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实验一、常用电子仪器使用和门电路的功能测试


实验一、常用电子仪器使用和门电路的功能测试
一、实验目的 1. 学会使用双迹示波器测试波形。 2. 学会使用学习机做电子实验。 3. 掌握门电路的逻辑功能。 4. 熟悉门电路的输入端负载特性。 二、实验仪器设备和器件 1. 实验仪器 1) SXJ —Z2 电子技术学习机, TPE-D3Ⅱ多功能数字电路学习机 2) SS-7804 双迹示波器 3) 万用表 2. 实验器件

74LS20 一块 74LS00 一块 74LS55 一块 74LS86 一块 74LS125 一块 74LS06 一块 三、实验原理 1. TTL 门电路输入负载特性:当输入端与地之间接入电阻Ri 时(如图 1-1.2),因有输入电流 i 流过 Ri,会使 UIL 提高,从而削弱了电路 I 的抗干扰能力。当Ri 增大到某一值时, I 会变成高电平,使输出逻 U 辑状态发生变化。 而 CMOS 门电路的输入端几乎不取电流,故其输入端对地加多大的 电阻,输入端仍为低电平,输入电平几乎不受输入端电阻的影响, 故对于 CMOS 门电路输出端的状态不会改变,这是 CMOS 门电路与 TTL 电路的不同之处。 2. TTL 电路输入端悬空,相当于逻辑 1,所以: 1) 因为 A·1=A,故对于 TTL 与非门(与门)多余的输入端可以 悬空,但悬空易引起干扰,所以应接高电平,或与有用的输入 端相连(因 A·A=A),绝对不能接低电平。 2) 因为 A+1=1,故对于 TTL 或非门(或门)多余的输入端不允许 悬空和接高电平,而应接低电平(因 A+0=A), 或与有用的输 入端相连(因 A+A=A)。 3. CMOS 门电路多余的输入端不能悬空,应按逻辑功能的要求接 VDD 或 VSS。 4. 三态门的输出有三个状态:0 状态,1 状态和高阻态,高阻态称为
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开路状态。 利用三态门可以实现总线结构, 还可以实现数据的双向 传递。 三态门之所以能实现总线结构是因为他有一个使能端,当使 能端有效时,其能实现门电路的逻辑功能,当使能端 无效时,输出 为高阻态。多 个三态门实现总线结构时, 任何时刻只允许一个三态 门工作, 即只允许一个三态门的使能端有效, 可见总线结构中的三 态门是分时工作的。 5. 集电极开路的门,即 OC 门 普通门电路的输出端,在不能保证输出状态完全相同时,输出 端不能并联,即“线与” ,如图 1,这种接法是错误的,若 G1 输出 高电平,G2 输出低电平,则有较大的电流流过这两个门的输出级, 使门电路损坏。

图 1

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采用 OC 门可实现“线与” ,如图:

但要注意, 在使用 OC 门时必须在输出端与电源 VCC’间加上一个 合适的上拉电阻 RL,以保证 OC 门正常工作。

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四、实验内容及步骤 1. 测与非门的逻辑功能 (74LS20) ① 按图 1-1 接线 ② 测与非门的逻辑功能 填入表 1,写出函数表达式。

图 1-1 表1 输入端(逻辑状态) A 1 0 0 0 0 B 1 1 0 0 0 C 1 1 1 0 0 D 1 1 1 1 0 电位(V) 理论值 实验值 输 出 端 逻辑状态 理论值 实验值

2.

观察与门对脉冲的控制作用: 按图 1-2(a)(b)接线,用双迹示波器 分别观察输入、 输出波形, 并记录。 写出函数表达式。

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(a) 图 1-2 3. 测试与非门输入端负载特性。( 74LS00 CD4011) 按图 1-3 接线:

(b)

图 1-3 ① 测 TTL 与非门(74LS00)输入端负载特性。改变电阻 Ri 的值 (由小到大),用电 压表观测 UI 及输出端的逻辑状态(L5)的变化,当输出 由高电平变为低电平(L5 灯灭)时,测量并记录相应的 UI 值和电阻 Ri 值。 ② 测 CMOS 与非门 CD4011 的输入负载特性, 改变 Ri 的值( 由小 到大),用 指示灯测输出端的状态。 (二) 、测与或非门的逻辑功能: ① 按图 2 接线 ② 测与或非门的逻辑功能 填入表 2。写出函数表达式。

图2 表2 输入端(逻辑状态) A B C D 电位(V) 输 出 端 逻辑状态

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理论值 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0

实验值

理论值

实验值

(三)、测异或门的逻辑功能,填入表 3,写出逻辑表达式。

表 3: 输入逻辑状态 A 0 0 1 1 B 理论值 0 1 0 1 输出逻辑状态 Y 测量值

(四) 三态门的功能测试及应用 ① 测试三态门的逻辑功能 a) 测试接线图如图 4 所示 b) A 端输入 2Hz 的方波信号,用电平指示灯观察输出端 F1、 F2,并将结果填入表 1-4 中

图4 表 1-4: E 控制 输入 输出

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O 1

EN1=0 EN2=1 EN1=1 EN2=0

A A A A

F1= F2= F1= F2=

② 三态门的应用 将图 1-4 中的 F1 和 F2 用导线连起来,实现总线结构,从而完成 一根信号线分时传送多组信号。( 注:F1、F2 的连接处用 F 表示), 请写出 F 的表达式。 具体方法: ① 将上面三态门的 F1 与 F2 相连,输出端 B 与 A 处断开,并在 A 处 和 B 处分别加入 2Hz 和 10Hz 的方波,用电平指示灯观察输出端 F。请将结 果填入自制定的表格中。 ② 方法同①,在 A、B 处分别接入 1KHz 和 20KHz 的方波,用示波器观 察 F 端的波形,填入自拟的表格中。 ③ 分析该电路的工作原理。 (五) 集电极开路的门 (OC 门) ① 按图 1-5 接线,当 RL 为 1KΩ时,验证图 1-5 的逻辑功能,填入表 1-5 中。 ② 写出输出 F 的表达式 ③调节电位器 Rw,观察 RL 取值对输出电平的影响。 输入 A B 0 0 1 1 0 1 0 1 输出 F

