《数字逻辑I》实验指导 (学生用书) 康磊李润洲
第一部分数字电路实验的基础知识 在进行数字电路实验前,必须充分掌握和理解有关数字电路的一些基本知识,才能够正 确利用集成元件及其构成的数字电路来完成实验的目的 数字电路的特点是 1.数字电路所处理的信号是数字信号。而这种数字信号是在数量上和时间上都是离散 的,也即这类信号在数量上和时间上都被各自的最小量化单位量化了的信号。 2.数字电路中,晶体管和门电路在稳态时工作于开关状态,即管子是工作于导通或截止, 门电路则是处于打开或关闭状态。 3.数字信号的输出只有“高”、“低”电平两种状态,分别用“0”、“1”表示。对数字 电路而言,具体的电压值并不重要,重要的是电路在工作时要能区分“0”、“1” 两种状态 4.数字电路的集成度比较高,电路的设计主要是根据设计要求选择合适的集成元件,用 模式组装方式(或称积木式)将它们拼接起来。 数字电路实验主要要培养学生的完成逻辑构思,选择并灵巧地应用集成元件,正确地拼 装电路的能力。所以,对数字电路器件的了解就变得尤其重要。由于数字电路实验中经常要 使用集成电路,下面,先对集成电路进行简单的介绍。 、数字集成电路的分类 所谓集成电路(俗称集成块),就是在一块体积很小的基片材T-l上,采用特殊的制作 工艺,把许许多多晶体二极管、晶体三极管、电阻、电容等有源无源元科(由十电感无法做 得体积很小通常晶体管内不包含电感〕,按照一定的设计要求,集成制作并连接在它的上面, 形成芯片,再把芯片进行封装后而形成的一种具有某种电路功能的多引脚的单块式电子器件 1959年,世界上出现了第一块集成电路,从此后,半导体技术飞速发展。在一块半导体 芯片上集成的电子元件越来越多,按集成的电子元件的多少,分为小规模集成电路(SSD.中 规模集成电路(MSI),大规模集成电路(SD和超大规模集成电路(VLSI。 ◇小规模集成电路组成的数字电路有:门电路、触发器等。一般在100个门以下。 ◇中规模集成电路组成的数字电路有:计数器、寄存器、泽码器、比较器等。一般有 100-1000个门 ◇大规模集成电路组成的数字电路有:各类专用的存储器等,一般在1000-10000个门 ◇超大规模集成电路组成的数字电路有:各类CPU、单片袖珍t卜算机等,一般在 10000个门以上
集成电路如按用途上的不同又可分为数字式集成电路和模拟集成电路两类数字集成电 路主要用来产生、放大和处理各种在时间和数值上离散的电信号。模拟集成电路则是用来产 生、放大和处理各种随时间连续变化的电信号。我们主要介绍数字集成电路。 根据晶体管的类型不同.数字集成电路可分为双极型半导体和单极型半导体。 1双极型半导体 双极型集成电路中采用的硅平面NPN型三极管常见的类型有 TTL晶体管晶体管逻辑电路。 ECL射极祸合逻辑电路,特点:高速 HTL高阈值值集成电路,特点:抗干扰能力强 IL集成注人逻辑电路,特点:集成度高 其中以TTL为代表。 2单极型半导体 单极型半导体多采用“金属一氧化物一半导体”的绝缘栅场效应管,简称MOs场 效应管。常见的类型有NMOs,PMOS,CMOs集成电路。其中以CMOS集成电路为代表。 、集成电路的外形、符号与识别 1.集成电路的外形和符号 集成电路英文缩写为“IC",在一些旧的电路图中通常以其代号“IC”表示,在 新的标准中,它的代号规定为“N"。它的外观形态是一种片状单排或双排多引脚结构 的电子器件,其大小按其集成度的不同而不同,图1-1所示是几种典型的集成电路的外 形图 WWWWUUU 图1-1几种典型的集成电路外形图 2集成电路的识别 集成电路的识别主要包括型号识别和引出脚识别
