数字显示电路实验报告完整

电工电子教学基地

《数字电子实验》课程报告实验一数字显示电路

小组成员

完成时间2012年11月9日

●Ⅰ、实验目的……………………………………… 2.

●Ⅱ、设计要求………………………………..... 3.

●Ⅲ、各模块设计方案…………………………… 4.

●Ⅳ、元件清单............................................................. 12.

●Ⅴ、电路的焊接过程与调试故障分析............…12.

●Ⅵ、仿真报告…………………………………14.

●Ⅶ、设计过程体会......................................................... 14.

●Ⅷ、参考文献 (16)

数字显示电路实验将传统的4个分离的基本实验，即基本门实验，编码器、显示译码器、7段显示器实验，加法器实验和比较器实验综合为‘—个完整的设计型的组合电路综合实验。通过本实验，要求学生熟悉各种常用MSI组合逻辑电路的功能与使用方法，学会组装和调试各种MSI组合逻辑电路，掌握多片MSI、SSI组合逻辑电路的级联、功能扩展及综合设计技术，使学生具有数字系统外围电路、接口电路方面的综合设计能力。

本次实验的目的为：

1、掌握基本门电路的应用，了解用简单门电路实现控制逻辑。

2、掌握编码、译码和显示电路的设计方法。

3、掌握用全加器、比较器设计电路的方法。

Ⅱ、设计任务与要求

1. 数字显示电路操作面板：左侧有16个按键，编号为0到15数字，面板右侧有2个共阳7段显示器，操作面板如图所示。

高位低位

图1：显示电路面板示意图

2. 设计要求：当按下小于10的按键后，右侧低位7段显示器显示数字，左侧7段显示器显示0；当按下大于9的按键后，右侧低位7段显示器显示个位数字，左侧7段显示器显示1。若同时按下几个按键，优先级别的顺序是15到0。现配备1个4位二进制加法器74LS283，2个8线-3线优先编码器74LSl48，2个四2输入与非门74LS00，2个显示译码器74LS47。

Ⅲ、各模块设计方案

该数字显示电路为组合逻辑电路，可分为编码、译码和显示电路以及基本门电路、全加器电路。实验采用的主要器件有1个4位二进制加法器74LS283，2个8线-3线优先编码器74LSl48，2个四2输入与非门74LS00，2个显示译码器74LS47。

一、基本原理分析

1. 编码电路

16线-4线编码器输入信号为15A _0A ,低电平有效,而且15A 的优

, 0

A 的优先权最低.输出3Z 2Z 1Z 0Z 为4位2进制反码(即0000-1111 ) .可用第一片的输入端I7-I0分别接15A -8A , 第二片的7I -0I 接7A -0A . 显然第一片的优先权应高于第二片,只有当15A -8A 无信号时才允许第二片工作.因此,将第一片的选通输出端Ys 和第一片的控制端S 相连,即可实现上述功能.通过与非门,将Z 3 Z 2 Z 1 Z 0取反. 2． 基本门电路，全加器电路

根据系统的要求,显示输入应为8421BCD 码,可以采用加6的方法实现.当小于9时直接输入,当大于9时,将BCD 码加6(溢出后相当于减10) 且十位进1.由74LS47的真值表可知BI/RBO LT RBI 三引脚置高电平. 3. 译码、显示电路

将经过编码、基本门电路和全加器电路得到的四位二进制经译码器得到8421BCD 码，由于采用7447显示译码器，其输出为低电平有效，因此采用共阳数码管。

二、各种芯片的功能介绍如下： 1、8—3线优先编码器74LSl48简介

在数字系统中，常采用多位二进制数码的组合对具有某种特定含义的信号进行编码。完成编码功能的逻辑部件称为编码器。编码器有若干个输入，对于每一个有效的输入信号，给与电平信号的形式表示的特定对象，产生惟一的一组二进制代码与之对应。