五、注意事项 1. 实验时要正确选择集成电路的型号,芯片的位置别插错。 2. 接线时输出端不能直接接电源或地,也不能接开关量输出。 3. 实验时不要忘了接电源,也不能将芯片的电源端接反。 4. TTL 电路的电源电压为 5V±10%×5V。千万不能接成 15V。 5. CMOS 电路电源电压为 3V~18V,一般取 10V 左右,CMOS 的噪 声容限与 VDD 成正比,干扰大时 VDD 可适当取大些。 六、预习要求 1. 阅读数字电子技术指导书中示波器和学习机的使用方法。 2. 复习与非门、与或非门、异或门、三态门和 OC 门相关的基础知识,

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在表格中填入理论值,画出理论波形。 七、报告要求 1. 整理实验数据,填写实验表格 2. 回答思考题中提出的问题 3. 收获和体会 八、思考题 1. 试用与非门 74LS00、与或非门(74LS55)和异或门(74LS86)实 现 F= A ,画出电路图。 2. 试用一片 74LS00 和一片 74LS125 构成总线结构,使其输出端能分 时输出 1Hz,10Hz,1KHz 和 20KHz 的方波, 要求画出逻辑图, 可用实 验验证之。(提高 题) 3. 总结与或非门多余输入端的处理方法,并说明理由。 4. 试说明在下列情况下,用万用表测量下图所示电路 UI2 端得到的电 压值是多少?并用实验验证之。 ① UI1 悬空 ② UI1 接低电平(0.2V) ③ UI1 接高电平(3.2V) ④ UI1 经 51Ω电阻接地 ⑤ UI1 经 20KΩ电阻接地

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实验二 组合逻辑电路分析与设计
一、实验目的: 1.掌握组合逻辑电路的分析方法和设计方法。 2.验证组合逻辑电路的功能。 二、实验仪器设备 1.SXJ—Z2 电子技术学习机,TPE-D3Ⅱ多功能电路学习机 2.万用表 3.器件:74LS86 一块,74LS20 一块,74LS32 一块,74LS138 一块。 三、实验内容: (一)组合逻辑电路分析:写出函数式,画出真值表并用实验验证之,说 明其逻辑功能。

(二)组合逻辑电路设计 1.设计一个路灯的控制电路, 要求在四个不同的路口都能独立地控 制路灯的亮灭。(用异或门实现)画出真值表,写出函数式,画出实验逻 辑电路图。 2.试用中规模 138 译码器和与非门设计一个全减器。画出真值表, 写出表达式,画出实验电路图。(设 Ai 为被减数,Bi 为减数,Ci-1 为 低位向本位的借位,Si 是差值,Ci 是本位向高位的借位)。 注:138 译码器和 74LS20 与非门功能和管脚图见附录。 三、予习要求: 1.复习组合电路的分析方法和设计方法。 2.画出实验用电路图和记录表格, 填好理论值,实验电路 注明管脚号码。 四、报告要求:
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1.总结组合电路的分析方法。 2.总结组合电路的设计方法。 1. 收获和体会。

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实验三 多路选择器及函数发生器
一、实验目的: (一)掌握多路选择器集成电路的一般使用。 (二)利用多路选择器实现 N 变量任意组合逻辑电路。 二、实验仪器设备 1.SXJ—Z2 电子技术学习机,TPE-D3Ⅱ多功能电路学习机 2. 万用表 3.器件: 双“四选一” 74LS153 一块 与非门 74LS20 一块 或门 74LS32 一块 三、实验内容及步骤: (一)多路选择器的功能测试 1. 运用二个“四选一”构成一个“八选一” 2. 测试八选一数字选择器的逻辑功能, 把结果填入自拟的表格 中。 方 法 :变 换 输入 控制 端 C 、 B 、 A 的 排列 组合 如: /C/B/A /C/BA….....CBA 即可分别使 d0、d1、……d7 和输出端 F 连通。例 此时, 1=0, d F=0,d1=1,F=1。 如: A=1, B=0, C=0, d1 和输出端连通, 则 (二)利用双“四选一”和与非门及或门完成下列设计,并用实验验证其 正确性。画出实验电路,注明脚号。 1.用“八选一”实现下列真值表的功能,写出函数式。(注:先用 双“四选一”组成“八选一” 。 输 入 A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 输 出 F

C
0 C 1

2. 人类有四种基本血型,A、B、AB、O 型,O 型血可以输给任意血
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型的人,而他只能接受 O 型;AB 型可以接受任意血型,但他只能输给 AB 型;A 型能输给 A 型或 AB 型,可以接受 A 型或 O 型;B 型能输给 B 型或 AB 型,可以接受 B 型或 O 型;请设计一个逻辑电路,其输入是欲 进行“输送——接受”的血型,当符合上述规则时,电路输出 F 为 1, 其余为 O,写出函数式,画出真值表。画出实验电路图。 (注:只要四个输入变量 X,Y,Z,W,用 X,Y 的不同组合表示输 送者的血型,用 Z,W 的不同组合表示接受者的血型,如下表所示: 血 型 A B AB 0 X 1 0 1 0 Y 0 1 1 0 Z 0 1 0 1 W 1 0 0 1

