基础实验-电子技术应用实验教程综合篇

2.3.1　基础实验

一、实验目的

1．掌握数据选择器的功能和应用方法。

2．熟悉数码管的使用方法。

3．掌握二进制译码器和七段显示译码器的功能和使用方法。

4．学习中规模集成计数器的计数分频功能。

5．掌握组成数码管动态显示的工作原理和设计方法。

6．利用数据选择器和译码器等进行电路设计。

二、实验仪器与器材

1．双踪示波器一台

2．函数发生器一台

3．直流稳压电源一台

4．“数据选择和译码显示”实验底板一块

三、预习要求

1．认真阅读多路数据选择器、二进制译码器、七段显示译码器及同步计数器的相关资料，了解集成器件74LS153、CD4511、74LS139、74LS161的功能及使用方法。

2．掌握多位数码管动态显示电路的原理。

3．按设计任务要求，画出电路连接图及波形图，设计相应的实验步骤及实验表格。

4．回答预习思考题

（1）数据选择器是组合逻辑电路还是时序逻辑电路？

（2）什么是BCD码？

（3）电路中数据选择器74LS153的地址输入端的作用是什么？

（4）译码器74LS139的输出是高电平有效还是低电平有效？

（5）同步计数器74LS161在计数时，使能端S₂和S₁应该如何连接？

四、实验原理

1．数据选择器分时传输组成动态译码结构图如图2.3.1所示。

（1）用四路数据选择器从多路输入数据（BCD码）中选择其中1路送到输出端，由译码显示器驱动LED显示十进制数。四路数据由四个LED分别显示，由显示控制译码器控制选通，数据选择器和显示控制译码器由数据选通信号实现同步传输和显示。

（2）若用外来的数字信号，送至计数器CP端，将计数器输出Q_B、Q_A (依次循环输出00,01,10,11) 作为数据选择器的地址信号，则可使输出十进制数实现动态显示。

图2.3.1　数据选择器分时传输组成动态译码方框图

2．四位数码管动态显示电路原理图如图2.3.2所示。

图2.3.2　四位LED动态显示电路

（1）利用数据选择器的分时传输功能，可分别传送四组8421BCD码，并进行译码显示。一般一个数码管需要一个七段译码显示器，利用数据选择器和显示控制译码器组成动态显示，则若干个数码管可共用一片七段译码显示器。

（2）用4个四选一（本实验我们使用的是两片双四选一74LS153）数选可组成一个四路数据选择器。四路8421BCD码连接如图2.3.2所示：每一路数据的个位数全送至数据选择器A的D₀～D₃位，十位送选择器B的D₀～D₃位，百位送选择器C的D₀～D₃位，千位送选择器D的D₀～D₃位。当地址码为00时，数据选择器传送的是第一路8421BCD码（1001）；当地址码为01时，数据选择器传送的是第二路8421BCD码（0111）；当地址码为10时，数据选择器传送的是第三路8421BCD码（0000）；当地址码为11时，数据选择器传送的是第四路8421BCD码（0011），经七段译码驱动后就分别得到四路数据的七段显示码。被点亮的数码管受地址码A₁、A₀经2–4线译码器的输出控制。当A₁A₀=00时，Y₀=0，则对应第一路数据的数码管亮，其他依此类推为第二到第四路数据的数码管亮。

（3）当接入计数器后，由CP端输入一定频率的TTL信号，输出端Q_B、Q_A分别接数据选择器和显示控制译码器的地址输入端A₁、A₀，由于Q_B、Q_A端以00、01、10、11循环，故构成一个模4的计数器。当四个数码管以较高频率依次点亮时，由于人的视觉停留效果，看上去四个数码管都一直处于点亮的状态。

（4）用多位LED显示，一般采取动态扫描方式、分时循环显示，即多个发光管轮流交替点亮。这种方式是利用人眼的滞留现象，只要在1秒内一个发光管亮24次以上，每次点亮时间维持在2ms以上，则人眼感觉不到闪烁，宏观上仍可看到多位LED同时显示的效果。动态显示可以简化硬件、降低成本、减小功耗。图2.3.2所示是一个四位LED动态显示电路，七段驱动器输出LED字符七段代码信息，显示控制驱动器输出4个LED的位选通信号，即分时使Y₀～Y₃轮流有效，使得LED₀～LED₃轮流显示。

