数字电子技术基础实验

数字电子技术基础实验编著：温如坤高志敏主审：陈旭红湖北汽车工业学院电子技术教研室前言本书是在湖北汽车工业学院电气工程系电子技术教研室课程教学改革的基础上，并根据数字电子技术基础实验独立设课的特点编写的。多年来，电子技术教研室一贯坚持课程教学改革，致力于实验教学的改革。充分地认识到电子电路是一门理论与实际紧密结合，技术性和实践性较强的课程，应将学生切实地置于电子电路实验之中，培养独立自主的实验意识和提高实践动力手能力，才利于电子技术教学质量的提高。因此，将数字电子技术基础实验独立设课，强化实践教学环节，增加学生动手操作的机会。近年来，在湖北汽车工业学院本科生试用中，获得较好的教学效果。符合本科生的认识规律，增强了学生实验的兴趣，调动了学生的主动性和积极性，受到学生的欢迎。本书分3章，第1章：数字电路实验基本知识。第2章：实验内容：第3章课程设计：第1章介绍如何顺利完成实验、对电路的调试所具备的理论知识作了全面的论述。第2章列出了12项数字电子电路的实验。其中包含基础性的基本实验、设计性实验和综合性实验。基本实验对学生学会常用电子仪器的使用，对电路元器件认识，初步掌握实验方法十分必要的。这类实验中，适当地涉及难度不大，需要利用学过的理论知识进行电路设计内容，为设计性综合性实验准备一些基本条件。基本实验、综合性实验和设计性实验的整个过程必须由学生独立完成，这样对学生的智力开发，培养学生的独立工作能力，提高排除电路故障技能十分有利。每个实验持续1周，学生根据实验要求，事先做出预习报告，在面包板上搭制电路，然后在规定的实验时间内，到实验室测量电路参数。测试的实验结果必须经教师审查认可，在预习报告上签字,方确认实验完成。本书由湖北汽车工业学院电气电气工程系电子技术教研室温如坤、高志敏、杨毅分工编写，最后由教研室主任陈旭红评审。由于我们水平有限，编写时间仓促，书中存在许多不妥之处和错误，恳请专家和读者批评指正。编者2006-7-16目录第1章数字电路实验基本知识11集成电路规模的划分、分类及及主要参数1.1.1集成电路规模的划分1.1.2数字集成电路的分类12集成电路规模的划分、分类及及主要参数1.2.1集成电路规模的划分1.3数字电路测量内容和方法1.3.1测量内容第2章实验内容实验一逻辑门电路功能测试验证必实验二SSI组合逻辑电路设计设计选实验三译码器和数据选择器验证选实验四MSI组合逻辑电路设计设计必实验五触发器验证选实验六寄存器验证选实验七计数器验证选实验八顺序脉冲发生器验证选实验九序列脉冲发生器设计必实验十555定时器的应用设计必实验十一数－模转换器验证选实验十二模－数转换器验证选第3章附录附录一附录二参考文献第一章数字电路实验基本知识在进行数字电路实验时，充分理解和正确使用集成器件及其构成的数字电路独有的特性和规律，往往可以收到事半功倍的效果。因此，在实验前介绍集成化的数字电路的实验方案以及实验的正确步骤，减少、排除实验故障所遵循的原则方法，很有必要。1.1集成电路规模的划分、分类及主要参数1.1.2集成电路规模的划分随着微电子技术不断发展，单个芯片的集成度越来越高，出现了中、大规模、超大规模集成电路。在不同系列的集成电路中，集成规模的划分标准是不同的。TTL系列：以单个芯片包含的门电路或等效门电路的数目划分。小规模集成电路（SSI）：门电路或等效门电路的数目在12个以下。中规模集成电路（MSI）：12~100个之间。大规模集成电路（LSI）：100个以上。MOS系列：以单个芯片包含的元器件数目划分。小规模集成电路（SSI）：单个芯片包含的元器件数目100个以下。中规模集成电路（MSI）：100~1000个之间。大规模集成电路（LSI）：1000~10000个以上。超大规模集成电路（VLSI）：10000个以上。集成电路由SSI发展到VLSI,单个芯片的功能大大提高了。通常SSI是器件的集成，例如门电路或者触发器。