數(shù)電門電路組合邏輯

一、實驗?zāi)康?/p>

（1）掌握TTL和CMOS器件的靜態(tài)特性和動態(tài)特性測量方法及這些特性對數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計

的影響；

（2）掌握通過數(shù)字器件手冊查看器件靜態(tài)和動態(tài)特性參數(shù)；

（3）掌握不同結(jié)構(gòu)的數(shù)字器件之間的互連；

（4）掌握OC門和三態(tài)門的特性和使用方法；

（5）加深示波器測量技術(shù)的訓(xùn)練：

（6）掌握小規(guī)模組合邏輯的工程設(shè)計方法；

（7）了解競爭和冒險的產(chǎn)生原因，消除方法，掌握用示波器和邏輯分析捕捉毛刺的方法。

二、實驗儀器

儀器名稱型號

實驗箱YB3262型

直流穩(wěn)壓器DF1701S型

數(shù)字合成函數(shù)/任意波信號發(fā)生器/計數(shù)器F05A型

數(shù)字示波器TDS1OO1型

數(shù)字萬用表UT803型

芯片74HC01>74LS244.74HC00、74HC04

三、實驗原理

實驗原理見教材第2章。

預(yù)習(xí)思考題如下：

1、下圖中的兩個電路在實際工程中經(jīng)常用到，其中反相器為74LS04,電路中的電阻起

到了保證輸出電平的作用。分析電路原理，并根據(jù)器件的直流特性計算電阻值的取值范圍。

(a)(b)

答：①電路（a）使用條件是驅(qū)動門電路固定輸出為低電平

當V=V〃時，如果有N個負載門且N>20,將使而/>/〃max將

使％L>%Lmax，所以需如圖心）所示接下拉電阻R。

，2&<^OLmax

('IILmax"-，O2max)R—^OLmax.

V()SVN=30

R<---------------------------------=7——：~r—=125。

叫”3max(。4心8MA

②電路(b)使用條件是驅(qū)動門電路固定輸出為高電平

當丫=%”時，如果有N個負載門且N>20,將使而

將使％所以需如圖?。┧窘由侠娮鑂。

5V-I2R>VOHmin

5"-(N//“max—/o"max)E—^OHn

min

5V-%H*.(5-2.7)VN=30

R<—：=11.5k。

(0.02N—0.4>"A

NI1Hmax10/7max

2、下圖中的電阻起到了限制前一級輸出電流的作用，根據(jù)器件的直流特性計算電阻值

的取值范圍。

,N個

答：R的作用是限制驅(qū)動電流，驅(qū)動電流長時間超出手冊上規(guī)定的正常數(shù)據(jù)，易引起器件性

能不穩(wěn)定。

即/=VoHmin-匕"min

①當V=時，要求可得

R

27V-2V

R>"oHmin-VIHmin―—―=1.75K1

OHmaxOAmA

②當丫=%2時，要求/'4/dmax，即/'=%吒匕叵</dmax，可得

K

匕/-max-“OLmax（W—0.5V

R>=375Q

,OLmaxSmA

故RN1.75AQ

3、圖2.4.1用上拉電阻抬高輸出電平中，R的取值必須根據(jù)器件的靜態(tài)直流特性來計

算，試計算R的取值范圍。

圖2.4.1用上拉電阻抬高輸出電平

答：由于74或74LSTTL的V°Hmin值小于4000/74HC的ViHmin值，所以在TTL輸出端和

Vcc之間接一個上拉電阻，以提高TTL的輸出高電平。

①當丫=匕汨時，各支路電流分別為/、4和乙。

要求V2V/Wmin（4007、74HC04）=3.5V,即

5V-IR>3.5V

而/《/出max（4007、74"C04）=0.1MA,可得

5V-3.5V

R<=15MQ

0.iuA

②當V=%z時，各支路電流分別為/、/；和

要求=I+I2<lOLmM，即

5V-V.

----------------O--I-+124/rOLmax

/ULHl<IA

c5V-V.

R>---------"o

I-1

1OLmax12

l\<//Lmax（4007^74HC04）=0.1MA

i對于7404芯片，VOLmax=0.4V,/OLmax=16/M,可得

R>287.5Q

ii對于74LS04芯片，Votmax=0.5V,IOLmaK=SniA,可得

R>562.5Q

綜上所述，R的取值范圍如下：

7404：287.5Q</?<15MQ.

