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数字电路与逻辑设计实验指导书

数字电路与逻辑设计实验基本知识

1.

在进行数字电路与逻辑设计实验之前，首先介绍一些基本知识。 1．1 数字集成电路

集成电路(Integrated Circuit)是相对分离元件而言的，简称IC。它将若干没有封装的电路元件(如晶体管、电阻等)不可分割地联在一起，并在电学上加以互连，以完成特定的功能。 数字集成电路是指完成数字逻辑功能的集成电路。在数字电路与逻辑设计教学实验中，经常使用的是中、小规模数字集成电路。小规模数字集成电路主要是一些门电路，如四2输入与非门74LS00、六反相器74LS04等。中规模数字集成电路是指计数器、数据选择器等。综合实验中用到的是大规模数字集成电路，主要是CPLD和GAL。具体地说，根据集成度的大小,集成电路分成SSI、MSI、LSI和VLSI四种，早期的小规模集成电路SSI

(Small—ScaleIntegration)中封装的是单门、双门、四门或多个门及双触发器、四触发器等。 随着半导体集成工艺的进展及一些逻辑部件的标准化和系列化，出现了中规模集成器件 MSI(Medium—SI)和大规模集成器件LSl(Large-SI)。一般MSI每片器件上集成的门数在100个以下，LSI每片器件集成的门数在100个以上，而当今超大规模集成器件VLSI(Very Large-SI)中的门数已可做到数百万个。通常VLSI是一些专门功能的电路、微处理机、存储器等器件。

组合电路设计方法，多数是以SSI器件为基础。目前在数字系统中均广泛地采用以LSI及MSI为基础，辅以一些SSI。在设计过程中主要是理解和分析清楚设计要求，选择合适的LSI或MSI器件，辅以一些SSI器件将它们组成符合设计要求的电路。采用MSI器件为基础的设计，主要考虑的是所设计的电路能否满足功能要求、可靠性要求及价格要求，尽量减少集成器件的个数(而不是门数)。

目前LSI及MSI产品主要有两大系列：TTL逻辑系列及MOS逻辑系列(ECL系列仅在少数超高速电路中应用)。TTL系列用得较广泛，目前MOS工艺不断进展，其器件速度也已逐步赶上TTL系列．由于它功耗低、价格低，目前已应用得很广泛。从逻辑设计的方法上看，应用哪一系列并无大的差别。

目前国内外常用的TTL／SSI和TTL／MSI集成电路系列是SN54／74系列(或简称54／74系列)。54系列是军用产品，工作温度范围宽(-55℃～125℃)、功耗小、速度高，当然价格也很高。74系列是民用产品，上述指标均较54系列低，但价格相对低廉。SN54／74系列中又分四档，即SN54／74系列，SN54H／74H高速系列、SN54S／74S肖特基系列及SN54LS／74LS低功耗肖特基系列。

中、小规模数字IC中最常用的是TTL电路和CMOS电路。TTL是晶体管—晶体管逻辑的简称，CMOS是互补金属氧化物半导体工艺的简称。中、小规模CMOS数字集成电路主要是4XXX／45XX(X代表0到9的数字)系列。TTL电路与CMOS电路各有优缺点。TTL速度高，CMOS电路功耗小、电源范围大、抗干扰能力强。由于TTL在世界范围内应用极

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广，获得了广泛应用，八九十年代发展起了高速CMOS电路HC(74HC系列)，以及与TTL兼容的高速CMOS电路HCT(74HCT系列)。这些电路以单一的+5V或者+3V做供电电源。 在数字电路及逻辑设计教学实验中，我们采用+5V作为供电电源，主要使用TTL的74系列电路作为实验用器件。

数字IC器件有多种封装形式。为了教学实验方便，实验中所用的74系列器件封装

选用双列直插式。图1．1是双列直插封装的正面示意图。双列直插封装有以下特点： (1)从正面(上面)看，器件一端有一个半圆的缺口，这是正方向的标志。缺口左下的引脚号为1，引脚号按逆时针方向增加。图12．1中的数字表示引脚号。双列直插封装IC引脚数有14，16，20，24，28等若干种。

(2)双列直插器件有两列引脚。引脚之间的间距是2．54毫米。两列引脚之间的距离有宽(1．24毫米)、窄(7．62毫米)两种。两列引脚之间的距离能够作较小改变，引脚间距不能改变。将器件插入实验台上的插座中去或者从插座中拔出器件时要小心，不要将器件引脚搞弯或折断。

(3)74系列器件一般左下角的最后一个引脚是GND，右上角的引脚是Vcc。例如，14 引脚的器件，引脚7是GND，引脚14是Vcc；20引脚器件的引脚10是GND，引脚20是Vcc。但也有一些例外，例如16引脚的双JK触发器74LS76，引脚13（不是引脚8）是GND，引脚5 (不是引脚16)是Vcc，，所以使用集成电路器件时要先看清它的引脚图，找对电源和地，避免因接线错误造成器件损坏。

数字电路综合实验中，使用的复杂可编程逻辑器件MACH4-64／32(或者ISPl016)是44 引脚的PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)封装．图12. 2是封装正面图。器件上的小圆圈指示引脚1的所在位置，引脚号按逆时针方向增加，引脚2在引脚l的左边，引脚44在引脚1的右边。

MACH4-64／32电源引脚号、地引脚号与ISPl016不同，千万不要插错PLCC插座。插

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PLCC器件时，器件的左上角(缺角)要对准插座的左上角。拔PLCC器件应使用专门的起拔器。

实验台上的接线采用自锁紧插头、插孔(插座)。使用自锁紧插头、插孔接线时，首先把插头插进插孔中，然后将插头按顺时针方向轻轻一拧则锁紧。拔出插头时，首先按逆时针方向轻轻拧一下插头，使插头和插孔之间松开，然后将插头从插孔中拔出。不要使劲拔插头，以免损坏插头和连线。

必须注意，不能带电插、拔器件。插、拔器件只能在关断+5V电源的情况下进行。

1．2 数字波形

使用数字电路时，用逻辑电平表示它的输入和输出状态。在使用+5V电源的环境中，TTL电路的逻辑低电平用“0”表示，约O.3V-0.8V；高电平用“1”表示，约2.5V-4.5V。 除了用逻辑电平表示数字电路的输人输出状态外，还可以用波形图表示。将逻辑电平随时间的变化用波形图表示称做脉冲数字波形。数字波形可分周期性数字波形和非周期性 数字波形。在一定时间区间内连续重复变化的波形称为周期性数字波形，或称为周期性 脉冲波形。图12．3所示就是一简单的周期性数字波形。在一定时间区间中不连续重复变化的波形称为非周期性数字波形。

数字波形是离散量。二进制数字只有“o”和“1”的变化，反映在波形图上是“高电平”和“低电平”的变化。在使用+5V电源的TTL电路中，电压值2.5V-4.5V都是高电平， 0. 3V-0.8V都是低电平。在数字逻辑关系中，考虑的重点是电平的变化，而不是具体的电

压值。在实验中画波形图要注意这一点。

—个脉冲波形主要有下列参数：

·周期T：数字波形重复的最小时间间隔称为周期，周期的单位是时间单位。常用的 时间单位之间的换算关系如表12.1所示。

·频率f：频率是单位时间内脉冲信号重复的次数。频率是周期的倒数。表12.2是

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