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首页北京大学数字逻辑设计实验课程讲义(2018年)
北京大学数字逻辑设计实验课程讲义(2018年) 目录: 实验一:门电路延迟特性测量与仪器的使用 实验二:全加器及组合逻辑电路的设计方法 实验三:二位数值比较器 实验四:译码器及其应用 实验五:数据选择器及其应用 实验六:读写存贮器 实验七:触发器与移位寄存器 实验八:计数器 实验九:并行加减 集成逻辑电路管脚图 关于自主设计
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序 言
一、实验目的
《数字逻辑》课程是计算机专业基础课,是数字系统的设计基础,具有很
强的实践性,单独设立《数字逻辑设计实验》课是为了给学生创造一个实践的
环节,达到加强和开拓课堂教学内容、使学生进一步加深对计算机基本逻辑部
件的组成及其工作原理的理解、掌握进行数字系统逻辑设计和调试的方法。根
据这个原则,我们在内容编排上突出了对典型部件的讨论,例如:在组合逻辑
电路中有全加器、比较器、译码器、多路选择器,重点是掌握静态调试法和基
于分频器输入不同频率信号时的波形分析;在时序电路中有触发器、寄存器、
计数器,使学生体会到组合电路与时序电路的异同点;另外,存贮器读写实验
有助于学生对数字电路的全面了解。为此,在实验方法上从两方面进行训练:
(1)分析研究型:给出具体电路,通过实验验证理论;
(2)设计研究型:提出设计要求、规定使用的元器件,由学生自行设计电路
并实现。
实验课是培养学生理论联系实际、提高分析问题和解决问题能力的重要环
节,还要培养学生具备严谨的科研作风,掌握正确的仪器使用方法和实验方法。
二、实验步骤及要求
提倡独立完成每次规定的实验。教师和学生应按照安排好的时间到实验室
做实验,遵守实验室规章制度,有问题找教师解决。具体步骤及要求如下:
第一步 认真准备预习报告;
除特别说明外,要求每次实验前写好预习报告,实验结束后当堂提交预习
报告作为实验报告。
第二步 连线并验证电路功能是否正确,这一步是验证你的设计与实现是否
一致。之后要让教师检查并记成绩。老师检查是判断你的设计是否正确。
第三步 数据计算与结果分析:分析实际测试的数据与理论值的异同点和原
因,提出改进措施等。
第四步 回答课后思考题、评价本次实验的收获和体会,提出改进建议。
三、实验报告要求:
1. 组合逻辑电路设计的实验报告
实现型题目根据要求画出输入输出信号的波形图即可。
设计型题目则需要参照实验二中“组合逻辑电路的设计方法”, 完成下
面的每一步。
①根据题目要求定义电路的输入变量和输出变量;

2
②根据电路的逻辑功能列出真值表;
③根据真值表列出电路的逻辑表达式;
④根据指定使用的元器件化简逻辑表达式;
⑤画电路的逻辑图(不要求画连线图);
⑥画出输入输出信号的波形图;
注意:第⑥步是根据真值表事先画出波形图,而不是在实验中根据
观察结果画;实验中用画出的波形图和实际测出的做比较,一致则表
明实验与设计结果相同,否则反映出实验出现问题。
2. 时序逻辑电路设计的实验报告
非设计类型题目,要求记录实验结果数据并对实验数据进行分析;
设计类型题目,要求写出下面几项。
①根据题目要求设定状态、画状态图、列状态表;
②列出激励表达式并化简;
③用指定的元器件画逻辑图(不要求画连线图);
④根据每个实验的要求,加入不同的设计内容;
四、实验设备
北京大学基础实验教学所自行研制的数字逻辑实验箱,面板示意图如下。
(1)电源开关:电源开关与实
验台 220V 电源连接。实验箱
内部的直流稳压电源输出 5V
直流电压供插件板上的集成
电路使用。注意:断开电源连
线,连好线后再接通电源。如
果有短路故障,5V 输出指示灯
会熄灭,这时应尽快切断电源,
排除故障后再接通电源。长时
间短路将烧毁稳压电源。
(2)逻辑笔:用逻辑笔检测电
路中某一点的电平,高电平时红灯亮,低电平时绿灯亮。
(3)电平开关:8 个电平开关用来提供输入变量,开关向上扳动输出高电平表
示 1 态、开关向下扳动输出低电平表示 0 态。
(4)输出指示灯:8 个指示灯显示输出变量,灯亮表示 1 态、灯灭表示 0 态。
(5)数码管:4 个 7 段数码管,可以显示 0~9,A~F 共 16 个字符。
(6)LED 显示屏:4 个 8x8 LED 点阵,也可作为 16x16 的 LED 点阵显示屏。
(7)单脉冲和连续脉冲:单脉冲是用手动方式产生脉冲,按下一次按钮,产生
一个正脉冲或负脉冲;连续脉冲提供 200HZ 左右连续脉冲。
(8)芯片插件板:用来固定和连接集成电路芯片。
实验箱面板示意图
电源
开关
输出
指示灯
数码管
(4 个)
LED
显示屏
(4 个 8x8
LED 点阵)
芯片插件板
逻辑
笔
单脉冲
连续
脉冲
电平开关