74LS04：562.5Q</?<15A7Q

4、圖2.4.3(a)中OC外接上拉電阻的值必須取的合適，試計算在這個電路中R的取值范

圍。

33

(a)OC門做驅(qū)動

答:運用書52頁Rc的數(shù)值計算公式。

R=

/VCmax

"ICEO+NJ](J

p_Ec-%〃皿

Cmin

—7-N-i

1OZ.max2V1IL.

①OC門用7401實現(xiàn)

_4~~VoHmin10V-7V

°Cmax=i2.ozn

CEO+N*1IH1x250MA+1XO.IMA

Ec-Votmax10V-04V

“Cmin--------——=600Q

dmax-N?//16mA-0.1wA

②OC門用74LS01實現(xiàn)

紇-匕…一10展7V

〃/CEO+N'1/H1X50“A+1X0.1〃A

=J=10V-05V=12m

Rfmin

lf)Lmax-N』L8/M-1X0.UA'

5、下圖中A、B、C三個信號經(jīng)過不同的傳輸路徑傳送到與門的輸入端，其中計數(shù)器

為順序循環(huán)計數(shù)，即從000順序計到111,C為高位，A為低位。A、B、C的傳輸延分別為

9.5nS、7.1nS和2nS。試分析這個電路在哪些情況下會出現(xiàn)競爭一冒險，產(chǎn)生的毛刺寬度分

別是多少。

A9.5ns

nnn&

B7.1nS

C2nS

答：與非門，有低出高，全高出低。上圖所示原理圖對應(yīng)的真值表為:

cBAY

0001

0011

0101

0111

1001

1011

1101

1110

計數(shù)器為順序循環(huán)計數(shù)，CBA的狀態(tài)變化為OOOfOOlfOlO—Oil-10()f101f110f

111-*000

①CBA的狀態(tài)000-001-010—011、100-101、110—111-000的變化過程中無競爭

一冒險。

②CBA的狀態(tài)011->100的過程中,

時刻to：C開始從“0”變向到“1”，與非門輸出Y為“1”；

時刻Zo+2n5:CBA的狀態(tài)為111,與非門輸出Y變?yōu)椤?”；

時亥ho+7./"S：CBA的狀態(tài)為101,與非門輸出Y變?yōu)椤?”；

時刻fo+9.5〃s：CBA的狀態(tài)為100,與非門輸出Y仍為"1”；

毛刺寬度為5.1ns。

③CBA的狀態(tài)101f110的過程中,

時刻to：B開始從“0”變向到“1”，與非門輸出Y為“1”；

時刻7.Ins：CBA的狀態(tài)為111,與非門輸出Y變?yōu)椤?”；

時刻tn+9.5ns：CBA的狀態(tài)為110,與非門輸出Y變?yōu)椤?”；

毛刺寬度為2.4ns。

四、實驗內(nèi)容

1.用0C門實現(xiàn)三路信號分時傳送的總線結(jié)構(gòu)

a.用0C門實現(xiàn)三路信號分時傳送的總線結(jié)構(gòu)，框圖如圖255所示，功能如表2.5.2

所示。(注意0C門必須外接負載電阻和電源，Ec取5V)

表2.5.2設(shè)計要求的邏輯功能

D2——

A2控制輸入輸出

待

設(shè)Y

計AA,Ao

DI——2

Ai電

路001Do

010D,

Do——

Ao100D2

圖255三路分時總線原理框圖

①查詢相關(guān)器件的數(shù)據(jù)手冊，計算OC門外接負載電阻的取值范圍，選擇適中的電阻

值，連接電路。

②靜態(tài)驗證：控制輸入和數(shù)據(jù)輸入端加高低電平，用電壓表測量輸出高低電平的電壓

值，注意測量A2A|Ao=OOO時的輸出值。

③動態(tài)驗證：控制輸入加高低電平，數(shù)據(jù)輸入端加連續(xù)脈沖信號，用示波器雙蹤顯示

輸入和輸出波形，測量波形的峰峰值、高電平電壓和低電平電壓，對結(jié)果進行分析

并解釋為什么要選擇“DC”。

④器件電源電壓Vcc仍為5V,將Ec改為10V,重復(fù)①和②，分析兩者的差別。注意，

不要直接將Vcc改為10V,避免燒毀器件。

b.實驗數(shù)據(jù)