而MSI中是逻辑构件的集成，例如多路选择器、加法器等，LSI和VLSI则是一个数字子系统或整个数字系统的集成。所以，采用标准的通用中规模集成电路进行数字逻辑设计，具有体积小，功耗低、可靠性高，并且容易设计、生产、调试和维护。1.1.3数字集成电路的分类数字系统中最广泛使用的是TTL和MOS两类集成电路。TTL集成逻辑电路问世比较早，加工工艺在不断改进，目前仍然是主要的基本逻辑器件。随着MOS工艺特别是CM0S工艺的发展，CM0S正在逐步取代TTL的主导地位。尤其近年来，可编程逻辑器件（PLD）特别是现场可编程门阵列（FPGA）的飞速发展，使数字电子技术开创了截新局面，将硬件与软件结合起来，使器件的功能更加完善，使用起来更加方便。1.2数字电路的实验特点自从数字集成电路问世后，大规模集成电路发展迅速，使数字电路的设计发生了根本性的变化。在进行电路设计时，不用分立元件构成门电路、触发器等基本逻辑器件，大多数情况下，也不需要自行设计像计数器、译码器、寄存器等逻辑部件，可以根据设计要求选择各种标准的集成电路，用最简单的联接方式综合成满足设计要求的数字电路就可以了。所以，对一个数字电路或数字系统的设计者主要任务是完成逻辑构思，选择应用集成器件，正确拼接电路。目前数字电路实验采用多孔面包板和双列直插式集成器件，通过接插的方法进行实验，元器件可以重复使用，利用率高，实验时操作方便。由于不需要焊接，元器件可以反复使用，利用率高，且实验时操作方便灵活。目前，通用多孔实验插座板型号比较多，基本结构相似。一般插座板中间有一凹槽，凹槽两边各有65排弹性接触簧片，每个簧片有5个插孔，5个插孔在电气上是相通的，插孔之间及簧片之间为双列直插式集成电路标准间距。适合插入各种双列直接式集成电路，也可以插引脚为0.5-0.7mm左右的任何元件。实验时，集成电路的引脚跨插在凹槽两边的插孔里、空余的插孔可供集成电路各引脚输入、输出或与其它元件互联。上下两行65个插孔各自互通的，通常作为正、负电源及地线使用。为防止集成电路受损，在插座板上插入或拔出时要细心。插入时，必须校准集成电路两排引脚的距离，待集成电路的各引脚对准插孔后，再均匀用力按下插牢。拔出时，用集成电路的专用工具夹住集成电路芯片的两头，然后均匀用力把芯片拔出来。实验时，使用的导线是塑料单股硬导线，一般线径0.5-0.7mm，导线两端的绝缘层剥出8-10mm。导线经过多次使用后，线头会弯曲，将弯曲的线头剪去重新剥线头使用。若线头已经弯曲，硬插进去，可能造成插座板中的簧片受损失去弹性。1.3数字电路测量内容、步骤和方法1.3.1测量内容经过逻辑设计并完成组装的数字电路或数字系统，必须经过测量，通过测量来判断逻辑设计是否正确。测量内容大致分为三个方面。第一方面是测量输入、输出信号的幅度、电平、占空比以及周期等参数。第二方面是测量输出与输入之间时间关系。最后是测量一些专项指标，例如电源电压波动，外界各种干扰对电路工作可靠性影响的测量。2测量步骤。先测量单元电路后测量整个电路。单元电路工作正常后，然后对整机进行测量和调试，观察各单元电路之间接口电路的工作情况，只有通过整机调试后，才能对数字电路的设计、安装工艺、功能作出最后的评价。1.3.3测量方法对数字电路进行逻辑量的测量时，可以选用静态测量法，也可以选用动态测量法。静态测量法：在没有数字信号输入的情况下，人为地加入固定电平进行测量。例如一个多输入端的与非门电路，将各输入端分别接入一定的电平，然后测量输出端电平的变化情况。静态测量法可以帮助分析门电路逻辑功能是否正确，但是这种测量方法无法判断门电路对输入信号的速度响应能力。动态测量法：给与非门电路的输入端接入一个合适的脉冲信号，用示波器观察输出信号与输入信号相位关系，只要不断提高输入信号的频率，观察与非门输出信号的变化，就可以了解与非门对输入信号的速度响应能力。因此，动态测量法比静态测量法应用的更广泛。1.4数字电路的实验方法1.4.1实验准备实践证明，如果实验前做好充分的准备工作，明确要做的实验目的、实验要求、实验内容。