(1)將D觸發(fā)器和J-K觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成T觸發(fā)器，列出表達式并畫出實驗電路圖；(2)接入連續(xù)脈沖，觀察各觸發(fā)器CP及Q端波形，比較二者關(guān)系；(3)自擬實驗數(shù)據(jù)表并填寫。

5.實驗報告（1）整理實驗數(shù)據(jù)并填表；（2）寫出實驗內(nèi)容3)、4)的實驗步驟及表達式；（3）畫出實驗4)的電路圖及相應(yīng)的表格；（4）總結(jié)各類觸發(fā)器的特點。

1.實驗?zāi)康模?）掌握移位寄存器的工作原理及電路組成；（2）測試集成芯片74LS194四位雙向移位寄存器的邏輯功能。2.實驗器件（1）74LS74(六D觸發(fā)器)2片；（2）74LS194(四位雙向移位寄存器)1片。3.預(yù)習(xí)要求（1）復(fù)習(xí)移位寄存器的工作原理；（2）熟記74LS194各引腳的功能。3.3.4移位寄存器的功能測試

4.實驗內(nèi)容及步驟1)由D觸發(fā)器。構(gòu)成的單向移位寄存器

右向移位寄存器。按圖3-33接線。CLK接單脈沖，

、

、

D端接相應(yīng)電平。在Proteus中運行仿真，按以下步驟分別單擊改變

、

、D和CLK端的輸入電平。圖3-33Proteus中D觸發(fā)器構(gòu)成的右移寄存器(1)令=1、=0，對四個D觸發(fā)器進行異步清零。

(2)令=1、=1，準(zhǔn)備開始移位。(3)令D=1，CLK=0，單擊CLK端輸入，使其為1，即產(chǎn)生一個上升沿，觀察四個D觸發(fā)器輸出邏輯電平的變化。(4)使CKL回零，令D=0，再次單擊CLK使其為1，觀察四個D觸發(fā)器輸出電平的變化。(5)重復(fù)步驟(4)，直到所有D觸發(fā)器的輸出全部為0。將以上觀察到的結(jié)果填入表3-11中。表3-11右移寄存器功能表CPDQ0Q1Q2Q300000011203040

左向移位寄存器。按照右向移位寄存器的工作原理，自行設(shè)計左向移位寄存器電路并接線實驗，將結(jié)果填入自擬定的表中。請大家先用Proteus仿真，然后再進行實驗。2)測試74LS194的邏輯功能(1)將74LS194插入實驗裝置上16腳集成插座中，注意方向，并鎖緊。(2)按圖3-34接線，測試其邏輯功能。圖3-34Proteus中74LS194的邏輯功能測試

在實驗臺上實驗時，CLK接單脈沖，在Proteus中仿真時，所有輸入端均接邏輯狀態(tài)輸入。根據(jù)工作方式S1、S0的不同取值，雙擊CLK，使其產(chǎn)生一個上升沿，觀察輸出指示是不是和預(yù)想的效果一致。S1S0=00時，其他輸入端可以為任意值，給時鐘一個上升沿，觀察輸出的變化；S1S0=01時，令SR=1，SL=0，給時鐘四個上升沿，觀察輸出的變化；S1S0=10時，檢查使SR=1，SL=0，給時鐘四個上升沿，觀察輸出的變化；S1S0=11時，使D0D1D2D3=0110，給時鐘一個上升沿，觀察輸出的變化。

(3)根據(jù)上述實驗，自己擬定表格，填寫74LS194的邏輯功能表。3)設(shè)計由兩片74LS194組成的八位雙向移位寄存器，在Proteus中畫出原理圖，并進行仿真，測試其邏輯功能。在實驗臺上進行連接并驗證。1.實驗?zāi)康模?）掌握常用時序電路分析、設(shè)計及測試方法；（2）訓(xùn)練獨立組織實施實驗的技能。2.實驗器件（1）74LS73(雙J-K觸發(fā)器)2片；（2）74LS00(二輸入四與非門)1片。3.預(yù)習(xí)要求（1）復(fù)習(xí)異步二進制加減計數(shù)器的連接方法；（2）熟記74LS73各引腳的功能。3.4設(shè)計型實驗3.4.1時序電路