3.某导弹发射场有正、副指挥员各一名,操作员两名。当正副指挥 员同时发出命令时, 只要两名操纵员中有一人按下发射按钮, 即可产生 一个点火信号,将导弹发射出去,请设计一个组合逻辑电路。完成点火 信号的控制,写出函数式,列出真值表,画出实验电路图。 4.A、B、C 三个车间,由发电机 F1、F2 供电,F1 的发电量是 F2 的两倍,A 的用电量等于 F1 的发电量,B 或 C 的用电量等于 F2 的发电 量,当车间用电超过发电量时,应停机,并产生报警信号 L,请设计发 电机启停控制电路和报警电路,写出函数式,列出真值表,画出实验电 路。 四、予习要求: (一)复习集成多路选择器构成逻辑电路的方法。 (二)在实验前熟悉附录所给出的集成与非门,多路 选择器, 译码器管脚 图,使能端用法及原理图。 五、实验报告要求: (一)绘出上述四个部分实验内容的具体电路图(注明管脚号) (二)列出需完成逻辑函数的真值表,并求出理论值, 以便和实验值比 较、验证。 (三)对集成电路使用有何体会?

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实验四 触发器功能测试及应用
一、实验目的: 1.熟悉 JK 触发器,D 触发器的功能测试。 2.熟悉触发器的实际应用。 二、实验仪器设备 1.SXJ—Z2 电子技术学习机,TPE-D3Ⅱ多功能电路学习机 2.双迹示波器 3.万用表 4.器件:74LS20、74LS76、74LS74、74LS148、74LS279、74LS48,数码 管 三、实验内容 (一)触发器功能测试 1. JK 触发器功能测试:器件:74LS76 (1)异步复位端 RD ,异步置位端 SD 的功能测试,测试接线如图 5-1。

图 5-1 测试当 J、K、CP 端为任意状态时, RD 、 SD 是否能使触发器可 靠置“0” ,置“1” 。

CP
X X

J
X X

K
X X

RD
0 1

SD
1 0

Q

Q

功能

(2)逻辑功能的测试 ( RS ==

1)

①JK 触发器 CP 端输入单脉冲,初始状态 Q 可先置“1”或置“0” ,将实验

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结果填入表中。 CP J K Q Q 置 “1” 置 “0” 0 0 0 ↑ ↓ 0 ↑ ↓ 0 ↑ ↓ 0 ↑ 1 1 1 1 ↓ 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1

注:↑表示 CP 的上升沿,↓表示 CP 的下降沿 ②将 JK 触发器接成 T’触发器,即计数状态(即 J=K=1),然后 CP 端输入连续 脉冲,用示波器观察 Q 端和 Q 端的波形,并绘出波形图。测出周期和幅值。

2.D 触发器逻辑功能测试: 器件:74LS74 (1) 异步复位端 RD , 异步置位端 SD 端功能测试: 利用 RD 置位和利用 SD 复位时,CP 是否必须为“O” ,即利 用

RD , SD 时,对 CP 是否有要求?
CP O O 1 1 D × × × × Q

Rd
0 1 0 1

Sd
1 0 1 0

Q

(2)逻辑功能的测试 在 D 为“1”或“0”状态下,CP 端输入单脉冲观察时钟脉冲 CP 作 用前后,触发器 Q 端状态和 D 端输入信号之间的关系。 ①CP 为“O”先将触发器置“1” ,然后使 D 端为“O” ,观察触发器是否翻转 为“O” 。 ②D 仍为“O” ,CP 加一单脉冲,观察 Q 端是否翻转为“O”CP 端继续加单脉 冲,触发器是否再翻转。 ③在触发器 Q=“O”状态下,使 D=“1”重复上述内容。
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④将实验结果填入下表。 D CP Q
n+1

0 0 ↑ ↓ Q =1
n

1 ↑ ↓ 0 ↑ ↓ Q =0
n





Q

n

(二)触发器的实际应用: 器件:74LS74, 74LS20, 74LS76,74LS148,74LS279,74LS48,数码 管 设计一个用在智力竞赛中四组抢答者的灯光显示电路:要 求:当 先抢答者发出灯光显示时, 同时封锁后抢答者的灯光 显示电路, 最后由主持人清除灯光显示和封锁信号,用实验 验证其设计结果。(画出原理图) 选作:用数码管显示抢答结果 2.用一个主从 JK 触发器和一个与非门设计一个“检 1”电路,当 输入为“1”时,Q 端输出的脉冲为 CP 的非,当输入为“0”时,Q 端输 出为“0” ,这个电路通常用来检测数字系统中是否有“1”状态出现, 试用实验验证其设计结果,用示波器 观察并画出其波形, 若输出为一条 线,用万用表测其电位标在线上,简要说明所设计电路的工作原理,画 出原理图,注明管脚。( 选做) 四、予习要求: 1.将内容(一)中的表格填入理论值。 2.画出内容(一)(2)②的 理论波形。 3.画出实验电路图,注明管脚。 五、报告要求: 1. 总结异步输入端 RD , SD 和同步输入端的作用。 2. 回答内容(一)中提出的问题。 3. 简要说明自己设计的灯光显示电路的工作原理。 4.收获和体会 1.

