小规模集成芯片电气特性测试的实验指导

1数字电子技术实验课程类别：专业基础课适用专业与学时学分：实验教学目的实验方式与基本要求实验课程内容实验成绩与考核实验中应注意的问题故障检测与排除2实验教学目的本实验课是大学有关理工类专业一门重要基础实践教学课。该实验课重在培养学生数字电路的实践技能，不仅要求学生完成基本实验、综合实验，还要学会设计中小型数字系统的工程方法，并能独立完成调试过程。目的是使学生更好地巩固和加深对理论知识的理解，增强学生理论联系实际的能力，提高学生的工程素质，通过实践教学引导学生在理论指导下有所创新，为专业课的学习和今后工作打下良好的基础。3实验方式（1）完成实验预习，进入实验室时必须提交本次实验的预习报告。（2）由指导教师讲解实验的基本要求、任务、操作步骤及注意事项。（3）在教师的指导下，完成本专业必修的实验项目和选修的实验项目。（4）一人一组独立完成实验项目。4实验基本要求（1）掌握数字逻辑实验箱等常用仪器的基本原理、功能及其使用方法。（2）掌握常用数字集成电路的主要参数及逻辑功能的基本测试方法、器件优劣的判断。（3）具有使用仪器查找和排除电路故障的能力，能根据电路原理对故障现象进行分析，借助相关仪器，逐步缩小故障范围，排除故障。（4）通过实验，进一步掌握数字电路的综合分析与设计方法。5序号实验项目名称内容提要实验要求实验类型1小规模集成芯片电气特性测试和电子仪器的使用数字电路实验箱、进一步熟悉示波器和数字万用表的使用，TTL芯片性能和参数的测定必修验证2组合逻辑电路一SSI/MSI组合逻辑电路的功能测试与设计：①原码/反码发生器；②全加器的逻辑功能测试及应用；③码制转换；④数据选择器的逻辑功能的测试及其应用；⑤（74LS153）双四选一数据选择器实现一个四变量组合逻辑函数。必修验证3组合逻辑电路二译码器的逻辑功能的测试及其应用：①双二--四线译码器（74LS139）；②三--八线译码器（74LS138）；③用译码器实现数据分配器；④用74LS139实现三—六或三—七线译码。必修综合4触发器及其应用①触发器逻辑功能的测试；②触发器逻辑功能的相互转换和应用；③采用边沿JK（74LS112）、D（74LS74）触发器和三--八线译码器构成一个流水灯电路。必修综合实验内容安排65计数器和译码显示器的设计与应用；移位寄存器及其应用①计数器和移位寄存器逻辑功能的测试；②利用给定计数器（74LS161、74LS191）实现任意模值计数器；③通过数码管或LED显示计数器的状态；④采用双向移位寄存器（74LS194）设计任意模值的环形和扭环形计数器。必修综合6基于Multisim8的仿真实验简易数字频率计/交通灯仿真设计必修综合7基于QuartusII的原理图输入数字电路设计在QuartusII软件环境下，用原理图方式设计8位流水灯，并进行时序仿真。必修综合8基于VHDL的时序逻辑电路设计在QuartusII软件环境下，（1）将上次实验设计的顺序脉冲发生器下载到PLD器件中，验证逻辑功能；（2）用VHDL语言描述12进制加法计数器，并下载到PLD器件中验证逻辑功能。选修设计7实验成绩与考核（1）学生第一次进入实验室后，按学号顺序与实验台编号依次固定座次，以后每次实验均按该方法固定自己的实验台。（2）学生所记录的实验数据等应符合实验教学要求（经教师认可），评分，记入平时成绩。学生整理好自己的实验台后方可离开实验室。（3）未完成实验的学生利用该周星期六和星期天另行补做实验。（4）指导教师检查预习报告和批改实验报告，评分，记入平时成绩册，平时成绩占该实验课总成绩的70%。（5）在完成该教学实验后，安排一次综合性实验考试，考试内容由学生抽签确定，考试过程中由指导老师当场评分，该实验考试成绩占实验总成绩的30%。8采用教材采用教材《电子技术基础实验》电子基础教学实验中心编著四川大学出版2005.8参考资料《数字逻辑》毛法尧高等教育出版社2000.7《电子技术基础（数字部分）》康华光高等教育出版社2000.6《数字电子技术基础》阎石高等教育出版社1998.11《电路与电子学》刘淑英等电子工业出版社2002.39实验中应注意的问题电路设计问题在数字逻辑电路设计时，应根据要求进行设计。布线问题做到认真、合理地布线：1.设计电路，画出逻辑电路图，并标出各管脚号，将所用芯片所有端（数据输入，使能、清零、置位等端子）预先标记：接电源、地或外部输入信号等，为实验布线打好基础。2.布线时，先将电源和地线接好（包括使能端、清零端等），再按信号的输入输出关系连好电路，需要经常变换的信号线最后接。3.接好后，对照电路图仔细核对后，再打开电源，开始实验测试。10故障检测与排除用设计好的数字电路进行实验，电路达不到预期的逻辑功能时，如果是组合电路，说明电路没能按真值表工作；如是时序电路，说明电路没能按状态表工作，均表明电路存在故障。发现和排除故障主要掌握数字电路是一个二元系统（只用“0”和“1”两种状态）的特点，利用“逻辑判断”方法：1.完成布线后应检查一遍，以查出漏接和错接的导线。