4.實驗內(nèi)容及步驟1)異步二進制計數(shù)器(1)按圖3-35接線，注意J、K端一定要接高電平，不要懸空。

(2)由CP端輸入單脈沖，測試并記錄Q1(最左)～Q4端狀態(tài)及波形。(3)由CP端輸入連續(xù)脈沖(1Hz)，輸出接數(shù)碼顯示，觀察計數(shù)值的變化。(4)試將此異步二進制加法計數(shù)器改接為減法計數(shù)器，重復(fù)以上兩步驟，并做好實驗記錄。

注意：由于四個JK觸發(fā)器J、K端接線一樣，先畫好一個，再復(fù)制塊即可；還可以通過主菜單【View】→【Snap50th】來縮小背景柵格的間距，以便連接；從編輯狀態(tài)回到拾取元件狀態(tài)，可單擊主工具欄內(nèi)的“

”圖標(biāo)。Proteus中元件清單如表3-12所示。

表3-12Proteus元件清單元件名稱所在大類所在子類數(shù)量備注74LS7374LSseriesFlip-Flops&Latches4雙J-K觸發(fā)器LOGICSTATEDebuggingTools—1輸入邏輯電平7SEG-BCDOptoelectronics7-SegmentDisplays1七段數(shù)碼顯示CLOCKSimulatorPrimitivesSources1時鐘

2)異步二—十進制加法計數(shù)器(1)按圖3-36接線，CP端接連續(xù)脈沖，觀察計數(shù)值的變化。圖3-36Proteus中異步十進制加計數(shù)器仿真圖

(2)畫出輸出波形。

在Proteus中利用圖表仿真功能可以自動生成輸出波形。

單擊左邊工具欄內(nèi)的圖表類型按鈕

，在對象選擇區(qū)“GRAPHS”中選“DIGITAL”(數(shù)字波形)項，然后在圖形編輯區(qū)單擊鼠標(biāo)左鍵拖出一個圖表分析框，再次單擊左鍵確認(rèn)。雙擊圖表框空白區(qū)，出現(xiàn)其屬性修改對話框，把橫軸的長度改為10(缺省為秒)。因為本實驗的時鐘周期為1秒，這樣可出現(xiàn)10個周期。

在希望產(chǎn)生波形的電路的各點加上電壓探針，選中工具欄中的電壓探針

，分別把它接在四個JK觸發(fā)器的Q端(圖3-35中自左至右)，并分別命名為Q0、Q1、Q2、Q3，如圖3-36所示。雙擊探針名稱，然后把它們分別拖入圖表分析框，也可以把時鐘CLock拖入。

按“Space”空格鍵即生成相應(yīng)的波形，如圖3-37所示。(3)把圖3-36改成異步十進制減法計數(shù)器，在Proteus中仿真并生成波形圖。圖3-37Proteus中異步十進制加計數(shù)器的圖表仿真5.實驗報告（1）畫出實驗內(nèi)容要求的時序波形并記錄表格；（2）總結(jié)時序電路的特點。

1.實驗?zāi)康模?）熟悉集成計數(shù)器邏輯功能和各控制端的作用；（2）掌握集成計數(shù)器的使用方法。2.實驗器件（1）74LS90(二、五、十進制計數(shù)器)2片；（2）74LS00(二輸入四與非門)1片。3.預(yù)習(xí)要求（1）復(fù)習(xí)74LS90計數(shù)器的工作原理；（2）熟記74LS90各引腳功能。3.4.2集成計數(shù)器4.實驗內(nèi)容及步驟1)74LS90的功能測試74LS90是二、五、十進制異步計數(shù)器。邏輯簡圖如圖3-38所示。圖3-3874LS90簡化邏輯圖

