实验一 组合逻辑电路
姓名：zhz 实验日期：2025年11月6日
实验目的
- 认识数字集成电路，能识别各种类型的数字器件和封装
- 掌握小规模组合逻辑和逻辑函数的工程设计方法
- 掌握常用中规模组合逻辑器件的功能和使用方法
- 学习查找器件资料，通过器件手册了解器件
- 了解面包板的基本结构、掌握面包板连接电路的基本方法和要求
- 了解实验箱的基本结构，掌握实验箱电源、逻辑开关和LED电平指示的用法
- 学习基本的数字电路的故障检查和排除方法
实验内容1：数值判别电路
实验仪器
- 数字逻辑电路实验箱及其外设装置---供电、脉冲、边沿和时钟
- 集成芯片：74HC20（双4输入与非门）、74HC00（四2输入与非门）、74HC04（六反相器）
- 外围设备：逻辑电平开关、LED指示灯、导线若干
实验设计方案(a)
1. 真值表
| B3 | B2 | B1 | B0 | Y |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | X |
| 1 | 0 | 1 | 1 | X |
| 1 | 1 | 0 | 0 | X |
| 1 | 1 | 0 | 1 | X |
| 1 | 1 | 1 | 0 | X |
| 1 | 1 | 1 | 1 | X |
2. 卡诺图
| B3B2\B1B0 | 00 | 01 | 11 | 10 |
|---|---|---|---|---|
| 00 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 01 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 11 | X | X | X | X |
| 10 | 0 | 0 | X | X |
3. 逻辑化简
逻辑表达式：
Y = B̅₃B₂ + B̅₃B₁B̅₀
= B̅₃(B₂ + B₁B̅₀)
= B̅₃(B₂ + B₁)(B₂ + B̅₀)
由于要求只使用与非门和非门，需要将上述表达式转换为与非-与非形式。
4. 逻辑电路图
5. 硬件连接图
6. 实验过程
搭建好电路并进行测试，按照真值表顺序从第一组测到第十组的过程中发现前7组结果正常，第8组理论应输出低电平，实际却输出高电平，继续测试发现后面几组测试结果均正确，经过故障排查发现电路地线接错地方，接到电源的负极输出端。将地线接GND之后重新测试一遍发现电路输出结果正常。
7. 测试方案
| B3 | B2 | B1 | B0 | Y | 测试结果 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
8. 实验分析
- 基于真值表绘制卡诺图并化简，得到逻辑表达式后，转换为与非-与非形式，仅使用与非门和非门完成电路设计
- 硬件连接采用74HC20和74HC00芯片，通过实验箱的逻辑电平开关输入信号，LED指示灯显示输出
- 测试遍历所有有效输入组合，输出结果与理论真值表完全一致，电路功能实现正常
实验设计方案（b）
1. 真值表
| B3 | B2 | B1 | B0 | Y |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
2. 卡诺图
| B3B2\B1B0 | 00 | 01 | 11 | 10 |
|---|---|---|---|---|
| 00 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 01 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 11 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 10 | 0 | 0 | 0 | 0 |
3. 逻辑化简
逻辑表达式：
Y = B̅₃B₂B̅₁B̅₀ + B̅₃B₂B̅₁B₀ + B̅₃B₂B₁B̅₀ + B̅₃B̅₂B₁B₀
= B̅₃B₂(B̅₁B̅₀ + B̅₁B₀ + B₁B̅₀) + B̅₃B̅₂B₁B₀
4. 逻辑电路图
5. 实验过程
测试前对照逻辑电路图，再次确认74HC系列门电路的引脚定义例如74HC00的输入输出引脚、电源与接地引脚，并检查实验箱的逻辑电平开关、LED指示灯模块是否正常供电。整理所需导线，按信号流向（输入→芯片→输出）规划导线连接路径，避免导线交叉缠绕影响后续排查。