3．模块功能介绍。

（1）数据选择器。能够从来自不同地址的多路数字信息中任意选出所需要的一路信息作为输出的组合电路。数据选择器有多个输入、一个输出。其功能类似于单刀多掷开关，故又称为多路开关（MUX）。在控制端的作用下可从多路并行数据中选择一路送输出端。数据选择器的主要用途是实现多路信号的分时传送、实现组合逻辑函数、进行数据的串-并转换等。

TTL中规模数据选择器，是根据多位数据的编码情况将其中一位数据由输出端送出去的电路。74LS153是双四选一数据选择器，其中有两个四选一数据选择器，它们各有四个数据输入端1D₃、1D₂、1D₁、1D₀和2D₃、2D₂、2D₁、2D₀，一个输出端1Y、2Y和一个控制许可端S。选通控制端S为低电平有效。当控制许可端S=1时，传输通道被封锁，芯片被禁止，Y=0，输入的数据不能传送出去；当控制许可端S=0时，传输通道打开，芯片被选中，处于工作状态，输入的数据被传送出去。A₁、A₀是地址选择端，两路选择器公用。管脚图如图2.3.3所示。

图2.3.3　74LS153引脚图

表2.3.1　74LS153功能表

74LS153逻辑功能如表2.3.1所示。从功能表可看出，当S端输入为低电平时，四选一数据选择器处于工作状态，它有4位并行数据输入D₀～D₃，当选择地址输入A₁、A₀的二进制码依次由00递增至11时，4个通道的并行数据便依次传送到输出端Y，转换成串行数据。

（2）LED（Light Emitting Diode）显示器（七段数码管）。在数字系统中，常常需要将运算结果用人们习惯的十进制显示出来，这就要用到显示译码器。显示译码器主要用来驱动各种显示器件，如LED、LCD等，从而将二进制代码表示的数字、文字、符号“翻译”成人们习惯的形式，直观地显示出来。

目前用于显示电路的中规模译码器种类很多，其中用得较多的是七段显示译码器。它的输入是8421BCD码，输出是由a、b、c、d、e、f、g构成的一种代码，我们称之为七段显示码。根据字形的需要，确定a、b、c、d、e、f、g各段应加什么电平，就得到两种代码对应的编码表。七段显示码被送到七段显示器显示。

七段显示器分共阴极和共阳极两种形式，它们的外形结构和二极管连接方式分别如图2.3.4、图2.3.5所示。从图2.3.4和图2.3.5中可以看出，对于共阳极的显示器，当输入低电平时发光二极管发光；对于共阴极的显示器，当输入高电平时发光二极管发光。与之相应的译码器的输出也分低电平有效和高电平有效两种。如74LS46、74LS47为低电平有效，可用于驱动共阳极的LED显示器；74LS48、74LS49为高电平有效，可用于驱动共阴极的LED显示器。有的LED显示器带有小数点，一般用DP表示。

图2.3.4　外形结构图

图2.3.5

值得注意的是，有的译码器内部电路的输出级有集电极电阻，如74LS48，它在使用时可直接接显示器。而有的译码器为集电极开路（OC）输出结构，如74LS47和74LS49，它们在工作时必须外接集电极电阻，可通过调整电阻值来调节显示器的亮度。

（3）显示译码器。二-十进制译码器，用4位二进制数0000～1001分别代表十进制数0～9，称为二-十进制数，又称BCD码（Binary Coded Decimal）。

BCD码七段译码器的输入是一位BCD码（以D、C、B、A表示），输出是数码管各段的驱动信号以abcdefg表示，也称4-7译码器。若用它驱动共阴LED数码管，则输出应为高电平有效，即输出为高电平时，相应显示段发光。例如，当输入8421码DCBA=0100时，应显示4，即要求同时点亮bcfg段，熄灭ade段，故译码器的输出应为abcdefg =0110011，这也是一组代码，常称为段码。8421BCD码对应的显示如表2.3.2所示。

表2.3.2　BCD码与LED相应发光段对照表

CMOS集成电路CD4511是一个用于驱动共阴LED显示器的BCD码七段码译码器，其引脚图如图2.3.6所示，逻辑功能如表2.3.3所示。其功能如下：

LT：当BI=1，LT=0时，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。

BI：当BI=0时，不管其他输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭状态，不显示数字。

LE：使能控制端，当LE=0时，允许译码输出。

DCBA（D为最高位）：输入二进制码。

abcdefg：各笔画段控制端，输出高电平时点亮相应的笔画段。

表2.3.3　CD4511功能表

图2.3.6　CD4511引脚图(www.xing528.com)