按照编码信号的特点和要求，编码器分为3类。即二进制编码器，可用与非门构成4-2线、8-3线编码器。二—十进制编码器，将0~9十进制数变成BCD 码，如74LS147、优先编码器。

74LS148是一种常用的8—3线优先编码器，其功能真值如表一所示。

图2：74LSl48外引线排列图

芯片工作原理

74LS148是8-3线优先编码器，其外引线排列如图2所示。7I ~0I 为8个信号输入，低电

平有效。210Y Y Y 、、为３位代码输出（反码输出）。S T 为选通输入端，当S T =0时允许编码；当S T =1时输出210Y Y Y 、

、和E X S Y Y 、被封锁，编码被禁止。S Y 是选通输出端，级联应用时，高位片的S Y 端与低位片的S T 端相连接，可以扩展优先编码功能。E X Y 为优先扩展输出端，级联应用时可作为输出位的扩展端。

74LS148功能表

输入

输出

S T

I 1

I 2

I 3I 4

I 5

I 6

I 7

I 2

Y

1

Y 0

Y

EX

Y S

Y

1

× × × × × × × × 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 × × × × × × × 0 0 0 0 0 1 0 × × × × × × 0 1 0 0 1 0 1 0 × × × × × 0 1 1 0 1 0 0 1 0 × × × × 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 × × × 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 × × 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 × 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

2、3—8线二进制显示译码器74LS47简介

译码是编码的逆过程，以码器的功能与编码器相反，它将具有特定含义的不同二进制代码辨别出来，翻译成对应的输出信号。

译码器也分成3类，二进制译码器如3—8线译码器74LS138。二—十进制译码器可实现各种代码之间的转换，例如74LS145。显示译码器，用来驱动各种数字显示器，如共阳极数码驱动器74LS47。

图3：74LS47译码器/驱动器外引线排列

芯片工作原理

74LS47是驱动共阳极数码管的译码驱动器。其外引线排列如图3所示。为了直接驱动指示灯，74LS47的输出是低电平作用的，即输出为0时，对应字段点亮；输出为1时，对应字段熄灭。A 、B 、C 、D 接收二进制码输入，a b c d e f g Q Q Q Q Q Q Q 、、、、、、的输出分别驱动7段一码管的a 、b 、c 、d 、e 、f 和g 段。

译码管有4个使能端，灯测试输入LT 、静态灭灯输入B I ，动态灭零输入RBI 、动态灭零输出R B O 。

74LS47功能表

当LT 接低电平是，译码器各段输出低电平，数码管7段全亮，因此可利用此段输入低电平对数码管进行测试。RBI 是动态灭零输入使能端，当B I =1，LT =1，RBI =0时，如果输入数码DCBA=0000，译码器各段输出均为高电平，数码管不显示数字（但输入其它数码，数码管仍显示），并且灭零输出R BO 为0。利用RBI 端，可对无意义的零进行消隐。B I 是静态灭灯输入使能端，

它与动态灭零输出R B O 共用一个输出端，当B I =0，不论DCBA

为何状态，译码器各段输出均为高电平，显示器各段均不亮，利用B I 可对数码管进行熄灭或工作控制。R B O 是动态灭零输出端，当RBI =0、LT =0，、DCBA=0000时，且R BO =0表示译码器处于灭零状态。R B O 端的设置主要用于多个译码器级联时，对无意义的零消隐。

3、集成加法器74LS283功能简介

全加器是实现二进制加运算的功能器件，然而人们更习惯于十进制的运算。用

4位

二进制加法器构成BCD 码加法器，当运算结果（和）小于或等于1001时，BCD 码加法与4位二进制加法结果相同；当和数大于1001，由于BCD 码是逢十进一，而4位二进制加法是逢十六进一，因此要在组间进位方式上加一个校正电路，即在4位二进制数相加结果大于9时，电路在自动加6。如集成加法器74LS283

