数字电路实验讲义

时间:2024.3.31

电子线路实验(数字电路)讲义
前言

本实验为1学分的必修课。

做实验前要相应预习,真正了解实验的原理。

不提供给学生详细的实验讲义或实验指导书:否则,学生只要按照讲义规定的步骤去做,不需要多动脑子,便可完成实验,因此收效较少,一定程度上扼制了广大学生的创造性和个性的发挥。

尽量做到因材施教,分流培养。如将实验内容和要求分为“基本命题”和“扩展命题”。

将现代电子设计自动化技术(EDA)引入电子线路与技术实验。

1.实验报告要求

保证实验报告的真实性、及时性、原创性。主要内容包括:各实验所需实验电路图(自学并使用电路设计软件画出)或实验电路源程序,实验结果,实验过程中出现的问题及解决办法(如已解决),实验方案的正确性、可行性如何?可否进一步优化?实验中有哪些体会、经验、教训和建议?讲义中附带的问题是为了启发思考,不强求。

报告请交电子文档(PDF、Word、或WPS文档),文档名为学号姓名实验序号,如实验三报告名为:04093005许吟洲3,并將文档发至课代表处,由课代表检查文档名后打包,在当次实验做完后的一周内发至rjdong@mail.xidian.edu.cn。

2. 数字电路的故障查找和排除

在数字电路实验中,出现问题是难免的,例如缺少导线、实验板存在问题等,但是实验的目的之一就是解决实践中必然存在的各种问题。重要的是分析问题,找出出现问题的原因,从而解决它。一般地说,有四个方面的原因产生问题(故障):器件故障、接线错误、设计错误和测试方法不正确。在查找故障的过程中,首先要熟悉经常发生的典型故障。

( 1 )设计错误

设计错误自然会造成与预想的结果不一致。因此实验前一定要理解实验要求,掌握实验线路原理,精心设计。初始设计完成后一般应对设计进行优化,最后画好逻辑图及接线图。

( 2 )接线错误

接线错误是最常见的错误。常见的接线错误包括忘记接器件的电源和地;连线多接、漏接、错接;连线过长、过乱造成干扰;连线经多次使用后,有可能外面塑料包皮完好,但内部线断;连线与插孔接触不良等等。接线错误造成的现象多种多样,例如器件不工作或发热;器件的某个功能块不工作或工作不正常;电路中一部分工作状态不稳定等。解决方法大致包括:熟悉所用器件的功能及其每个引脚的功能;器件的电源和地一定要接对、接好;检查连线和插孔接触是否良好;检查连线有无错接、多接和漏接;检查连线中有无断线。最重要的是接线前要画出接线图,按图接线,不要凭记忆随想随接;接线要规范、整齐、尽量走直线、短线,以免引起干扰。

( 3 )器件故障

器件故障是器件失效或器件接插问题引起的故障,表现为器件工作不正常。判断器件失效是用集成电路测试仪或者器件替代等方法。需要指出的是,一般的集成电路测试仪只能检测器件的某些静态特性。对上升沿、下降沿、延迟时间等动态特性,及负载能力等静态特性,一般的集成电路测试仪不能测试,须使用专门的集成电路测试仪。器件接插问题,如管脚折断或者器件的某个(或某些)引脚没插到插座中等,也会使器件工作不正常。对于器件接插错误有时不易发现,需仔细检查。

( 4 )测试方法不正确

如果不发生上述三种错误,实验一般会成功。但有时测试方法不正确也会引起观测错误。例如,一个稳定的波形,如果用示波器观测,而示波器没有同步,则造成波形不稳的假像。因此要学会正确使用所用的仪器、仪表。

当实验中发现结果与预期不一致时,千万不要慌乱,应仔细观测现象,冷静思考问题所在。首先检查仪器、仪表的使用是否正确。在正确使用仪器、仪表的前提下,按逻辑图和接线图用万用表逐级查找问题出现在何处。通常从发现问题的地方,一级一级向前测试,直到找出故障的初始发生位置。在故障的初始位置处,首先检查连线是否正确。确认接线无误后,检查器件引脚是否全部正确插进插座中,有无引脚折断、弯曲、错插等问题。确认无上述问题后,取下器件测试,以检查器件的好坏,或者直接换一个好的器件。如果器件和接线都正确,则需考虑设计问题。