①計算R取值范圍時，以該三路分時傳送總線電路驅(qū)動8個74LS04中的反相器

來計算。

HD74HC01

DCCharacteristics

Ta=-40to

Ta=25C+85℃

ItemSymbolVcc(V)MinTypMaxMinMaxUnitTestConditions

InputvoltageV,H2.01.5——1.5—V

4.53.15——3.15—

6.04.2——4.2—

V]2.0——0.5—0.5V

4.5——1.35—1.35

6.0——1.8—1.8

Outputvoltage2.0—0.00.1一0.1VVin=VorV1=20gA

VOLIHIL0c

4.5—0.00.1—0.1

6.0—0.00.1一0.1

4.5——0.26—0.33lot=4mA

6.0——0.26—0.33IQL=5.2mA

Off-stateoutputlo(off)6.0——±0.5—±5.0Vin=V1HorV1L,

currentVout=VccorGND

Inputcurrentlin6.0——±0.1—±1.0Vin=VccorGND

Quiescentsupply6.0———1.0—10Vin=VccorGND,lout=0pA

current

SN74LS04

SN54LS04SN74LS04

UNIT

MINNOMMAXMINNOMMAX

VccSupplyvoltage4.555.54.7555.25V

V|HHigh-levelinputvoltage22V

V|LLow-levelinputvoltage070.8V

lOHHigh-leveloutputcurrent-0.4-0.4mA

(OLLow-teveloutputcurrent48mA

TAOperatingfree-airtemperature-55125070℃

SN54LS04SN74LS04

PARAMETERTESTCONDmONStUNIT

MINTYPtMAXMINTYPtMAX

V|KVCC=MIN,I|=-18mA-1.5-1.5V

VOHVcc=MIN.V|L=MAX,IQH=r4mA2.53.42.73.4V

lot=4mA0.250.40.4

VOLv=MIN.V|H=2V

cc=8mA0.250.5

hVcc=MAX,V|=7V0.10.1mA

>IHVCC=MAX.V|=2.7V2020“A

hLVCC=MAX.V|=0.4V-0.4-0.4mA

los§VCC=MAX-20-100-20-100mA

ICCHVCC=MAX.V|=0V1.22.41.22.4mA

?CCLVCC=MAX.V|=4.5V3.66.63.66.6mA

74HC01

1CEO=0.5uA

?max=026V

/.max=5.2〃?A

i總線電路驅(qū)動8個74LS04中的反相器時,

VOWmin（74//C01）＞V///min（74AS04）=2V

11總線電路不接負載時,

f4.9V?=5V)

(￡c=iov)

74LS04

小=2V

Gmax=20〃A

//max=04"?A

EC=5V

3

E〈'一=-------------5-2---------=18.6xlO(Q)

-6-6

nICEO+N'LH3XO.5XIO+8x2OxlO

Ec-________5-0.26________237x

/.max-N?/〃5.2x10-3—8x0.4X10-3-

此處設(shè)計電路中OC門所驅(qū)動負載門個數(shù)為0,故

E('-%Hmin5-4.9=66.7X1()3(。)

Rcmax3x0.5x10-6

〃【CEO+N，I[H

E0-%￡max5-0.26

Rfmin=911.5(0)

1OLmmx—NTIL5.2x10-3

選取R=2&。o

c

用OC門實現(xiàn)的三路信號分時傳送的總線結(jié)構(gòu)電路圖如下圖所示。按下圖連接電路。

Ec

②靜態(tài)驗證

Ec=4.845V時，控制輸入和數(shù)據(jù)輸入端加高低電平，輸出高低電平的電壓值如下表

所示。

控制輸入數(shù)據(jù)輸入

輸出Y

A2AiAoD2DiDo

001XX000.276V

001XX114.842V

010X0X00.278V

010X1X14.843V

1000XX00.245V

1001XX14.842V

000XXX14.843V

由上表可知，單一控制輸入端加高電平時，總線輸出電平與數(shù)據(jù)輸入端的輸入相符?？?/p>

制輸入端A2AIAO=OOO時的輸出值為4.843V,接近于所接于外電源電壓。

③動態(tài)驗證

控制輸入數(shù)據(jù)輸入

輸出Y

A2A,AoDoDiDo

001XXjin_nn

——

010XX

nn——

100nnXX

波形參數(shù)如下:

頻率/KHz峰-峰值/V高電平/V低電平/V

輸入波形1.0005.205.200.00

輸出波形1.0005.005.000.00

我們選擇DC輸入耦合方式，是因為所觀測的IKHz的TTL連續(xù)脈沖信號，含有直流

分量。若選擇AC輸入耦合方式，信號中的直流分量被隔開而只能觀測到交流成分。觀測數(shù)