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实验五 计数器和寄存器的实际应用
一、实验目的 一)熟悉集成二进制计数器 74LS161 的逻辑功能、 工作原理及使用方法。 (二)熟悉移位寄存器 74LS194 的逻辑功能、工作原理及实际应用。 (三)熟悉示波器的使用方法。 二、实验仪器设备 1.SXJ—Z2 电子技术学习机,TPE-D3Ⅱ多功能数字电路学习机 2.双迹示波器 3.万用表 4.器件:74LS161,74LS08,74LS00,74LS20,74LS93,74LS194 三、原理说明 中规模 4 位同步二进制加法计数器(74LS161)的功能表如下:

CP
X

RD 0 1 1 1 1

LD X 0 1 1 1

EP ET
X X 0 X 1 X X 1 0 1

工作状态
置零 预置数 保持 保持 (但 C=0) 计数

X X

由表中可以看出 74LS161 是一个具有异步清零, 同步置数、 保持和计数 功能的 4 位二进制加法计算器, 其共有 16 个状态( 3Q2Q1Q0 由 0000~1111), Q 即其 N=16。应用 N 进制中规模集成器件,实现 M 进制的计数器。当 M ? N 时,应从 N 进制计数器状态转换表中跳跃(N-M)个状态,通常利用清除端 ( RD )和并行置入端( LD )来实现。当 M>N 时,应用 2 片或 2 片以上的 74LS161 芯片。如 60 进制的计数器应用 2 片 74LS161 芯片。 74LS93 为异步下降沿触发二-八进制的计数器,它的功能表如下:

CP
ROA X 1 0 X

输入

输出

ROB 1 X 0

Q3 Q2 Q1 Q0 0 0 0 计数 计数 0

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图1 ① CP 由 CP0 输入,从 Q0 输出,为二分频器。 ② 当 CP 由 CP1 输入,从 Q3Q2Q1 输出时,为 8 分频器,两个计数器是独 立的,但清零 ROA 、 ROB 是共用的。 74LS194 为四位双向移位寄存器,其功能表如下:

由真值表可看出,它是具有清零、保持、置数、左移和右移功能,用其 很容易接成环型(扭环型)移位寄存器,很容易制作出舞台灯光显示电路。 四、实验内容: (一)应用 74LS161 计数器, 74LS08 与门和 74LS00(或 74LS20)与门构成 60 进制计数器,要求计数前先清零。试设计出两种电路:一种用数码管显 示,一种用发光二极管显示。 (二)应用 74LS93(不用门)构成十二分频器(T 输出 =12Tcp ) 要求输 出为对称方波。( 选做) (三)应用 74LS194 构成八位环型移位寄存器。形成如图 所示两组系列脉 冲,用于舞台灯光控制,使八个灯顺序亮灭。 ①用单脉冲观察八个灯亮灭的顺序是否对。 ②用连续脉冲(开关打到 Hz)观察灯亮灭的顺序。
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③用连续脉冲(开关打到 KHz)观察波形、并记录波形。 (四)应用 74LS194 和 74LS20 构成八位扭环型移位寄存器。使灯从左 到右依次点亮,然后,再使灯从左到右依次息灭。

实验内容(三)两组系列脉冲图 三、予习要求: 1.设计出实验电路并简要加以说明。 2.画出实验内容(二)的理论波形。 3.写出实验内容(三)对应两组波形所需输入的数码。 四、报告要求: 1.总结设计方法和实验调试方法。 2.总结实验中所出现的问题,提出改进方案。 3.心得体会。

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实验六 时序电路分析和设计
一、实验目的: (一)掌握时序电路的分析和设计。 (二)应用时序电路解决实际问题。 二、实验仪器设备 1.SXJ—Z2 电子技术学习机,TPE-D3Ⅱ多功能电路学习机 2.双迹示波器 3.万用表 4.器件:74LS76,74LS20,74LS86,74LS74 三、实验内容: (一)时序电路分析: 分析下列时序电路,说明其功能,画出 Q1,Q0,Z1,Z2 的波形图,并用 实验验证。

(二)时序电路设计: 用 74LS74 及与非门设计一个同步时序逻辑电路,要求满足如下图所示 的波形。

1.简要写出设计过程,画出原理图,注明管脚。
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2.用实验验证,观察并绘出实验波形。 3.检查能否自启动, 画出检查自启动的实验电路图, 说明无效状态 如何进入哪个有效状态。 (三)设计一个控制电路, 控制一台自动出售四分邮票的装置。输入 是代 表一分、二分、五分硬币的脉冲信号——顾客投入的硬币,输出是代表邮票 和找还给顾客硬币的脉冲信号。 〔提示:一般情况下,某一时刻只会投入一 种硬币,即输入信号是互相排斥的,投入的硬币总数小于八分,按下手动按 钮出售邮票和找钱。 〕 三、予习要求: 1.复习时序逻辑电路的分析方法和设计方法。 2.内容(一)写出分析的过程,画出理论波形,说明功能。 3.内容(二)(三)写出设计过程,画出实验电路。 四、报告要求: 1.总结时序电路的分析和设计方法。 2.收获体会。

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实验七 定时电路的实际应用
一、实验目的: 1.掌握 555 集成定时器接成多谐振荡器的方法,及实际应用。 2.掌握集成组件 74LS123 单稳态多谐振荡器的接法和使用。 练习使用功 能表。 3.学会使用双迹示波器测量脉冲波形的幅度,宽度和周期,频率。会计 算矩形的占空比 二、实验仪器设备 1.SXJ—Z2 电子技术学习机,TPE-D3Ⅱ多功能电路学习机 2.双迹示波器 3.万用表 4.器件:NE555,74LS123,LM324,3DW7,二极管,电阻,电容,金属细线 等 注:2DW7 的稳定电压为 6V 二、实验内容: (一)下图为一个过压监测电路。 简要说明工作原理和写出实验步骤, 估 算出被监测电压 UX 的监测值和闪光频率

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(二)下图为一个门铃控制电路,简要说明工作原理及实验步骤,测量输 出脉冲波形的频率和幅度

100UF 8Ω

(三)单稳态组成的多谐振荡器 1.对照指导书附录上 74LS123 功能表说明当开关 K 搬到 “1”即A=H 时 Q1, Q1 , Q2 ,Q
2

的状态并记录。当开关 K 搬向“O”时为什么会

产生振荡。(简要说明) 2.估算振荡周期 T=0.45(R 1C1+R2C2) 3.用双线示波器观察 Q1 与 Q2 的波形,并记录下来。测出脉冲的 宽度及振荡周期和频率和幅度。