6. 测试方案
| B3 | B2 | B1 | B0 | Y | 测试结果 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 |
7. 实验小结
依据”数值大于2且小于7”的需求构建真值表，无无关项，所有16种输入组合均有明确输出状态。通过卡诺图化简得到逻辑表达式，采用门电路搭建逻辑电路，输入输出连接方式与方案a部分一致。测试覆盖全部16种输入组合，LED显示结果与理论输出完全匹配，电路满足设计要求。
实验内容2：3位二进制原码转补码电路
实验仪器
- 数字逻辑电路实验箱及其外设装置---供电、脉冲、边沿和时钟
- 集成芯片：74HC86（四2输入异或门）、74HC00（四2输入与非门）、74HC04（六反相器）、74HC151(8选一数据选择器)、74HC138(3线-8线译码器)
- 外围设备：逻辑电平开关、LED指示灯（3个）、导线若干
实验设计方案（a）
1. 真值表
| 输入(原码) | 输出(补码) |
|---|---|
| A₂ A₁ A₀ | Y₂ Y₁ Y₀ |
| 0 0 0 | 0 0 0 |
| 0 0 1 | 1 1 1 |
| 0 1 0 | 1 1 0 |
| 0 1 1 | 1 0 1 |
| 1 0 0 | 1 0 0 |
| 1 0 1 | 0 1 1 |
| 1 1 0 | 0 1 0 |
| 1 1 1 | 0 0 1 |
2. 卡诺图
Y₂卡诺图：
| A₂\A₁A₀ | 00 | 01 | 11 | 10 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
Y₁卡诺图：
| A₂\A₁A₀ | 00 | 01 | 11 | 10 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
Y₀卡诺图：
| A₂\A₁A₀ | 00 | 01 | 11 | 10 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | 0 |
3. 逻辑表达式
Y₂ = A̅₂A₁ + A̅₂A₀ + A̅₂A₀A̅₁ = A₂ ⊕ (A̅₁A̅₀)
Y₁ = A₁ ⊕ A₀
Y₀ = A₀
4. 逻辑电路图
5. 验证结果表格
| 测试序号 | 输入A₂A₁A₀ | 理论输出Y₂Y₁Y₀ | 实际输出Y₂Y₁Y₀ | 结果 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 000 | 000 | 000 | 符合 |
| 2 | 001 | 111 | 111 | 符合 |
| 3 | 010 | 110 | 110 | 符合 |
| 4 | 011 | 101 | 101 | 符合 |
| 5 | 100 | 100 | 100 | 符合 |
| 6 | 101 | 011 | 011 | 符合 |
| 7 | 110 | 010 | 010 | 符合 |
| 8 | 111 | 001 | 001 | 符合 |
6. 实验分析
硬件连接通过实验箱逻辑电平开关输入原码，3个LED指示灯分别显示补码的三位输出。测试遍历所有8种输入组合，实际输出与理论补码完全一致，所有测试结果均符合要求，电路功能准确实现。
实验设计方案（b）
1. 逻辑表达式
Y₀ = A₀
Y₁ = A₁ ⊕ A₀
Y₂ = Σm(1,2,3,4)
2. 逻辑电路图
3. 硬件连接图
4. 实验过程
整理所需导线，按信号流向（输入→芯片→输出）规划导线连接路径，避免导线交叉缠绕影响后续排查。搭建电路时，先将74HC芯片插入实验箱的IC插座，确保芯片引脚与插座完全贴合，无虚接情况。连接电路后测试得出测试结果。
5. 验证结果表格
| 测试序号 | 输入A₂A₁A₀ | 理论输出Y₂Y₁Y₀ | 实际输出Y₂Y₁Y₀ | 结果 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 000 | 000 | 000 | 符合 |
| 2 | 001 | 111 | 111 | 符合 |
| 3 | 010 | 110 | 110 | 符合 |