2.检查电源是否正常，芯片是否发烫，如是，则立即断电。3.用逻辑笔查出断线、引线虚接等。按照电路的逻辑功能，分别检查各级电路的输入输出是否正常。4.对于有故障的多级电路，为减少调测工作量，可将可疑范围分成两个区，分别检测。5.如果怀疑芯片坏了，对于SSI或简单功能的MSI，可以通过测试它的逻辑功能，迅速判断芯片的好坏。实验箱面板介绍电源开关LED发光二极管显示区（共12个）连线区逻辑开关区（12个）单脉冲连续脉冲逻辑笔七段数码管显示区BCD码输入12（1）熟悉数字电路实验箱的基本功能和使用方法，进一步熟悉示波器和数字万用表的使用。（2）掌握TTL与非门基本电参数的测试方法，了解TTL集成电路的参数规范。1.实验目的（1）实验器件:TTL芯片74LS00。（2）实验设备：数字电子技术实验箱1台，双踪示波器1台，台式万用表。2.实验仪器及器件实验一小规模集成芯片电气特性测试133.实验原理门电路特性参数的好坏，在很大程度上影响整个电路工作的可靠性。选用TTL74LS00二输入端四与非门进行参数的实验测试，以掌握门电路主要参数的意义和测试方法。参数按时间特性分两种：静态参数和动态参数。静态参数：指电路处于稳定的逻辑状态下测得的各项技术参数，如门电路的低电平输入电流等；动态参数：指逻辑状态转换过程中与时间有关的参数，如门电路的平均传输时间等。1474LS00芯片逻辑功能：“有低出高，全高出低”15（1）空载导通功耗Pon和空载截止功耗Poff。Pon：与非门输入端全为高电平时，输出端为低电平且不接负载时的功率损耗，即Pon=Vcc·IcclPoff：与非门输入端至少有一个为低电平时，输出端为高电平且不接负载时的功率损耗，即Poff=Vcc·IcchVcc－电源电压；Iccl－导通电源电流；Icch－截止电源电流。mA逻辑开关K1K2123V+-+-VccIcc&147图1空载导通功耗Pon和空载截止功耗Poff的测试电路图相关测试参数16（2）输入短路电流IIS又称低电平输入电流IIL指：一个输入端接地，其他输入端悬空时，流过该接地输入端的电流。测试电路如图所示。（3）输入高电平电流IIH指：一个输入端接高电平，其余输入端接地时，流过该高电平输入端的电流。测试电路如图所示。17（4）输出高电平VOHVOH指：输出不接负载，当与非门有一个以上输入端为低电平时的电路输出电压值。测试电路如图所示。（5）输出低电平VOL指：与非门所有输入端均接高电平时的输出电压值。测试电路如图所示。&12逻辑开关K1K2Vcc147V+-VO3输出高电平VOH和输出低电平VOL的测试电路图18（6）电压传输特性曲线、开门电平Von和关门电平Voff保证输出不高于标准低电平USL时,允许的输入高电平的最小值。称为开门电平Von。保证输出不小于标准高电平USH时,允许的输入低电平的最大值。称为关门电平VOFF。19（7）平均传输延迟时间tpd平均传输延迟时间是衡量器件开关速度的重要指标。一般情况下，低速组件约为40～160ns，中速组件tpd约为15～40ns，高速组件tpd约为8～15ns，超高速组件tpd＜8ns。组件平均传输延迟时间的近似计算方法：tpd＝T/6，其中T为用三个门电路组成振荡器的周期。平均传输延迟时间tpd的测试电路如图所示。1273&456&1098&示波器CH174LS00“1”“1”“1”204.实验内容及步骤：TTL与非门参数测试（1）空载导通功耗Pon和空载截止功耗Poff的测试。读出电流值IccL、IccH和电压值Vcc，记入表1中。（2）高电平输入电流IIH和低电平输入电流IIL的测试。读出电流表上显示电流值记入表1中。（3）输出高电平VOH和输出低电平VOL的测试。读出电压表上显示电压值记入表1中。（4）电压传输特性曲线，确定开门电平Von和关门电平Voff。按测试电路连线，旋转电位器RW，使Vi逐渐增大，同时读出Vl和V2值，其中Vl值为输入电压，V2为输出电压。将V1和V2记入表2中，并绘出V1-V2的曲线，即电压传输特性曲线。（5）平均传输延迟时间tpd的测试。从示波器中读出振荡周期T，用公式算出tpd，记入表1中。实验一小规模集成芯片电气特性测试21表1TTL器件参数测试参数VccIcclPonVccICCHPoffIILIIHVOHVOLTtpd测量值22表2TTL器件(74LS00)电压传输特性V1输入电压V2输出电压电压传输特性曲线Von=Voff=235.实验预习预习：(1)TTL和CMOS电路的技术规范，了解各参数的含义。(2)复习TTL和CMOS各参数的测试方法。(3)熟悉TTL与非门的外型结构。246.实验报告（1）.整理测试数据，并与器件规范值比较，进行分析其异同。（2）.根据测试所得数据，绘制电压传输特性曲线。思考题：(1)为什么TTL与非门的输入端悬空相当于逻辑1电平?(2)在什么情况下与非门输出高电平或低电平?其电压值分别等于多少?(3)集成电路有关引脚规定接“1”电平,在实际电路中为什么不能悬空,而必须接VCC?