(四)防盗报警电路 用 NE555,电阻,电容,扬声器,金属细线,LM324 设计一个防盗报警 电路(注:LM324 用否均可)
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要求:把金属细线放在门,窗以及防盗物品上,当盗窃者作案时,一 旦弄断金属细线,扬声器发出报警信号。 注:基本要求: 报警信号为 2HZ 左右的单音报警信号。 提高要求: 报警信号为双音报警信号, 即要求当盗窃者触断金属细线时, 扬声 器发出“嘀,嘟,嘀,嘟。……”的双音响。试分析: 1. NE555 接成了什么电路 2. 该电路的工作原理 3. 自拟实验步骤 三、予习要求 1.简要分析各实验电路的工作原理和实验步骤。 2.估算出实验所需要的理论值和理论波形。 3.画出防盗报警电路的电路图,分析其工作原理 四、报告要求: 1.试比较电压监测电路和门铃控制电路有哪些相同之处和不同之处。 2.单稳态组成的多谐振荡器由 Q2 输出的波形,高电平由什么决定,低 电平由什么决定。 3.分析防盗电路的工作原理 4. 心得体会

74LS123 功能表 输 入 清 除 L X X H H ↑ A X H X L ↓ L B X X L ↑ H H Q L L L 输 出

Q
H H H

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第三部分

EDA 实验部分

为了实现对数字电路的分析和设计, 《数字电子技术》的实验内容大概 包括两个部分,一部分是使用传统的设计方法和小规模集成电路进行分析、 设计,目的是让学生学会使用常用电子仪器、加深对书本知识的理解,培养 理论联系实际和动手操作的能力。 另一部分是计算机辅助设计实验部分, 目 的是使学生初步了解电子设计自动化(EDA)的知识和主要软件的使用方 法,建立概念。由于学生 EDA 的知识所学较少,实验学时也较少,所以实 验内容都比较简单,重在了解。有些提高部分的要求由学生自己选做。

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实验一 译码器及多路选择器的应用( EDA 仿真)
一、实验目的 1. 掌握译码器和数据选择器等中规模数字集成电路(MSI)的性能及使 用方法。 2. 能用集成译码器、数据选择器设计简单的组合逻辑电路。 3. 掌握 Multisim 电子电路仿真软件的使用,并能进行电路分析和仿真。 二、实验设备和器件 装有 Multisim 电子电路仿真软件的计算机。 三、实验原理 组合电路的特点是任何时刻的输出信号仅取决于该时刻的输入信号, 而与信号作用前电路的状态无关。 (一) 组合电路的分析步骤:

(二)组合逻辑电路的设计步骤

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首先根据给定的实际问题进行逻辑抽象,确定输入、输出变量,并进行 状态赋值,再根据给定的因果关系,列出逻辑真值表。然后用公式法或卡诺 图法化简逻辑函数式, 以得到最简表达式。 最后根据给定的器件画出逻辑图。 (三) 中规模集成器件(MSI)一般都是专用功能器件,都具有某种 特定的逻辑功能,(用 这些功能器件实现组合逻辑函数,一般都采用对比法 进行设计)。 组合逻辑电路其一般都具有附加的控制端, MSI 也称作片选端、 使能端。例如,双四选一数据选择器 74LS153,它的每一个四选一数据选择 器都有一个控制端,分别为 1G 和 2G 。以下半部分 74LS153 为例。

1G =0 时,多路选择器才工作:

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当 1G =1 时,多路选择器不工作,不管 AA 为何值,1Y=0。利用片 10 选作用可进行扩展,如把双四选一接成八选一。 用中规模集成器件设计组合逻辑电路方法是:首先要对被实现的逻辑 函数进行变换, 把它尽可能变换成与所用中规模集成器件的逻辑函数相类似 的形式,然后在采取对比法进行设计。 例如:用双四选一数据选择器接成八选一数据选择器,设计一个三人 多数表决电路。该电路的三个输入端 A、B、C 分别代表三个人,输出端 F 表示表决结果。用 1 表示同意和通过,用 0 表示不同意和不通过。 解:根据题意可列出真值表 A B C 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 F 0 0 0 1 0 1 1 1

S
1 0 0 0 0 0 0 0 0

A2

A1

A0

Y
0 1D0 (D 0) 1D1 (D 1) 1D2 (D 2) 1D3 (D 3) 2D0 (D 4) 2D1 (D 5) 2D2 (D 6) 2D3 (D 7)

X X X 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1

根据真值表可写出逻辑函数式:

FABCABCABCABC =+++
由八选一数据选择器的功能表可得当 S =0 时, 八选一数据选择器输出 Y 的 表达式为

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设 A2 =A,A1 =B,A0 =C, 比较 F 和 Y 两式可得 1 D3 =2 D1 =2 D2 =2 D3 =1, 1 D0 =1 D1 =1 D2 =2 D0 =0,接图 1 连线,即可实现三人多数表决功能。

图1 译码器:一 n 变量的二进制译码器的输出包含了 n 个变量的所有最小项 个 例如 它的 8 个输出包含了 3 个变 (共 2 个)。 74LS138 是 3 线/8 线译码器, 量的所有最小项,其功能表如下: 输入 S1 0 x 1 1 1 1 1 1 1 1 S2+S3 x 1 0 0 0 0 0 0 0 0 A2 A1 A0 x x 0 0 0 0 1 1 1 1 x x 0 0 1 1 0 0 1 1 x x 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 输出 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0
n

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由功能表可得,当 S1 =1, SS += 23 止译码。 在允许译码的条件下,可得

0 时,允许译码器工作,否则就禁

故用译码器可实现函数变量的个数小于等于译码器地址线个数的多端输出 的逻辑函数。 例 :用 74LS138 译码 器 和 门电路实 。 , 则只要将输入变量 现 函 数 FABBC 1 =+ ;