字信號必須選用DC輸入耦合方式。

④器件電源電壓Vcc仍為5V,將品改為10V。

Ec=10V

EcHmin=________________10-2=49.5x吸。)

nJ。+-3X0.5X10-6+8x20X10-6

%-小I。-。/=4.87xIO?g)

Rcmin

33

QmL5.2X10--8X0.4X10-

此處設(shè)計電路中OC門所驅(qū)動負載門個數(shù)為0,故

10-9.9

RfmaxE＜，-%Hmin3

3x0.5x10-6=66.7X10(Q)

“1CEO+NIH

。10-0.26

RfminEcI1Ma,=1.87X1()3(Q)

Lmax—N"〃5.2X10-3

選取Rc=2A。o

々.=9.95V時，控制輸入和數(shù)據(jù)輸入端加高低電平，輸出高低電平的電壓值如下表所

不o

控制輸入數(shù)據(jù)輸入

輸出Y

A2AiAoD2DiDo

001XX000.327V

001XX119.94V

010X0X00.329V

010X1X19.94V

1000XX00.326V

1001XX19.94V

000XXX19.94V

將上述結(jié)果與內(nèi)容②比較可知，輸出Y的高低電平電壓均有所提高。其中，高電平仍

為接近Ec。石。增大使得0C門等效的低電平輸出電阻上的壓降增大，從而輸出低電平比

Ec=5V時有所提高。

2.用三態(tài)門實現(xiàn)三路信號分時傳輸

a.要求：用三態(tài)門實現(xiàn)實驗內(nèi)容7中的三路信號分時傳輸

①重復(fù)實驗內(nèi)容7中的②和③，注意不要同時將兩個或兩個以上的三態(tài)門的控制端處

于使能狀態(tài)。

②將A2A1A0設(shè)為“000”，D2D1D0設(shè)為“111”，此時輸出端為高阻狀態(tài)，測量輸出端

電壓值，總結(jié)如何用萬用表判斷高阻態(tài)。

b.實驗數(shù)據(jù)

用三態(tài)門實現(xiàn)三路信號分時傳送的總線結(jié)構(gòu)電路圖如下圖所示。按下圖連接電路。

TV&

匹——(V—

Di----------&

VY

A.——?

&

n八

—

匹——[V

①靜態(tài)驗證

控制輸入和數(shù)據(jù)輸入端加高低電平，輸出高低電平的電壓值如下表所示。

控制輸入數(shù)據(jù)輸入

輸出Y

A2AiAoD2D,Do

001XX000.00IV

001XX114.834V

010X0X00.000V

010X1X14.835V

1000XX00.000V

1001XX14.834V

000XXX10.266V

將A2A1A0設(shè)為“000”,DzDQo設(shè)為“111”，此時輸出端為高阻狀態(tài)，測量輸出端電壓

值為0.266V,

如何用萬用表判斷高阻態(tài)？

答：將A2A1A0設(shè)為“000”，數(shù)據(jù)輸入端無論是輸入高電平還是低電平，用UT8O3型數(shù)

字萬用表測得的輸出端電壓沒有變化，均為略高于低電平電壓，則此時輸出端為高阻狀態(tài)。

②動態(tài)驗證

控制輸入數(shù)據(jù)輸入

輸出Y

AiA,AoDoDiDo——

001XXnn——

010XnnX—1—

100nnXX

波形參數(shù)如下:

頻率/KHz峰-峰值/V高電平/V低電平/V

輸入波形1.0005.125.120.00

輸出波形1.0004.965.000.04

3.數(shù)值判別電路

a.實驗要求

①設(shè)計一個組合邏輯電路，它接收一位842出?口碼8382830，僅當2VB3B2BIBO<7

時輸出Y才為lo

②設(shè)計一個組合邏輯電路，它接收4位2進制數(shù)B3B2B1B0,僅當2VB3B2B|Bo<7時

輸出Y才為1?