74LS90具有以下功能：（1）直接清零(R01和R02同時為高電平)，直接置9(S91和S92同時為高電平)；（2）一位二進制計數(shù)器(只使用模二模塊，即CP1作外部時鐘，Q0為輸出)；（3）五進制計數(shù)器(只使用模五模塊，即CP2作外部時鐘，Q3、Q2、Q1為輸出)；（4）十進制計數(shù)器(把模二和模五模塊通過CP2和Q0連接起來，CP1作外部時鐘，Q3、Q2、Q1、Q0為輸出)。

74LS90作為十進制計數(shù)器時有兩種接法，如圖3-39所示。圖3-39Proteus中74LS90兩種十進制接線圖

按芯片引腳圖測試74LS90的邏輯功能并填入表3-13中。R0(1)

R0(2)R9(1)R9(2)Q0

Q1

Q2

Q3HHLXHHXLLXHHXLHHXLXLLXLXLXXLXLLX表3-1374LS90邏輯功能表

圖3-39中，左圖計數(shù)為0～9，右圖又叫雙五進制計數(shù)器，計數(shù)先是0、2、4、6、8，再為1、3、5、7、9。請在Proteus中仿真并分析原因。

按圖3-39接線，使用單脈沖或連續(xù)脈沖進行實驗，并把表3-14填寫完整。表3-1474LS90十進制計數(shù)器邏輯功能表十進制雙五進制計數(shù)輸出計數(shù)輸出Q3

Q2

Q1

Q0Q3

Q2

Q1

Q000112233445566778899

2)計數(shù)器連接分別用兩片74LS90計數(shù)器級連接成兩位五進制、十進制計數(shù)器。在Proteus中畫出電路原理圖并仿真，驗證設(shè)計的正確性。3)任意進制計數(shù)器設(shè)計(1)用一片74LS90和一片74LS00設(shè)計一個任意進制計數(shù)器(6、7、8、9)，并接線驗證，可以用清零法或置九法。圖3-40是在Proteus中分別用清零法和置九法設(shè)計的六進制計數(shù)器，請讀者模仿出設(shè)計其他進制的計數(shù)器。

(a)清零法(b)置九法

圖3-40Proteus中用74LS90設(shè)計的六進制計數(shù)器

(2)用兩片74LS90和一片74LS00設(shè)計一個四十五進制計數(shù)器，并接線驗證。

圖3-41是在Proteus中用清零法設(shè)計的五十四進制計數(shù)器原理圖，采用異步連接，請大家分析并設(shè)計四十五進制或其他進制(11～99)計數(shù)器。

5.實驗報告（1）整理實驗內(nèi)容和各實驗數(shù)據(jù)；（2）畫出實驗內(nèi)容(2)、(3)所要求的電路圖并填寫相關(guān)表格。

3.5創(chuàng)新型實驗(Proteus層次電路設(shè)計)投票表決系統(tǒng)的設(shè)計與仿真1.實驗?zāi)康模?）掌握加法器和顯示譯碼器的使用；（2）掌握Proteus層次原理圖的設(shè)計。2.預(yù)習(xí)要求（1）復(fù)習(xí)半加器和全加器電路原理以及四位并行加法器的工作原理；（2）學(xué)習(xí)Proteus中層次原理圖的基本設(shè)計方法；寫出預(yù)習(xí)報告。

3.實驗任務(wù)

在Proteus中設(shè)計一個有六人參與的投票表決系統(tǒng)：每人手持一個開關(guān)，可以選擇“Yes”、“No”和“棄權(quán)”。投票系統(tǒng)能自動統(tǒng)計并顯示選擇“Yes”的票數(shù)和選擇“No”的票數(shù)。在Proteus中設(shè)計電路原理圖并仿真。

4.實驗步驟1)設(shè)計分析

每人一個三位開關(guān)，共六個。因為開關(guān)為布爾量，不能輸入到四位并行加法器(有權(quán)值)中，只能接到一位二進制加法器。為了使用盡可能少的加法器，這里使用全加器，每個全加器的A、B及CI都可作為獨立的輸入，之間沒有權(quán)值關(guān)系。把前三人的贊同選擇開關(guān)接到第一個全加器的輸入端，把后三個人的贊同選擇開關(guān)接到第二個全加器的輸入端。把六個人的反對選擇開關(guān)分別接到第三和第四個全加器的輸入端。棄權(quán)開關(guān)什么也不連接，即不作加計算