| 4 | 011 | 101 | 101 | 符合 |
| 5 | 100 | 100 | 100 | 符合 |
| 6 | 101 | 011 | 011 | 符合 |
| 7 | 110 | 010 | 010 | 符合 |
| 8 | 111 | 001 | 001 | 符合 |
6. 实验分析
本实验题目中Y1的输出可用与非门来搭建，相比较两种方法都很省芯片省跳线。和老师沟通之后得知数据选择器一般和与非门来搭配使用，以后的搭建过程中如无特殊要求我会优先选择与非门的使用。
实验设计方案（c）
1. 逻辑表达式
Y₀ = A₀
Y₁ = A₁ ⊕ A₀ = (A₁A̅₀ + A̅₁A₀)
Y₂ = A̅₂A₁ + A̅₂A₀ + A̅₂A₀A̅₁ = (A̅₂A₁ + A̅₂A₀A̅₁)
2. 逻辑电路图
3. 硬件连接图
4. 实验过程
按照逻辑电路图搭建好电路之后，按照3位二进制数真值表的顺序依次调节逻辑电平开关，设置输入组合。每设置一组输入，观察LED指示灯的亮灭状态，并立即记录结果。
5. 验证结果表格
| 测试序号 | 输入A₂A₁A₀ | 理论输出Y₂Y₁Y₀ | 实际输出Y₂Y₁Y₀ | 结果 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 000 | 000 | 000 | 符合 |
| 2 | 001 | 111 | 111 | 符合 |
| 3 | 010 | 110 | 110 | 符合 |
| 4 | 011 | 101 | 101 | 符合 |
| 5 | 100 | 100 | 100 | 符合 |
| 6 | 101 | 011 | 011 | 符合 |
| 7 | 110 | 010 | 010 | 符合 |
| 8 | 111 | 001 | 001 | 符合 |
6. 实验小结
本实验使用三种方法设计三位源码转补码的电路，通过三种电路的设计，我深刻理解到电路设计的灵活性与科学性，在设计电路的过程中，应善于从不同角度看待问题，从而选择更简洁更方便的方法，三种设计方案中，我学会了很多74系列芯片的使用方法，也从不同角度理解了电路的灵活性，对我以后的设计有很大的帮助。
实验内容3：血型配对电路
实验器材
- 数据选择器（74HC151）1片
- 逻辑电平开关（4个，对应输入D、C、B、A）
- LED指示灯（1个，对应输出Y）
- 实验面包板、导线若干
实验设计方案
1. 真值表
| D | C | B | A | Y |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
2. 卡诺图
| DC\BA | 00 | 01 | 11 | 10 |
|---|---|---|---|---|
| 00 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 01 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 11 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 10 | 0 | 0 | 1 | 1 |
3. 逻辑化简
逻辑表达式：
Y = D̅C̅ + D̅BA + DCBA + D̅C̅B̅A̅
4. 逻辑电路图
5. 硬件连接图
6. 实验过程
- 电源连接：将芯片的Vcc和GND分别连接到直流电源的对应端，为芯片供电
- 芯片放置：将74HC151（数据选择器）插入面包板，确保引脚与电源、地正确连接
- 输入电路连接：将4个逻辑电平开关分别连接到数据选择器的地址端（D→A₂、C→A₁、B→A₀）和数据端（A），作为输入信号源
- 逻辑门连接：根据化简后的逻辑，用与非门构建辅助逻辑电路，连接到数据选择器的输入引脚（如D₀~D₇）
- 输出电路连接：将数据选择器的输出端Y连接到LED指示灯
7. 测试方案
| D | C | B | A | Y | 测试结果 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
8. 实验分析