3. 课程流程和考核

在本课程中,要求学生课前预习,到课实现,接受检查,完成指定的实验任务。最后提出一个自由实验设计,进行两周的准备,然后展示他们的实验成果。

以“通过”、“不通过”和“优秀”记录成绩。

4. 实验板功能部件分布图

实验一    集成逻辑门的测试

一、        实验目的

1、了解与非门各参数的意义。

2、熟悉数字逻辑实验板的使用方法。

3、了解集成逻辑门电路的使用注意事项。

4、了解简单数字系统调试及故障排除方法。

二、        实验设备及器件

1、数字逻辑电路实验板                          1块

2、74HC(LS) 00(四二输入与非门)              1片

3、数字万用表                                        1块

三、        实验原理

本实验采用74HC(LS)00四二输入与非门,即在一块集成块内含有四个互相独立的与非门,每个与非门有两个输入端。

实验用器件管脚介绍:

1、74HC(LS)00(四二输入与非门)管脚如下图所示。

2、74HC(LS)20(二四输入与非门)管脚如下图所示。

四、        实验内容与步骤(两学时)

1、与非门逻辑功能测试(基本命题)

与非门的逻辑功能是:当输入端有一个或一个以上是低电平时,输出端为高电平;只有当输入端全部为高电平时,输出端才是低电平(即有“0”得“1”,全“1”得“0”)。

参照与非门74HC(LS)00的实验电路图搭接电路,借助发光二极管(LED)显示输出的状态,并记录结果在下表中。

2、与非门电压传输特性测试(基本命题)

参照与非门74HC(LS)00电压传输特性测试的实验电路图搭接电路,用万用表测试电路的输出数据,将数据整理后,画出输出电压根据输入电压变化而变化的曲线。

五、        实验注意事项

集成电路要轻插轻拔!

完成第二个任务过程中,使用万用表时,应参考测试参数的规范值及测试电路,正确选择量程;过渡区附近多取几个点反复测量,以反映电压传输特性。

问题:

1)        有的器件电压传输特性曲线很陡,有的变化相对平缓,究竟哪种更好一些?

2)        为达本实验目的,还可设计何种内容

注:如无74HC(LS) 00(四二输入与非门),可用74HC(LS) 20(二四输入与非门)替代。

实验二    译码器及其应用

一、   实验目的

1、掌握译码器的测试方法。

2、掌握用译码器构成组合电路的方法。

3、学习译码器的扩展。

4、了解简单数字系统调试及故障排除方法。

二、   实验设备及器件

1、数字逻辑电路实验板                          1块

2、74HC(LS)20(二四输入与非门)        1片

3、74HC(LS)138(3-8译码器)               2片

三、   实验原理

74HC(LS)138是集成3线-8线译码器,在数字系统中应用比较广泛。下图是其引脚排列,其中A2、A1、A0为地址输入端,Y7~ Y0为译码输出端,S 1、S2、S3为使能端。下表为74HC(LS)138功能表。74HC(LS)138工作原理为:当S 1=1、S2+S3=0时,电路完成译码功能,输出低电平有效。其中:

     

     

     

     

因为74HC(LS)138的输出包括了三变量数字信号的全部八种组合,每一个输出端表示一个最小项(的非),因此可以利用八条输出线组合构成三变量的任意组合电路。

实验用器件管脚介绍:

1、74HC(LS)20(二四输入与非门)管脚如下图所示。

2、74HC(LS)138(3-8译码器)管脚如下图所示。

四、   实验内容与步骤(四学时)

1、逻辑功能测试(基本命题)

验证74HC(LS)138的逻辑功能,说明其输出确为最小项

注:将输出端接到LED指示灯上,因低电平有效,所以选中时,所接的LED指示灯亮。

2、用74HC(LS)138实现逻辑函数(基本命题)

Y=AB+BC+CA

注:将输出端接到蜂鸣器上,由于蜂鸣器是高电平有效,所以Y输出高电平时,蜂鸣器发声。

3、扩展(扩展命题)

用两个3线-8线译码器构成4线-16线译码器。

五、    实验注意事项

集成电路要轻插轻拔!