（4）变量译码器。把输入二进制代码的状态翻译成对应的输出信号，即译码器输出表示输入变量的状态。如n位二进制译码器，其译码器的输入端有n个，译码器输出就有2ⁿ个。变量译码器可做数据分配器使用。双2-4线译码器74LS139，其引脚图如图2.3.7所示，功能表如表2.3.4所示。

图2.3.7　74LS139引脚图

表2.3.4　74LS139功能表

该译码器有两组2-4线译码器。每组有两个地址输入端A₁、A₀，四个译码输出端Y₀、Y₁、Y₂、Y₃，当输入为00时，Y₀输出为“0”，其他输出端为“1”；同理可推其他输出状态，即只有输出变量下标对应的二进制代码与输入代码相等的输出端为“0”，其他输出端为“1”。另外，该译码器还有一个使能端（选通端）G，当它为高电平时，输出全为高；当它为低电平时，才允许译码。

（5）同步计数器。计数器分为同步计数器和异步计数器，在同步计数器中，各触发器都是利用被计数的脉冲作为时钟，因此各触发状态同时更新。同步计数器具有工作速度快、译码后输出波形好等优点，使用非常广泛。四位二进制同步计数器74LS161能同步并行预置数据，异步清零，具有清零、置数、计数和保持四种功能，且具有进位信号输出，可串接计数使用。74LS161的引脚图如图2.3.8所示，其功能表如表2.3.5所示。

该计数器有清零信号，使能信号S₁、S₂，置数信号，时钟CP和四个数据输入端A、B、C、D，另外还有四个数据输出端Q_A、Q_B、Q_C、Q_D以及进位输出端Q_cc，且Q_cc=Q_A·Q_B·Q_C·Q_D·S₂。根据功能表分析计数器功能如下：

当，不管其他控制信号为何状态，对计数器清零。当，时钟脉冲上升沿到达时，不管其他控制信号为何状态，Q_AQ_BQ_CQ_D=ABCD，即完成了并行置数功能。而如果没有时钟脉冲的上升沿到达，尽管也不能将预置数据置入触发器。这就是同步预置与异步预置的不同之处。当，且S₁=S₂=1时，计数器伴随着时钟脉冲，将8421BCD码循环计数。当计数状态达到1111时，其Q_cc=1，产生进位输出，其脉宽为一个时钟周期。当，S₁=0，S₂=1时，计数器的所有输出（包括Q_cc）都处于保持状态。当，S₂=0，S₁为任意态时，计数器的进位输出Q_cc=0，其余输出处于保持状态。

图2.3.8　74LS161引脚图

表2.3.5　74LS161功能表

4．实验电路面板如图2.3.11所示。

（1）稳压电源给实验电路板提供10V电源，经7805得到电路中各个集成芯片所需的5V电压。

（2）将两片数据选择器74LS153的输入端D₀ C₀ B₀ A₀，D₁ C₁ B₁ A₁，D₂ C₂ B₂ A₂，D₃ C₃ B₃A₃分别接至拨动开关SW4、SW3、SW2、SW1进行数据输入，SW1～SW4可通过拨动开关对BCD码进行预置。

（3）数据选择器输出的8421BCD码DCBA经显示译码器CD4511驱动送至数码管显示。

（4）2-4线译码器74LS139的地址输入端与数据选择器的地址端已连接，74LS139的输出端1Y₃、1Y₂、1Y₁、1Y₀分别接至四个LED显示数码管的共阴端Y₃、Y₂、Y₁、Y₀，进行分时显示。

（5）2-4线译码器74LS139的地址输入端B、A的选择可手动选择或由计数器LS161动态选择。在手动选择时，将B、A端都接地为00，此时允许第一路信号输出；将B端接地，A端悬空为01，此时允许第二路信号输出；将B端悬空，A端接地为10，此时允许第三路信号输出；若B、A端都悬空时为11状态，此时允许第四路信号输出。若TTL信号送至计数器74LS161CP端，输出端Q_B、Q_A与数据选择器地址端B、A相连，则可进行动态显示。