74ls283外引线排列图

芯片工作原理

集成加法器74LS283是4位二进制超前进位全加器。外引线排列如图4所示。

1234A A A A 、、、和1234B B B B 、、、分别为加数和被加数，1∑、2∑、3∑、4∑为和数，

0C 为低位进位，4C 为本进位。

74LS283逻辑功能表

4、集成芯片74LS00功能简介

由于编码器输出的为反码，所以在编码器输出到加法器的中间加入了与非门用与对反码的反相成为原码。与非门芯片74LS00管脚如图三

图5：74LS00外引线排列图

图6中一，二，三，四非门和与非门。因为编码器只能有一片工作，在另一片不工作时其输出端为高电平，因此二，三，四与非门对工作片来说相当非门的作用。

②电路图设计及原理、功能说明

数字显示电路设计电路图如图6所示：

图6：数字显示电路的组合电路图

电路工作原理

（1）编码、译码和显示电路

16线—4线编码器输入信号为15

A的优先权最高，0A的

A~0A，低电平有效，而且15

优先权最低。输出3z、2z、1z、0z为4位二进制反码(即0000~1111)。可用第一片的输入端7I~0I。分别接15

A，显然第一片的优先权应高于第A～8A，第二片的7I~0I接7

A~0

二片，只有当15

A～8A无信号时才允许第二片工作。因此，将第一片的选通输出端s Y和第二片的控制端s相连，即可实现上述功能。通过与非门，将3z、2z、1z、0z取反。

（2）基本门电路、全加器电路

根据系统的要求，显示输入应为8421BCD码，可以采用加6的方法实现。当小于9时，直接输入；当大于9时，将BCD码加6(溢出后相当于减10)且十位进1，如图2—3所示，由74LS74的真值表可知面B I/R B O,LT,R B I三引脚置高电平。

在74LS47与数码管之间应接有保护电阻。数码管有7个发光二极管组成，发光二极管是一种半导体发光器件，其特性是正向压降为1.6~1.8V，导通电流是5~20mA，当发光二极管接正向电压（且大于正向压降）是发光管导通并且发光，当发光二极管所接正向电压小于正向压降时，发光管不导通，不发光。使用发光二极管时要注意防止过高电压直接加在发光二极管两端形成大电流而烧坏二极管。一般在测量电路中串接限流电阻。在电路中，高电平值为5V，则电阻值为

R=V

= (5-1.8) / 0..20=160Ω

I

即保护电阻取值在200Ω左右，实验中取200Ω。

电路实现的功能概述

电路用两片74LS148，第一片为高位输入片，第二片为低位输入片，在高位工作时，要求低位禁止工作。电路通过将高位片的选通输出端s Y接到低位片的控制输入端S，当高位片工作时s Y输出为高电平低位片不工作；当高位片不工作时，s Y输出为低电平，低位片工作，因此实现了高低位优先级别。

由于编码器输出的为反码，所以在编码器输出到加法器的中间加入了与非门用与对

反码的反相成为原码。因为编码器只能有一片工作，在另一片不工作时其输出端为高电

平，因此三个与非门对工作片来说相当非门的作用。

用4位二进制加法器构成BCD码加法器，当运算结果（和）小于或等于1001时，BCD 码加法与4位二进制加法结果相同；当和数大于1001，由于BCD码是逢十进一，而4位二进制加法是逢十六进一，因此要在组间进位方式上加一个校正电路，即在4位二进制数相加结果大于9时，电路在自动加6。电路如图5所示。