每個全加器的輸出S和CO都具有21權(quán)值關(guān)系，可以作為四位并行加法器的輸入。前兩個全加器的結(jié)果進第一個四位并行加法器，后兩個全加器的結(jié)果進第二個四位并行加法器。

四位并行加法器的輸入高兩位不用，接地，即為0。故第一個并行加法器加出來的結(jié)果為贊同票，第二個并行加法器加出來的結(jié)果為反對票。

兩個四位并行加法器的輸出分別接74LS47，即低電平有效的BCD到七段顯示譯碼器，顯示譯碼器的輸入端高位D接地2)電路設(shè)計在Proteus中畫出電路原理圖。全加器的輸入端為了得到可靠的電平，必須在每個一開關(guān)兩端接適當(dāng)?shù)碾娮柚?，并接電源和地。接地電阻?0kΩ，共12個，接電源電阻為500Ω，只有一個。Proteus中系統(tǒng)元件清單如表3-15所示。表3-15Proteus中系統(tǒng)元件清單元件名稱所在大類所在子類數(shù)量備注SW-ROT-3SwitchesandrelaysSwitches6三位開關(guān)74LS28374LSSeriesAdders2四位并行加法器74LS4774LSSeriesDecoders&Encoders2顯示譯碼器7SEG-COM-ANODEOptoelectronics7-SegmentDisplays2共陽極數(shù)碼顯示74LS13874LSSeriesAdders4全加器RESResistorsGeneric13電阻500Ω(1)，1kΩ(12)

3)層次原理圖設(shè)計

在Proteus中發(fā)現(xiàn)全加器74LS138沒有仿真模型。為此，利用層次原理圖的設(shè)計方法，設(shè)計一個全加器74LS138'。

在Proteus中單擊子電路模式圖標(biāo)

，在圖形編輯區(qū)拖出一個大小合適的矩形，并命名。在對象選擇器中選擇“INPUT”，并在矩形框的左邊框線上單擊三次，生成三個輸入端。然后在對象選擇器中選擇“OUTPUT”，并在矩形框的右邊單擊兩次，生成兩個輸出端。分別雙擊這些端子，對其進行命名，生成全加器的父電路，如圖3-42所示。圖3-42全加器的父電路

右鍵單擊圖3-42圖中全加器的矩形空白區(qū)，出現(xiàn)右鍵菜單，選擇“GotoChildSheet”，即轉(zhuǎn)到全加器的子電路，此時自動打開一個新的繪圖畫面，按圖3-43畫好全加器的子電路，使輸入與輸出的引腳名與父電路保持完全一致。

單擊存盤按鈕，不用另起名字。在圖形的空白區(qū)單擊右鍵，選擇右鍵菜單中的“ExitParentSheet”，即返回到父電路。最后，把所有元件按以上分析連接成如圖3-44所示的系統(tǒng)電路。

注意到四個全加器的各子電路中的元件代號各不相同，且與上層電路中的元件代號亦不相同。

圖3-44中，左下方電阻與電路的連接采用的是網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號形式(R1～R12)，標(biāo)有同一網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(Label)的兩根線被視為連接在一起。圖3-44投票表決系統(tǒng)電路原理圖

4)系統(tǒng)仿真

在Proteus中運行仿真，使第一個開關(guān)不動作，即選擇“棄權(quán)”，第四個開關(guān)位于下方，即選擇“No”，其他四個開關(guān)都位于上方，即選擇“Yes”。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)顯示的票數(shù)與選擇開關(guān)一致。5.實驗報告（1）設(shè)計全加器74LS138'的層次原理圖；（2）打印出Proteus中系統(tǒng)原理仿真圖和仿真結(jié)果。