问题:

为达本实验目的,还可设计何种内容

实验三   计数器

一、        实验目的

1、熟悉计数器的工作原理,掌握中规模(MSI)计数器的逻辑功能。

2、了解简单数字系统调试及故障排除方法。

二、        实验设备和器件

1、数字逻辑电路实验板                          1块

2、74HC(LS)00(四二输入与非门)        1片

3、74HC(LS)160(4位模十计数器)       2片

三、        实验原理

时序逻辑电路是数字电路中另一类重要电路。时序逻辑电路的特点,就是任意时刻的输出不仅取决于该时刻的输入信号,而且与输入信号作用前电路所处的状态有关。

计数器是一个用以实现计数功能的时序部件,它不仅可用来计脉冲数,还常用作数字系统的定时、分频以及其它特定的逻辑功能。计数器种类很多。根据计数制的不同,分为二进制计数器和十进制计数器。实现四个状态变量十进制计数功能的电路称为4位十进制计数器。利用集成计数器芯片可方便地构成任意模计数器,方法有反馈清零法和反馈置数法两种。

实验用器件管脚介绍:

1、74HC(LS)00(四二输入与非门)管脚如下图所示。

2、74HC(LS)160(4位十进制计数器)管脚如下图所示。

四、        实验内容与步骤

1、测试74HC(LS)160的逻辑功能(基本命题)

例如,74HC(LS)160工作于计数模式时,接通电源后,利用数码管显示说明其确为模10计数器。

2、74HC(LS)160构成模6计数器(基本命题)

设计用与非门74HC(LS)00及计数器74HC(LS)160实现模6计数器的实验电路图,搭接电路,利用数码管显示说明其确为模6计数器。

3、74HC(LS)160构成模60计数器(扩展命题)

设计用计数器74HC(LS)160实现0~59模60计数器的实验电路图,搭接电路,利用数码管显示说明其确为模60计数器。

五、        实验注意事项

集成电路要轻插轻拔!

问题:

1)        插上电源后有些数码管不亮,为什么

2)        为达本实验目的,还可设计何种内容

注:如无74HC(LS) 00(四二输入与非门),可用74HC(LS) 20(二四输入与非门)替代。

实验四   大规模集成数字电路设计(指定)

一、   实验目的

1、熟悉PLD设计流程的基本步骤。

二、   实验设备及器件

1、数字逻辑电路实验板                                 1块

三、   实验原理

早期的可编程逻辑器件,即PLD,只有PROM、 EPROM和EEPROM三种。由于结构限制,它们只能完成简单的数字逻辑;其后,出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片,它能够完成各种数字逻辑功能,这一阶段的产品主要有可编程陈列逻辑(PAL)和通用阵列逻辑(GAL)。这些早期的PLD器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能,但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路;为弥补这一缺陷,20世纪80年代中期,Altera和Xilinx公司分别推出了复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device, CPLD)和现场可编程门阵列(Filed Programmable Gate Array, FPGA),它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。 

不同的厂家叫法不尽相同,Xilinx公司把基于查找表技术、SRAM工艺、要挂外设配置EEPROM的PLD称为FPGA,把基于乘积项技术、Flash工艺的PLD称为CPLD;Altera公司把自己的PLD产品,如MAX系列(乘积项技术、EEPROM工艺)、FLEX系列(查找表技术、SRAM工艺)都称为CPLD。由于FLEX系列也是SRAM工艺、基于查找表技术、要挂外设配置EEPROM,用法和Xilinx公司的FPGA一样,所以,很多人把Altera公司的FELX系列产品也称为FPGA。 

FPGA的结构基于查找表技术。查找表(Looking Up Table, LUT)本质上就是一个RAM,当用户通过原理图或HDL代码描述了一个逻辑电路后,FPGA软件会自动计算逻辑电路所有结果,并把结果事先写入RAM。这样,每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表,找出地址对应的内容,然后输出即可。FPGA的编程单元基于SRAM结构,从理论上讲,具有无限次重复编程的能力。 

四、    实验内容(四选一)

1、 实现4位全加器

2、 实现4路抢答器,显示优先抢答者编号

3、 实现4位双向移位寄存器

4、 实现数字时钟的分和秒计数

问题:

为达本实验目的,还可设计何种内容

实验五   大规模集成数字电路设计(自由)

一、    实验目的

1、熟悉大规模集成数字电路的设计方法。

2、熟悉数字系统调试及故障排除方法。

二、   实验设备和器件

1、              数字逻辑电路实验板                           1块

三、  实验注意事项

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