五、实验任务及要求

实验任务：

1．BCD码-七段码显示译码器功能测试。

任选一组开关（SW1-SW4），将导线连接至译码器（CD4511）输入端；任意选择一位数码管，将公共端Y端接低电平。用逻辑开关SW输入BCD码0000—1111，观察数码管输出显示，将结果填入表2.3.6中，得出相应的实验结论。

表2.3.6　BCD码-七段码显示译码器功能测试表

2．测试变量译码器74LS139的逻辑功能。

（1）将实际测试时LED公共端Y₃，Y₂，Y₁，Y₀与译码器139的输出1Y₃，1Y₂，1Y₁，1Y₀之间的连线关系填入下面括号内。

Y₃—（　 ）； Y₂—（　 ）； Y₁—（　 ）； Y₀—（　　）。

（2）通过手动控制译码器74LS139的地址输入端B、A依次为00-01-10-11（地址输入端A、B悬空为高电平），用逻辑开关SW输入任意一组BCD码至显示译码器输入端，观察数码管输出显示，将结果填入表2.3.7中，得出相应结论。

表2.3.7　74LS139的逻辑功能测试表

3．测试数据选择器74LS153的逻辑功能。

（1）将2片74LS153的输出DCBA接显示译码器 CD4511的输入端DCBA。

（2）2片数据选择器可以选择4个数据（每个数据有4位如D_iC_iB_iA_i），可由发光管指示。实验报告上数据选择器的地址端B，A与74LS139的输入B，A端已连在一起，可用手动控制。

（3）手动控制B、A，实现在LED0、LED1、LED2、LED3上依次显示0，1，2，3，如表2.3.8所示。

表2.3.8　74LS153的逻辑功能测试表

4．实验任务：同步计数器工作波形测试。

将同步计数器74LS161的CP接入1kHz TTL信号，用示波器双踪测量，分别画出CP、Q_A、Q_B、Q_C、Q_D和Q_CC的波形。记录每个波形的幅度和周期（注意：CP，Q_A，Q_B，Q_C，Q_D，Q_CC波形时序一一对应），如图2.3.9所示。

图2.3.9　同步计数器74X161测试波形图

5．四路数据LED动态显示实验。要求：实现从左至右每隔1秒依次显示5、6、7、8以及左至右同时显示5、6、7、8。

实验电路见数码管的四位动态显示图。将74LS161同步计数器的输出端Q_B、Q_A与74LS139的输入B，A端（即数据选择器的地址输入端）相连，将计数器74LS161的CP端接1Hz的TTL信号，观测在LED0，LED1，LED2，LED3上自动按时钟周期依次显示5，6，7，8的情况；再将时钟频率调为1kHz时，又观察LED0，LED1，LED2，LED3的显示情况。

若改变输入频率，使之在500～2Hz范围变化，观察显示效果，得出相应结论，如表2.3.9所示。

表2.3.9　LED动态显示测试表

六、实验中的常见故障及解决办法

现象1：实验电路板没有供电。

解决办法：请检查电源线是否连接好，注意直流电源应接+10V。

现象2：不理解电路板上各芯片的供电电压是5V。

解决办法：电路板的供电电压是10V，经过7805三端稳压器稳压为5V后，作为电路板上各个集成芯片的供电电源电压。

现象3：数码管不能循环显示。

解决方法：应检查74LS139和74LS161的逻辑功能，或检查信号源提供的输入时钟是否正确。

现象4：同步计数器输出波形重叠，显示不稳定。

解决办法：请在示波器上选择频率低的信号做触发源，并调节触发电平。

七、实验报告中的数据要求

1．用示波器双踪测试输入输出波形，并画出波形图时应标明参数。

2．根据实验结果分析各个电路的工作原理。

4．总结各个测试结果的结论，分析并总结实验中易发生的错误。

八、思考题

1．在数码管的四位动态显示实验时，将CP端接的TTL信号频率由500Hz逐渐减小，再由500Hz逐渐变大，观察数码管的显示有何变化，为什么？

2．根据图3.6.9所示实验结论，试分析Q_A、Q_B、Q_C、Q_D、Q_cc分别与CP的分频关系。

3．用BCD码7段译码显示器驱动数码管，译码器与数码管之间串接电阻，为什么?

4．用74LS153及门电路组成八选一数据选择器。