FABBC 2 =+

解:变换函数式,得 FABCABCABC =++ 接到 A2 、 A1 、 A0 端可得:

电路接线图如下:

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图2 (四)实验说明 Multisim 是一种电子电路仿真软件, 利用它提供的各种元件及仪表进行 计算机辅助设计,从而可以快速、高效地对电路进行设计和分析。下面利用 如图 1 所示测试 138 译码器的例子对软件的使用作简单的说明。
VCC 5V J3 Key = 1

J1 Key = 2 U1 J2 Key = 3 1 A 2 B 3 C Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 15 14 13 12 11 10 9 7

X0 4.5 V

X1 4.5 V

X2 4.5 V

X3 4.5 V

6 G1 4 ~G2A 5 ~G2B

74LS138D X4 4.5 V X5 4.5 V X6 4.5 V X7 4.5 V

图 1 138

译码器的测试

第一步, 打开软件熟悉界面。双 Multisim 2001 图标, 击 或点击 Windows “开始”菜单中的 Multisim 2001 ,启动该程序,可以看到如图 2 所示的操 作界面。 从中可以看出,Multisim 的操作界面主要由菜单栏、工具栏、使用中的

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元件列表(In Use List) 、仿真开关、元件库、仪表库、电路工作区和状态栏 等项组成。

菜单栏

工具栏 使用中元件列表

仿真开关

元件库 电路工作区

仪表库

状态栏

图 2 Multisim 2001 的操作界面

第二步,选取元件及元件使用。选取元件最直接的方法是从元件库中 选取。元件库中包括 14 个元件分类库,通常放置在电路窗口的左边(如图 2), 个元件库按钮从上到下依次为:电 (Sources)基本元件库 14 源库 、 (Basic) 、 二极管库(Diodes) 、晶体管库(Transistors) 、模拟元件库(Analog) 、TTL 库(TTL) 、CMOS 库(CMOS) 、各种数字元件库 (Misc Digital ) 、混合器件库(Mixed) 、指示器件库(Indicators) 、其它器 件库(Misc) 、控制器件库(Controls) 、射频元件库(RF)和机电类器件库 (Electro-Mechanical)。 在本例中,所用的元件有:一个 74LS138、三个单刀双掷开关、八个指 示灯以及代表高低电平的输入电源信号, 下面以 138 的取用为例来说明元件 的选取。 首先明确 138 所在元件库为 TTL 库, 然后将鼠标指向 TTL 元件库, 打开元件库选中 74LS,再从库中找到并双击 74LS138,如图 3 所示。选中 的元件将会挂在鼠标上, 这时可以将其放置在电路窗口的合适位置上。 其余
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的元件按照同样的方法选取, 就不一一叙述了, 其中单刀双掷开关在基本元 件库,指示灯在指示器件库,输入电源信号在电源库。

图 3 74LS138 的选取 取出的元件参数如果需要编辑, 只需 双击该元件, 在打开的对话框中进行相应 的设置即可。 例如指示灯的电压可设置成 4.5V。 元件的复制、 删除与旋转等操作可用 编辑菜单中的命令来完成, 也可以选择快 捷菜单中的相关选项来完成。 快捷菜单可 通过点击鼠标右键来打开,如图 4。 第三步, 电路的连接。 将所需的元件 放在电路工作区中后,接 下来就要连接电 路了。一般有如下两种连接情形: 1. 两元件之间的连接: 将鼠标指 针移近所要连接的元件引脚一端,当出 现 图 4 快捷菜单的打开 一个小黑点时, 点击并拖动指针至另一元 件的引脚, 再次出现小黑点时点击, 系统即自动连接这两个引脚之间的线路,
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如图 5(a)所示。 2. 元件与某一线路的中间连接:从元件引脚开始,指针指向该引 脚并点击, 然后拖向所要连接的线路上再点击, 系统不但自动连接这两个点, 同时在所连接线路的交叉点上自动放置一个接点,如图 5(a)所示。对于 两条线交叉而过的情况,不会产生连接点。
C1

1uF R1 1kohm R2 1kohm

(a) 图5 电路的连接

(b)

按以上方法连接完电路后,将电路保存,以便于电路的调试和仿真。 第四步, 电路的仿真。 启动操作界面右上角的仿真开关, 或者按 F5 键, 若电路科学性无误, 仿真则不会显示出错提示, 否则应依照出错提示改正后 再进行仿真。 若需用仪器对电路进行测试, 则将仪器接入电路中相应的测试 点,仿真开始后,双击仪器使其面板放大,再按需要调整仪器的设置,显示 出完整的实验结果。仿真一段时间后,最好关闭仿真开关,或者再次按 F5 键,来进行静态分析,需要时再打开仿真开关。如果在仿真过程中想暂停, 可用鼠标左键单击仿真开关右方的暂停框,或者按 F6 键;再单击一次可恢 复仿真。 第五步, 实验结果的保存。 可将实验结果保存为两种格式:一 种是*.msm 文件, 以便于在软件环境下打开而进行进一步的仿真和调试; 另一种是文本 格式文件或图形文件, 这种文件可以在没有安装软件的计算机中打开,用 于 电路图的打印、写实验报告等。 三、实验内容 1. 译码器使用。用 74LS138 译码器和与非门设计一个全减器。写 出真值表、表达式,画出实验电路图。( A 为被减数,B 为减数,C 为低 设 位向本位的借位,S 是差值,Y 是本位向高位的借位)。 2. 多路选择器使用。用多路选择器 74LS153 和与非门、或门等设 计如下电路: a. 人类有四种基本血型,A、B、AB、O 型,O 型血可以输给任意血 型的人,而他只能接受 O 型;AB 型可以接受任意血型,但他只能输给 AB 型;A 型能输给 A 型或 AB 型,可以接受 A 型或 O 型;B 型能输给 B 型或
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AB 型,可以接受 B 型或 O 型。设计一个逻辑电路,其输入是欲进行“输送 –接受”的血型,当符合上述规则时,电路输出 F 为 1,其余 为 0,写出函数式,画出真值表。设 血 型 X Y Z W 计出实验电路图。 说明:设有四个输入变量 X、Y、 A 1 0 0 1 Z、W,用 X、Y 的不同组合表示输 B 0 1 1 0 送者的血型,用 Z、W 的不同组合表 AB 1 1 0 0 示接受者的血型,如右表所示。 b. A、B、C 三个车间,由发电机 O 0 0 1 1 F1、 2 供电, 1 的发电量是 F2 的两倍, F F A 的用电量等于 F1 的发电量,B 或 C 的用电量等于 F2 的发电量,当车间用 电超过发电量时,应产生报警信号 L,请设计发电机启停控制电路和报警电 路,写出函数式,列出真值表。设计出实验电路图。 (注:在本实验中,输入的“1”“0”信号可用电源库中的 VCC 和接 、 地符号分别产生,输出状态可用指示灯来观测。) 四、实验预习 1. 了解 Multisim 仿真软件的使用。 2. 熟悉译码器和多路选择器的管脚功能,设计出实验电路图。 五、实验报告要求 1. 说明设计思路及设计方法。 2. 打印出实验结果并对实验加以分析和说明。 3. 谈谈本次实验的心得体会。