b.設(shè)計方案

方案一：

先由卡諾圖化簡可得出輸出最簡與或表達式，然后由此轉(zhuǎn)換與非門表達式，得到邏

輯圖。

①8421BCD碼B3B2B1B0

8421BCD碼只能代表0~9這10個值。其余為任意項，可根據(jù)電路簡化的要求任意

確定其值為1或0。

=B2BiB2BOB2B{BO

(a)卡諾圖化簡及轉(zhuǎn)換

(b)邏輯圖

②4位2進制數(shù)B3B2B1B0

4位2進制數(shù)可以代表0~15這16個值。

0

00011110

000

01(1)_00CT

110000

100000

Y2=B3B2B0+B3B2B]+B3B2BtB0

B3B2BO-B3B2Bi-B3B2BlB0

(a)卡諾圖化簡及轉(zhuǎn)換

B3

B2-

BO

BS

B2

Bl

B3

B2

Bl

BO

(b)邏輯圖

方案二：

對最簡與或表達式進一步轉(zhuǎn)換，可得由與非門以及異或門實現(xiàn)的邏輯圖。

乂=B)B1+B)綜+B)B[B。

=31+8。)+J耳BQ

=B2B、BO+B2B[B。

=B2@B。

L=瓦他瓦+當瓦+瓦片綜)

=瓦片=員百

(a)表達式轉(zhuǎn)換

舄

(b)邏輯圖

C.實驗數(shù)據(jù)

搭接8421BCD碼數(shù)值判別電路，進行靜態(tài)驗證，測試結(jié)果如下:

B3B2BiBoYiB3B2BiBoYi

0000010000

0001010010

0010010100

0011110111

0100111001

0101111011

0110111101

0111011110

搭接4位2進制數(shù)數(shù)值判別電路，進行靜態(tài)驗證，測試結(jié)果如下:

B3B2BiBoY2B3B2BiBoY2

0000010000

0001010010

0010010100

0011110110

0100111000

0101111010

0110111100

0111011110

d.數(shù)據(jù)分析

經(jīng)驗證，8421BCD碼與4位2進制數(shù)數(shù)值判別電路測試結(jié)果均與理論真值表相符，達

到設(shè)計要求。

4.某停車場有一個交通控制系統(tǒng)，控制入口處的3個車道，如圖2.10.1所示。這三個車道

分別為“左車道”、“右車道”和“VIP車道”。每個車道有一個信號燈，紅燈禁止通行，

綠燈允許通行，任何時候只能有一個通道是綠燈。每個車道有一個傳感器，用來監(jiān)測是

否有車通過，另外還有一個時間控制信號用于控制車道循環(huán)。整個控制規(guī)則如下：當

VIP車道有車時，該車道信號燈變?yōu)榫G燈；當VIP車道沒有車且右車道也沒有車時，

左車道信號燈變?yōu)榫G燈；當VIP車道沒有車且左車道也沒有車時，右車道信號燈變?yōu)?/p>

綠燈；當VIP車道沒有車，但左、右車道都有車時，由時間控制信號控制左右車道輪

流通行；

停車場

入口

左車道右車道

VIP

車道

圖2.10.1停車場控制系統(tǒng)示意

a.實驗要求

①根據(jù)設(shè)計要求進行方案分析，確定輸入、輸出變量，列出真值表；

②用最少數(shù)量的與非門（7400或7420）實現(xiàn)設(shè)計，畫出邏輯圖；

③搭試電路，進行靜態(tài)驗證，記錄測試結(jié)果?？梢杂冒l(fā)光二極管的亮和暗來指示信號

燈的值。

b.設(shè)計方案及實驗數(shù)據(jù)

方案一：

輸入變量輸出變量

B2=l代表VIP車道有車丫2=1代表VIP車道信號燈為紅燈

B）=1代表左車道有車Yi=l代表左車道信號燈為紅燈

Bo-1代表右車道有車Yo=l代表右車道信號燈為紅燈

C=1代表時間控制信號使左車道通行

c=o代表時間控制信號使右車道通行

先由卡諾圖化簡可得出輸出最簡與或表達式，然后由此轉(zhuǎn)換與非門表達式，得到邏

丫2=4

(a)卡諾圖化簡及轉(zhuǎn)換

瓦-------------------------------------------------空

6------------------------------------------------------------Y2

(b)邏輯圖

按邏輯圖搭接電路，其中丫2、X、丫0分別接VIP車道、左車道以及右車道對應(yīng)的

紅色LED指示燈；右、匕、不分別接VIP車道、左車道以及右車道對應(yīng)的綠色LED指示

燈。進行驗證，測試結(jié)果如下表所示:

B2BiBocY2Y,Yo

000X111

001X110

010X101

0110110

0111101

1XXX011

方案二：

變量定義與方案一相同。

先由卡諾圖化簡可得出輸出最簡與或表達式，然后由此轉(zhuǎn)換與非門表達式，得到邏

輯圖。

—B2+B、B0+B]C