调试方案：当输入为O型输血给任意血型（D=0、C=0，B、A任意）时，LED应点亮；当输入为A型输血给A型、AB型（D=0、C=1，B=0、A=1或B=1、A=1）时，LED应点亮；当输入为B型输血给B型、AB型（D=1、C=0，B=1、A=0或B=1、A=1）时，LED应点亮；当输入为AB型输血给AB型（D=1、C=1，B=1、A=1）时，LED应点亮；其他非法组合时，LED应熄灭。
结果分析：根据结果表格，对应真值表发现电路测试结果正确。
实验内容4：保险箱数字密码锁（选做）
实验器材
- 74HC00芯片(2片)、74HC20（1片）
- 逻辑电平开关（4个，对应输入A3、A2、A1、A0）
- LED指示灯（1个，对应输出Y）
- 实验面包板、导线若干
实验设计方案
1. 真值表
| E | A3 | A2 | A1 | A0 | Z1 | Z2 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | X | X | X | X | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 |
2. 逻辑表达式
Z1 = E·A3·A̅₂·A1·A0
Z2 = E·(A̅₃ + A₂ + A̅₁ + A̅₀)
3. 逻辑电路图
4. 硬件连接图
5. 实验过程
使用4个输入信号，通过实验箱上的逻辑电平开关实现；1个输出端连接到实验箱上的LED指示灯。按照真值表要求，拨动逻辑电平开关以改变输入信号的值，遍历所有输入组合，观察并记录输出信号的值。
6. 测试结果
| E | A3 | A2 | A1 | A0 | Z1 | Z2 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | X | X | X | X | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 |
7. 结果分析
测试所有输入组合，结果应与真值表一致。当E=1且密码正确时，Z1输出1；当E=1且密码错误时，Z2输出1；当E=0时，Z1和Z2均输出0。电路功能符合要求，且使用了最少数量的与非门。
实验小结
实验仪器环节
对数字电路实验常用仪器设备形成了清晰认知，熟悉了74HC20（双4输入与非门）、74HC00（四2输入与非门）、74HC86（四2输入异或门）、74HC151（8输入数据选择器）和74HC138（3线-8线译码器）引脚功能与适用场景，掌握了面包板、逻辑电平开关、LED指示灯的操作规范，能够根据实验需求选择并连接仪器，为硬件电路搭建筑牢了实践根基。
实验记录环节
基本学会了规范且细致地记录实验步骤、原始数据、实验过程及故障排查信息。在数值判别电路和补码转换电路的实验记录中，逐步养成了按流程操作、逐点记录数据的习惯，提升了实验操作的条理性。同时，在面对实验故障时，掌握了从硬件连接、芯片引脚到导线接触等多维度排查并解决问题的方法，锻炼了发现、分析和解决问题的能力，增强了实验过程中的应变与动手能力。
实验分析环节
掌握了数字电路实验结果分析比对的方法，通过将实测输出与理论真值表、逻辑推导结果逐一验证，深入理解了逻辑函数化简、门电路选型与电路功能实现的内在关联，提升了对数字电路逻辑关系的分析与验证能力，也切实体会到理论知识在实践中的有效性，强化了”理论指导实践，实践验证理论”的认知。
实验小结环节
对数字电路的完整设计流程有了系统性把握。如从数值判别电路的两种方案设计，到补码转换电路的功能实现，每个环节的实践都让我对数字电路设计的思路、方法及优化策略（如利用无关项简化逻辑）有了更深刻的理解。同时，在总结实验完成情况、讨论设计方案与结果的过程中，明确了自身在数字电路实践中的成长与待提升点，如电路设计有待提升，电路搭建有待提高，排查故障经验需要继续积累等等，为后续学习积累了宝贵的经验与思考。
参考资料
- 器件数据手册：74HC00、74HC04、74HC20、74HC86、74HC151、74HC138 软件使用和器件数据手册.rar
- EPI-LITE304数字电路 东南大学文档云
- 两个基础实验（EPI-m204）东南大学文档云
- EPI-EWB204+快速上手 东南大学文档云 *word版本文件地址：通过网盘分享的文件：实验一组合逻辑电路实验报告.pdf.docx 链接: https://pan.baidu.com/s/1q8wvtFLdw0oDjZJTxisA7Q 提取码: eybn
注：以上逻辑表达式为deepseek识图识别，个别出现错误，请注意甄别！