预习相关的理论知识，拟定实验步骤，完成实验预习报告，做到心中有数，才能说做好了实验前的准备工作。实验时才会有的放矢。否则，实验结果非常差，收获甚微。一般情况下，实验分验证性基础实验和设计性的综合实验。1.4.1.1验证性基础实验基础性实验的内容、实验电路是预先指定的,相对于设计性的综合实验来说，实验者的主观能动性体现不够，实验兴趣少。但是适当的基础实验能够认识元器件特性，掌握仪器的使用，了解实验方法和训练基本实验技能等。所以，实验者必须重视基础实验，对于实验中出现的问题，要勤于思考，预先做出分析和估计，尽量独立解决，不要轻易求助他人，培养独立处理解决问题的能力。1.4.1.2设计性综合实验设计性综合实验特点是，只给出实验目的和具体要求。实验电路、实验步骤、测量的参数等需要由实验者自己拟定，实验者完全处于主导地位，能够最大限度的发挥主观能动性，但是，必须考虑周到，如果疏忽一些问题，可能导致实验失败。设计性综合实验一般需要考虑以下几点。（1）熟悉集成器件的使用条件和逻辑功能，然后设计实验电路。（2）设计组合电路和异步时序电路时，要防止竞争冒险问题。（3）设计的电路应将电路状态置于信号电平上，不是信号的前沿或后沿，要使电路处于预期的初始状态。1.4.1.3预习报告预习报告体现了实验前的准备工作充分与否，它是实验操作的依据。预习报告要求尽可能写的简洁，思路清楚，一目了然。以实验电路为主，附简要的文字说明和必要的记录实验结果和数据的图表。不必按照实验指导书进行抄写，预习报告除了实验题目外，还应有下列内容。（1）实验电路图：分立元件电路原理图，可以直接作为实验电路接线图。以集成电路为器件的数字电路，原理图与接线图差别很大。因为逻辑图不能反映出集成器件的管脚排列的规律和接法。一旦所接实验电路出现了故障，除了按图查找外，几乎没有别的办法。为了减少接线错误。通常将逻辑电路图与集成电路芯片的管脚排列画出。并在逻辑电路图上标明芯片管脚标号。（2）文字说明：预习报告中的文字说明要简洁明了，它帮助实验者正确布线或正确使用集成器件，提醒实验者注意容易忽略的问题。（3）应该预先拟定好实验步骤和记录实验结果、数据等有关图表。1.4.2布线和排除故障1.4.2.1布线原则布线前，应先将集成电路插到插座板上，所有集成电路应以同一方向插入，不能为了缩短导线长度而把集成电路倒插。一般来说，集成电路的引脚1放在左下角。集成电路芯片都有标志（缺口、小孔、色点），标有标志的为1号脚。布线用的导线直径要和通用底板插孔直径大体一致，不宜太粗或太细。布线最好有顺序进行，不要随意接线，避免漏接。布线时先将固定电平的端点接好，例如电源线、地线、门电路的多余输入端。这些连线尽可能短，布置在接近电源正极和负极的位置。上述导线布好后，然后按照信号流向顺序依次布线，布线的导线不能太长，要贴近插座板表面。布线密集时尽可能避免导线相互重叠。布线时切忌导线跨越集成器件上空，正确的布线是导线应贴近插座板在集成器件周围走线。切忌在一个插孔内插两根或两根以上的导线，以免损坏实验面包板。实验电路所用集成器件要进行测试，防止因器件功能不正常而产生电路功能不正常。1.4.2.2排除故障在实验中，当电路不能完成预期的逻辑功能时，称电路有故障。造成实验故障的原因是多方面的。有些故障是因为操作不当造成的，如布线错误。有些故障是因为设计不当，造成的。有些故障则是集成器件使用不当或错误使用造成的。实验中要求完全不出故障是不可能的。但是实验前做好充分准备，操作时细心，可以减少故障的发生率。另一方面，即使实验中出现故障，可以从电路的工作原理分析故障的原因，利用数字电路是一个二元系统。只有0和1状态，以及具有逻辑判断能力的特点，实验电路故障是可以排除的。实践证明，在实验电路设计正确的前提下，按上述要求布线，并且无接线差错，不出故障的可能性很大，即使出现故障，也容易排除。完成布线后，复查一遍。可以查出漏接和错接的导线或插错用错集成芯片，但是许多故障因素用查线的方法是不会被