3.6綜合型實驗3.6.1多路顯示系統(tǒng)設(shè)計與仿真1.實驗?zāi)康模?）熟練掌握數(shù)據(jù)選擇器、譯碼器和七段數(shù)碼顯示器的使用；（2）掌握多路數(shù)據(jù)傳送和顯示時的分時傳送和顯示電路設(shè)計技巧。2.實驗器件（1）74LS157(四個二選一數(shù)據(jù)選擇器)1片；（2）74LS48(BCD—七段顯示譯碼器)1片；（3）74LS139(雙二一四譯碼器)1片；（4）共陰極數(shù)碼管2個。

3.預(yù)習(xí)要求（1）復(fù)習(xí)數(shù)據(jù)選擇器、譯碼器工作原理及相應(yīng)的邏輯表達式；（2）復(fù)習(xí)共陰極和共陽極數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各段顯示與對應(yīng)的輸入信號之間的關(guān)系。4.實驗任務(wù)和步驟

設(shè)計一個多路數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)，要求把兩位十進制(BCD碼)數(shù)據(jù)從甲地傳送到乙地，并顯示出來。設(shè)計的電路應(yīng)盡可能少地使用元器件，即不能多于前面列舉的實驗器件數(shù)目，并在Proteus中進行電路仿真。

1)系統(tǒng)設(shè)計分析

此課題把組合邏輯電路中常用的數(shù)據(jù)選擇器、二進制譯碼器、顯示譯碼器及數(shù)碼顯示器綜合運用在一起，是以后其他綜合電路設(shè)計中的一個基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。

首先看系統(tǒng)的輸入，兩位十進制數(shù)用BCD碼來表示，共需8根線。因為只有一片顯示譯碼器，即只能接收4根數(shù)據(jù)線，故輸入的8根線要使用四個二選一數(shù)據(jù)選擇器分時傳送兩個BCD碼十進制數(shù)，如先傳送個位，再傳送十位，或相反。

74LS157正是一個具有四個二選一功能的數(shù)據(jù)選擇器，使它的每個選擇器的數(shù)據(jù)輸入D0接十進制數(shù)的個位(四位BCD碼)，每個數(shù)據(jù)選擇器的數(shù)據(jù)輸入D1接十進制數(shù)的十位(四位BCD碼)，通過把74LS157的G1端置0或置1來選擇四個數(shù)據(jù)選擇器的D0或D1，且同時輸送到相應(yīng)的四個輸出端上，從而實現(xiàn)分時傳送的目的。因為人的肉眼分辨率的問題，74LS157的G1端(即四個數(shù)據(jù)選擇器的公共地址)應(yīng)該是一個連續(xù)脈沖，頻率設(shè)為30Hz左右比較合適。

從數(shù)據(jù)選擇器輸出的一位十進制數(shù)(BCD碼)，按從低到高依次接到顯示譯碼器74LS48的A、B、C、D輸入端。74LS48接收正編碼信號，輸出負(fù)邏輯電平有效信號，故它的七個輸出端應(yīng)接共陰極數(shù)碼管。74LS48的三個功能端都是低電平有效，這里都接高電平，使其功能不起作用。

現(xiàn)在考慮一個顯示譯碼器驅(qū)動兩塊數(shù)碼管問題。因為是分時傳送來的數(shù)據(jù)，所以兩塊數(shù)碼管并接在74LS48的輸出端上。通過共陰極端來選擇哪個數(shù)碼管應(yīng)該有效。當(dāng)傳送個位時，應(yīng)該點亮右邊的一個數(shù)碼管，使其共陰極端為低電平；當(dāng)傳送來的數(shù)據(jù)為十位時，應(yīng)該點亮左邊的數(shù)碼管，使其共陰極端為低電平。這樣就需要有一個連續(xù)的脈沖信號，來交替選中兩個數(shù)碼管的共陰極。這個信號的頻率應(yīng)該與數(shù)據(jù)選擇器的G1端信號頻率一致，且相序正好相反。故這里使用一個74LS139二—四譯碼器，把它當(dāng)作一個一線到二線譯碼器來使用，把它的輸入高位B接地，輸入低位A接G1。當(dāng)G1為0時，74LS139的Y0輸出為0，選中個位的數(shù)碼管，這時正好傳送來的數(shù)是十進制數(shù)的個位；當(dāng)G1為1時，74LS139的Y1輸出為0，選中十位的數(shù)碼管，這時正好傳送來的數(shù)是十進制數(shù)的十位。這樣就實現(xiàn)了系統(tǒng)原來的設(shè)計要求。