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实验二 一、实验目的

数码管扫描显示电路

通过使用 Max+plus2 开发工具设计简单数字电路的实验,学习有 关可 编程逻辑器件 PLD 的基本知识,掌握原理图设计输入、编译、仿真的基 本方法,提高 EDA 设计方法的认识。 对 为进一步学好用好 EDA 设计奠定 基础 二、实验要求 (1)利用 Max+plus2 开发系统采用原理图方式进行设计,计数器每秒 计一次数, 外围 8 个数码管显示十进制计数器的计数结果, 同时计数器的输 出又作为数码管位译码输入信号,从而形成扫描信号。 (2)输入设计完成后, 为验证逻辑功能的正确性应进行逻辑功能仿真。 (3)下载到实验板进行实验验证。 三、实验设备 个人计算机、GEXIN EDAPRO/240H 实验箱,PLD 器件型号为 ACEX 系列的 EP1K30QC208 型号,下载电缆,插线等。 四、实验过程 (一)电路设计框图

PLD 器件
BCD-七段显示码

时钟信号

计数器

输出

数码管动态扫描

LED 显示电路 图1 总体设计框图

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3×8 译码显示驱动 SS0 SS1 SS2 A~G

图 2 带位译码选通的数码管显示电路 (二)设计原理

PLD 器件
图3 设计原理图

在原理图方式中设计了两个模块,其中一个使用 74160 十进制加法计 数器的输出 QA,QB,QC 形成共阴极数码管位译码选通输入信号 个数码管 (8 需 8 位扫描信号,实验板上 8 个数码管带 3×8 译码器,因此只需三位扫描 信号)。 QA,QB,QC,QD 作为另一个 BCD 码译码模块的输入数据,译码模块 的输出为七段显示码,输出端口 A~G 通过数码管驱动电路分别驱动各段来 点亮动态数码管。74160 的输入端有时钟信号 CLK 和复位信号 RESET。 (三)设计过程 a、打开图形编辑器 点击 File 菜单,选择 New 选项,打开如图 4 所示 New 对话框,单选 Graphic Editor file,最后点击 OK 按钮。
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b、原理图设计输入 在图形编辑器窗口的空白处单击鼠标左键以确定输入位置,双击鼠标 左键,将出现一个 Enter Symbol 对话框,如图 5 所示,在 symbol Library 框 中鼠标双击以选择相应的库。 则所选库中所有图元在 Symbol Files 列表框中 显示出来,单击选择所需图元,然后选择 OK,即可输入图元。

图 4 New 对话框

图 5 Enter Symbol 对话框

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(1)输入图元 根据原理图,在该实验中,需输入 74160 和 7448 图元,这两个图元在 符号库“.. \maxplus2\max2lib\mf\”中;以及输入 input、output 和 vcc 图元, 这三个图元在符号库“.. \maxplus2\max2lib\prim\ 中。 ” (2)连线 图元输入完成后,需将对应的两个端口连接。将鼠标移到其中一个端 口,则鼠标自动变为’+’形状。一直按住鼠标左键并将鼠标拖到第二个端口, 放开左键,则一条连线被画好了。如果需要删除一条连线,单击该线并按 Del 键即可。 (3)端口命名 端口连接完成后,还需对输入、输出图元或节点命名。 在图元的 PIN_NAME 处双击,然后输入名字,名字第一个字符必须是 字母。 c、保存文件 选择 File 菜单的 Save 选项, 将出现如图 6 Save As 对话框。 File Name 在 对话框内输入设计文件名,注意文件扩展名为“.gdf” ,然后选择 OK 即可保 存文件。

图 6 Save As 对话框 d、编译文件 编译文件按如下步骤进行: 首先,在编译一个文件前,必须确定一个设计文件作为当前项目。
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按如下步骤确定项目名: (1) 在 File 菜单中选择 Project\ Name 项, 将出现 Project Name 对话 框;

图 7 Project Name

对话框

(2)在 Files 列表框内选择需编译的文件; (3)选择 OK 按钮,即可将该设计文件设定为当前项目,系统的 标题条将显示新的项目名称。 若将正编辑的文件设定为当前项目, 只需在 File 菜单中选择 Project/Set Project to Current File即可,如下图 8 所示。