3
实验一 门电路延迟特性测量与仪器的使用
一、实验目的
1.学习使用“数字逻辑实验箱”。
2.通过用多个非门搭建环形震荡电路,观察及测量门电路的延迟特性。比
较 TTL 电路和 MOS 电路的延迟特性。
3.通过环形振荡器的搭建,了解怎样将设计好的逻辑电路在实验箱上实现
并对实现结果进行测试。
二、实验原理
常用的集成电路有 TTL 门电路和 MOS 门电路,它们有如下特点:
TTL——Transistor-Transistor Logic 是晶体管—晶体管逻辑电路,它的速度
快、功耗不大、集成度低。
MOS——Metal-Oxide-semiconductor 是金属氧化物半导体逻辑电路,与
TTL 电路比较,它具有相对速度慢、功耗低、集成度高的特点。
信号通过门电路总有延迟,可以用非门组成环形振荡器的方法测量出振荡
信号的周期或频率,从而换算出延时时间。
图 1-1 电路是一个九级的环形振荡器,若每级门延迟时间为τ,则九级门
就有 9τ的延迟时间。因为有延迟,所以才会产生震荡信号。
G
1
G
2
G
9
G
10
图 1-1 九级的环行振荡器
将 TTL 6 非门芯片 74LS04 和 MOS 6 非门电路 4069 芯片分别按图 1-1 连
接出九级环形振荡器的两个电路,用示波器观察 G
10
点的输出波形。当非门级
数比较多,产生的震荡波形其周期比较大的情况下,我们观察到的波形大体如
下图 1-2。
图 1-2 环形振荡器震荡波形

4
使用示波器测得这个震荡波形的震荡周期,通过计算,可以得到每个非门
的延迟时间τ。τ的计算公式和震荡周期T以及组成振荡器非门的个数n有
关。当非门级数比较多,产生的振荡波形周期比较大时,我们观察到的波形大
体如图1-2。当非门级数比较少,产生的震荡波形周期比较小时,我们观察到
的波形会有一些不同。实验中将会观察到这种现象。
三、实验内容
1.了解“数字逻辑实验箱”的结构及使用方法。
2.在实验箱上对 TTL 芯片和 MOS 芯片进行简单的逻辑测试。
第一步,用逻辑笔检查芯片的电源接通没有:V
CC
接+5V,为高电平,逻辑
笔红灯亮;GND 接实验箱的地端,为低电平,逻辑笔绿灯亮。
第二步,在电源正常情况下,用逻辑笔测量每个门的输入端和输出端。
测量 TTL 芯片:
测量输入端:门电路输入端未加信号时,逻辑笔的红绿灯都不应该亮,
若逻辑笔有灯亮表明这个门是坏的或电源不正常;
测量输出端:TTL 门电路输入端未加信号,相当于加了一个逻辑“1”。
因此,输出信号符合逻辑功能的门是好的,否则是坏的。
注意:在实际应用中,TTL 芯片门电路的输入端悬空会引起麻烦。正
确做法是:“与门”中不用的输入端接“1”;“或门”中不用的输入端
接“0”。集成电路中的控制信号应严格按照要求加上合适的电平,即
控制信号不要悬空。
测量 MOS 芯片:
TTL 门电路所有输入端必须加信号。
测量输出端:输出信号符合逻辑功能的门是好的,否则是坏的。
注意:MOS 芯片的输入端不能悬空。对 MOS 芯片的测试必须给出各
种输入的组合,观察输出结果。
3.推算出非门延迟时间τ的计算公式,写在实验报告中。
τ的计算公式和震荡周期 T 以及组成振荡器非门的个数 n 有关。
4.环形振荡器的构建及参数测量,延迟时间计算。
a)用 TTL6 非门 74LS04 连接成 3 级、7 级如图 1-1 所示的环形振荡器,记
录环形振荡器振荡信号经一级反相器输出和不经一级反相器输出这两种情况下
的波形和参数,观察有无变化。注意测量点的选择,最好是选择振荡器经一级
反相器输出的两端,如图 1-2,对于九级的环形振荡器,测量点最好是 G
10
的输
入和输出两个点。这样方便观测到信号经过非门时输出信号相位上的改变。

5
用数字式示波器测量环形震荡器的参数:频率 f、周期 T、峰峰值 Vpp,计
算每级延迟时间,记录在实验报告的表格中。分别观察随着环形振荡器级数的
增加,上述测量结果如何变化?
b)用 MOS 非门 4069 连接成 3 级、7 级环形振荡器,重复 a)的内容。
74LS04:
MOS 4069:
3
级
不
经
非
门
波形
振荡频率 f
振荡周期 T
VPP
延迟时间τ
经
非
门
波形
振荡频率 f
振荡周期 T
VPP
延迟时间τ
7
级
不
经
非
门
波形
振荡频率 f
振荡周期 T
VPP
延迟时间τ
经
非
门
波形
振荡频率 f
振荡周期 T
VPP
延迟时间τ
3
级
不
经
非
门
波形
振荡频率 f
振荡周期 T
VPP
延迟时间τ
经
非
门
波形
振荡频率 f
振荡周期 T
VPP
延迟时间τ
7
级
不
经
非
门
波形
振荡频率 f
振荡周期 T
VPP
延迟时间τ
经
非
门
波形
振荡频率 f
振荡周期 T
VPP
延迟时间τ
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