电路高位片工作时，

Y输出为0，经反相器后为3Z=1。当1Z，2Z有一个为高电平

E S

时（

Z=1，1Z=1时为1010，即数字10）经过三个与非门后输出为高电平，所以加法器3

加6。同时高位译码器输入0001，高位数码显示管显示1。

Ⅳ、元件清单：

元件名称数量

编码器74LS148 2

与非门74LS00 2

译码器74LS47 2

七段共阳数码管 2

加法器74LS283 1

导线，焊锡若干

按键16

电路板（单联板） 1

300Ω电阻14

Ⅴ、电路焊接过程及故障分析

一、焊接过程

在电路的设计完成后，接下来进行的是电路板的实际焊接工作。弄得按图6的电路图以及各个芯片的外引脚图示进行焊接。由于这次焊接用到的开关和芯片较多，所以在焊接开始之前要先对照元件大小多少，大概的设计好各元件的焊接位置，预先为布线留下足够的空位。因为看到有的组将线排布在正面，板子焊好后正面显得非常乱，甚至开关都看不见了。为了避免这种情况，我们决定好好排版，并且不用插排针的方法，而是用脱焊的方法完成板子的焊接。力求焊的板子不仅能用而且美观。我们画出一个设计草图，将7块芯片16个开关安排到合适的位置上，注意要考虑到每个芯片和开关都要接VCC 和GND，最后我们决定将数码管放到左上角，16个开关呈正方形排列在数码管正下方，方便控制。7个芯片和14个电阻均匀排列在板子右边。这样板子正面看起来就很简洁美观。为防止芯片在焊接过程中被烧，焊接时先焊上芯片座，再将芯片插在上面。然后按照图6所示的电路图依次连线并焊接。最后引出一条VCC连在了一起然后在上方引一条外接线出来作为整块电路板的电源线；将电路中所有接地的部分，包括开关接地及芯片的GND接在一起然后在下方再引一条外接线出来作为整块电路板的地线。最后焊接完成的结果果然不出所料，比其他组看起来美观了许多。（板子正反面布线如图）

我们也为自己的努力收到了回报感到由衷的喜悦。

板子正面：

板子反面：

二、故障分析处理

这次设计焊接的是组合逻辑电路的实验，因为上学期模拟电子技术实验刚过去不久，大一就开始接触电子电工，我们对焊接的操作还是比较熟悉的。设计电路部分难度不大，通过思考查资料等方式，有7芯片和8芯片2种设计方法，归根结底是一样的，最后我们选择了7芯片的设计方案。原以为会走得非常顺利，结果还是出现了许多想不到的情况。

1、焊接中出现短路，虚焊的情况。

这个错误真的是很难避免。刚开始焊前几个管脚的时候由于太久不操作有点生疏，导致前几个管脚有个焊不好，出现了虚焊，后来检查的时候纠结了很久才查到。这个检查的方法是用万用表测，后来是一个个测试才查出错误的。

2、电路图和实际连线不符。

出现这个问题在于焊接的时候没有数清楚管脚。芯片正面放置时按凹陷处看管脚，反面焊接的时候容易把管脚的正反看错。关键在于注意看芯片的半月形在哪边。还有一种情况是漏焊，我们组焊接的时候每个管脚都认真查看，本以为没问题了，接果上电直接显示10，按按钮只有1，3，5，7，9，11，13，15能正常显示，其他的数字不能显示。后来将连线和电路图一条条认真核对才发现漏焊了一条导线。后来补焊这条导线之后问题就解决了。

3、数码管有问题。

这个其实是元件的问题。一开始数码管有一个不亮，只有有半边的数字，后来换了个新的数码管就好了。才发现是元件本身就有问题。下次焊接前要是能保证元件都是正常的就好了。当然这种问题很少出现，这次遇到了就记录下来。

Ⅵ、仿真报告

按照电路原理图进行搭接，可得到如图所示的仿真电路图。

由仿真图得知该电路图设计合理。

Ⅶ、实验感想

组长：072

通过设计数字显示电路，我了解到了数字电子实验与模拟电子实验不同，模拟电子实验仿真情况与实际情况出入很大，仿真结果是在理想情况下得出的结果；而数字电子实验则不同，焊接过程不出现错误，实际情况与仿真基本吻合。在设计电路时不能只以仿真结果为主，要考虑到各方面对电路的影响。比如焊电路板时，导线尽量不要缠在一起，这样会容易产生自激。而在仿真程序中就不用考虑到这种情况。这就给电路板的排版布局带来了困难。还有电容的耐压值，在电路仿真时不需要考虑而在实际焊接电路时必须考虑进去。