当前项目名

图8

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其次,选择目标文件下载的目标器件。 在主菜单 Assign 内选择 Device 项,将出现 Device 对话框; 在 Device Famlily 框内选择器件系列,这里我们选择 ACEX1K 系列, 在列表框 Devices 中选择具体型号为 EP1K30QC208-3。注意:对话框底部 的两个选项不选。

图 9 Device 对话框 最后,打开编译器窗口编译 在系统的 MAX+plusⅡ菜单中选择 Compiler 项即可打开编译器窗口, 如图所示。单击 Start 按钮即可开始编译。编译成功会出现如下对话框。

图 10

编译成功信息对话框

e、逻辑仿真 程序下载前,为验证以上所设计电路的逻辑功能是否正确,可先进行 逻辑功能仿真。 <1>首先生成仿真波形文件 (a)打开波形编辑器 点击主菜单的 MAX+plusⅡ/Waveform Editor 选项,就可在屏幕上显示 波形编辑器窗口。在未输入信号名以前,整个窗口是空白的。

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图 11 波形编辑器窗口 (b)确定仿真持续时间 选择主菜单 File 中的 End Time 选项, 可打开 End Time 对话框来设定仿 真时间的长短。 (c)选入输入输出端口名 点击主菜单 Node/Enter Node fron SNF 即可打开脚位接点对话框。在对 话框左下角 Type下面的选项选择 Inputs 和 outputs, 点击对话框右上角的 List 选项, 则在 Available Nodes & Groups列表栏中列出了所有输入输出端口名。 点击对话框中间的=>按钮,将输入输出端口名选进右侧的 Selected Nodes & Groups 栏,然后点击 OK 按钮。则在波形编辑窗口显示了输入输出端口名。

图 12

选入输入输出端口窗口
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(d)编辑输入信号波形 通过波形编辑器左侧的信号设置工具栏可以进行输入信号的波形编 辑。对于输出信号波形,由仿真结果确定,可以把它设置为缺省值。 (e)存盘 信号波形编辑完成后存盘,文件名采取默认方式即可。 <2>打开仿真器; 点击主菜单 MAX+plusⅡ\Simulator 项,此时弹出 Simulator 对话框。 如图 13 所示。

图 13 点击对话框的 Start 按钮,仿真即开始。仿真结束后单击右下角的 Open SCF 按钮即可以显示仿真结果。如图 14 所示。

将某段拖黑

放大缩小 赋值‘0’ 赋值‘1’ 赋值‘X’ 赋值‘Z’ 赋值取反 时钟信号赋值 总线顺序赋值 总线赋值

为 了 设 定此 段波 形为高电平,用 鼠 标拖黑, 然后再按 左侧的赋’1’按钮

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图 14

仿真结果

f、器件编程 器件编程按以下步骤完成: (1)管脚设定。即选择 PLD 目标器件的某些 I/O 管脚作为所设计电路 的输入输出端口。 具体操作为: 选择主菜单 MAX+plusⅡ中的 Floorplan Editor 选项打开管 脚设定窗口。若窗口下面部分不是 Device 视图,可选择主菜单 Layout 中的 Device View 和 Current Assignments Floorplan,即如下图 15 操作,则可看到 器件的管脚排列情况。

图 15 在 Unassigned Nodes & Pins 列表框中会出现所设计电路的输入输出端 口命名。将输入输出端口名分别用鼠标拖放到器件的一个 I/O 管脚上,实现 管脚的设定,注意 Clk 端口名应和器件的 Global CLK 管脚相对应。管交设 定完成后,再编译一次,系统生成最终编程文件。下图 16 的管脚设定情况 可供参考。
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图 16

管脚设定情况

(2)器件设定的引脚和数码管显示电路连接。 将实验箱左侧的 8 个数码管上方位选扫描信号接线组“DS1-8A(T)”和 数 码管 段 位 引线 组 的 引线 插 孔 分 别 和 目 标 器 件 的 73,74,75 及 83,85,86,87,88,89,90 管脚插孔通过导线连接。 代表时钟信号 Clk 的 79 管脚插孔和实验箱上的频率组 CLOCK(T)引线 插孔之一相连,这里和 21 号插孔连接(可提供 1Hz 时钟)。 代表复位信号 Reset 的 92 管脚插孔和实验箱上的多功能 复用按键 F1~F12 引线插孔之一相连,这里和 F1 插孔连接。 (3)打开编程器窗口编程。 在 MAX+plusⅡ主菜单中选择 Programmer 项, 编程器窗口如图 17 所示。 通过 JTAG 实现在系统编程: (a)将 ByteBlaster 电缆一端与微机并行口相连,另一端与实验箱的 JTAG 下载口相连。并打开实验箱电源。 (b)选择系统主菜单 Options 中的 Hardware Setup 命令,将出现如下 对话框,见图 17。在下拉条中选择 ByteBlaster(MV),指定配置时使用的并 行口 LPT1,按下 OK 按钮。 (c)在编程器窗口中检查编程文件和目标器件型号是否正确。如果选 择的编程文件不正确,可在 File 菜单中单击 Select Programming File 选项来 选择编程文件。注意: 对于该型号器件配置(编程)文件的扩展名为“.sof” 。 (d)将 PLD 器件插到编程插座中,单击 Configure 按钮。

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编程文件名

器件型号

硬件设置窗口

编程器窗口 图 17 g、实验操作 按下 F1 按键,观察显示器显示结果。增大或减小计数时钟频率,结果会发生什么变 化? 五、实验预习 学习 Max+plus2 软件的基本操作,认真阅读实验指导书,弄清内容与要求,熟悉设 计原理及设计流程,。 六、实验报告 (1)设计步骤; (2)具体操作过程; (3)逻辑仿真波形; (4)实验结果; (5)实验心得、体会及意见。

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