2)原理圖設(shè)計與仿真

根據(jù)以上分析，在Proteus中畫出系統(tǒng)的原理圖及仿真結(jié)果分別如圖3-45和圖3-46所示。要注意數(shù)碼管接線時放置了網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(a、b、c、d、e、f、g)，否則必須連接在一起。圖3-45Proteus中系統(tǒng)原理圖與仿真結(jié)果(一)

在圖3-45中，把十進制數(shù)的個位A3、A2、A1、A0設(shè)為0100，十位B3、B2、B1、B0設(shè)為0111，即要傳送一個為74的十進制數(shù)。從Proteus的信號源中取出DCLOCK連續(xù)脈沖信號，按如圖3-46所示接在G1端，并雙擊得使用頻率改為30(缺省為Hz)。圖3-46Proteus中時鐘信號的拾取

按圖接好電路，按仿真運行按鈕，我們看到的是兩個數(shù)同時顯示，只是有閃爍，事實上，同一時間只有一個數(shù)碼管在顯示。顯示完個位，顯示十位，如圖3-45和圖3-47所示，這樣交替進行，因為頻率是30Hz，因此每秒鐘交替顯示30次。圖3-47Proteus中系統(tǒng)原理圖與仿真結(jié)果(二)

3)實驗接線與驗證（1）在Proteus中得到正確的仿真結(jié)果后，進實驗室接線并調(diào)試，以鍛煉自己的實際操作動手能力和排查電路故障的能力。5.實驗報告寫出系統(tǒng)設(shè)計分析過程；（1）貼上Proteus中系統(tǒng)仿真圖；（2）寫出系統(tǒng)設(shè)計調(diào)試過程存在的問題及解決思路；（3）總結(jié)系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗。

1.實驗?zāi)康模?）熟練掌握ADC0808和DAC0832的使用方法。2.實驗器件（1）ADC0808(八位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器)1片；（2）DAC0832(數(shù)/模轉(zhuǎn)換器)1片；（3）74LS161(四位二進計數(shù)器)1片；（4）LM324(四運放)1片；（5）滑動變阻器(1～10kΩ)及200Ω電阻各1個。3.預(yù)習(xí)要求（1）熟悉ADC0808及DAC0832的工作原理；（2）熟記ADC0808及DAC0832的引腳功能。3.6.2ADC0808和DAC0832的應(yīng)用設(shè)計與仿真

4.實驗內(nèi)容及步驟1)ADC0808功能測試與仿真ADC0808是CMOS器件，不僅包含一個8位的逐次逼近型ADC部分，而且還提供一個8通道的模擬多路開關(guān)和通道尋址邏輯，因而有理由把它作為簡單的“數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”。利用它可直接輸入8個單端的模擬信號分時進行A/D轉(zhuǎn)換，在多點巡回檢測和過程控制、運動控制中應(yīng)用十分廣泛。在Proteus中完成對模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0808功能測試，然后接線進行實際實驗。

照圖3-48連線(圖中ADC0808元件做了左右、上下鏡像處理)，在模擬輸入通道6接一0～5V的可調(diào)輸入電壓，并接直流電壓表進行測量。通道選擇地址CBA設(shè)為110且可調(diào)整，以和輸入通道的變化相對應(yīng)。ALE接高電平。圖3-48Proteus中ADC0808功能測試仿真圖

轉(zhuǎn)換時鐘設(shè)為100kHz(芯片需求)，啟動轉(zhuǎn)換信號START，用一個輸入邏輯狀態(tài)來手動產(chǎn)生一個上升沿，即把該輸入電平從0變?yōu)?可啟動一次A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC自動變?yōu)楦唠?/p>