我们选择的是单孔板，单孔板不像三连板那样有默认连通的三个孔，必须挨个接导线和拖锡，我们在排版中花费了比较多的时间，尽可能优化电路的排版，这样可以减少导线的引入。

同时，通过这个设计性试验，使我更加深刻的认识了前置放大电路编码器、译码器

和全加器的功能及设计的思路。也了解到了不同元件电路的优缺点，为以后再设计其它电路奠定了一定的理论和实践基础。

我们在设计制作工程中三人各负责什么都很明确，有人是电路设计，有人是焊接电路，有人是撰写实验报告。但我们的分工明确不是指独立的完成自己的任务而不管他人的工作。我们是主要用心做好自己的任务，同时都参与到他人的工作，这样才能使我们在提高效率的同时也能更好的掌握实验原理、焊接技术与试验报告的撰写要点，使我们学到更多知识。

我们组在制作中也遇到了很多困难与问题。但我们并没有被困难所吓倒，我们组员通过一起讨论、上网查找资料、咨询老师一个个的将问题解决。其中我们遇到问题最多的就是在焊接电路与调试电路中，在实验中是不可能一次就成功的，当我们焊接完电路板后，接上电源信心满满的认为会出现效果时，总是一次次失败，但我们每次失败后我们总是耐心的寻找错误并解决它。找错误也有很大的学问，我们应该从第一级开始一级级检查，看哪级出现的结果不对再在那以及上寻找，这样就能更快的找到问题所在了。每改正一次错误后我们就离成功又近了一步。

组员：063

这块电路板是本学期焊接的第一块板子。上学期刚完成的两块模拟电路板还记忆犹新，所以焊这块板子的任务布置下来以后大家都跃跃欲试。因为考虑到我们组只有2个人，所以我们对分工进行的比较细，由于组长对焊接得比较熟练，所以这次他主要负责的是板子的焊接工作。我负责实验数据收集和报告撰写，并一起完成了调试过程。在焊接之前，我们仔细搜集了有关资料，并且看了其他组已经焊完的板子，看到的板子基本上分为几种：

1、用插针排线法

用这个办法优点是可以让焊接变得简单，因为要焊接的很少，只需要把基本的元件焊接在电路板上，在焊上排针，就可以用排线插到排针上连线了，如果出错方便拔开重新连接。缺点是线比较多，容易看的眼花，而且如果把线焊到和开关同一面的很容易造成线把开关和数码管挡住，操作极为不便。把线接到背面还是显得比较乱。

2、用脱焊直接将线焊到电路板上

这也是我们组选用的方法，优点是焊接完成后看起来比较整齐，没有排针那样一串串乱乱的线，检查电路的时候看点与点的连接更清楚。缺点是脱焊要求对焊接掌握的比较熟练，一旦电路出错要重新焊就比较麻烦。

鉴于看到其他组的情况，正面焊的线实在太多，最后我们决定还是用脱焊法。

从焊接到调试成功过程大概用8个小时，我自己焊的几个管脚都不太好看，有点瑕疵。组长精益求精的想法指导下，我们又把它重新焊好弄得平整起来，把线也好好排布了一下。刚开始焊错线了一次，把它拆下来花费了很多时间，下次实验一定要仔细看清楚连接情况，争取不再出现这种错误。

Ⅷ、参考文献

1.数字电路实验一体化教程，侯建军，北京：清华大学出版社，2005年。

2.2. 电子技术基础实验与课程设计，高吉祥，北京：电子工业出版社，2002年。

3. 电子技术基础实验，陈大钦，武汉：华中科技大学出版社，2001年。

4. 电子线路设计、实验、测试，谢自美，武汉：华中科技大学出版社，2000年。