集成电路的型号通常是以字符的形式标注在集成块的外表上,大部分由五部分组 成,也有些是由四部分组成,中国TTL集成电路型号命名法有部标和国标两种。除此 以外,还有各厂商独自命名的方法。 (1)中国部标T000系列 例:T063AB 说明 ①表示TTL集成电路 ②3位数码,表示系列品种的代号 ③表示开关参数的档次:A为低档B为高档。 ④表示封装形式:A为陶瓷扁平;B为塑料扁平C为陶瓷双列直插:D为塑料双列 直插。 (2)中国国标TTL型号命名法(间接国标标准法)-T0000系列 例T 020MD ③④⑤ 说明: ①表示TTL集成电路 ②1位数码,表示系列品种的代号。其中 1:表示标准系列,同国际的54/74的标准系列; 2:表示高速系列,同国际的54/74的高速系列; 3:表示肖特基系列,同国际的54S74S的系列: 4:表示低功耗肖特基系列,同国际的54LS/74LS系列; ③3位数码,表示系列品种的代号,与国际的品种代号一致 ④表示工作温度 ⑤表示封装形式 (3)中国国标TTL型号命名法(直接国标标准法) 例CT74 LSXXX O(或M)J(或D或PF 说明 ①表示中国 ②表示TTL集成电路
③74表示通用74系列54表示通用54系列;LS表示低功耗肖特基系列S表示肖特 基系列;H表示高速系列;空白表示标准系列。x为数码,表示品种代号,同 国际的一致。 ④表示工作温度 ⑤表示封装形式 (4)国外TTL集成电路主要生产公司产品型号的命名规则: A.(美国)德克萨斯公司( TEXAS) 例SI 74 LS 说明: ①表示德克萨斯公司的标准TTL电路 ②表示工作温度范围。54:-55℃-125℃(军用);74:0-+70℃(民用)。 ③表示系列。ALS:先进的低功耗肖特基系列:AS:先进的低功耗肖特基系列;(空 白):标准系列H高速系列;L:低功耗系列:LS:!低功耗肖特基系列:S:肖特基系列 ④表示品种代号。 ⑤表示封装材料及封装形式 B.(美国)摩托罗拉公司( MOTOROLA) 例MC-744 196P 说明: ①表示摩托罗拉公司封装的集成电路。 ②表示工作温度范围。4,20,30,40,72,74和83:0-+750℃5,21、31,73,82,54和 93:-55-+125℃(车用) ③表示品种代号。 ④表示封装材料及封装形式 C、(美国)国家半导体公司( NATIONAL SEMICONDUCTOR) 例DM74 LS141 说明: ①表示国空半导体公司单片数字电路。 ②表示工作温度范围。54,70,71,72,75,7,78,93和96:-55~+125℃(军用)74,80
81,82,85,87和88:0+70℃;83,86和89:0-+75℃ ③表示系列。(空白)标准系列H高速系列L:低功耗系列S:低功耗肖特基系列S肖 特基系列 ④表示品种代号。 ⑤表示封装材料及封装形式 数字实验电路的设计特点 分立元件电路的原理图,可以直接作为实验电路的接线图,也即根据电原理图就可直 接焊接实验电路,不必另画接线图。在以集成电路为器件的数字电路,电原理图(逻辑图) 与接线图的差别很大。逻辑图通常只反映电路的逻辑关系,并不反映集成电路的管脚排列 的规律和接法,不能反映出每个门的实际位置。为此,数字电路的实验通常还要画出方便 搭接电路的连线图。为使实验者并非机械按图接线,而是能够明白电路的逻辑关系,要求 实验者首先必须了解集成电路各端子的功能,然后结合逻辑图和接线图共同分析电路,并 在逻辑图上标出各输人输岀端所接集成电路的管脚端子数。当实验电路用的门电路较多, 且有一定的规律时,则不必将所有连线都画出,而是在门电路的输人端标上相应的说明文 字 在画实验线路图时,要合理设计电路的布局,以尽量减少接线的交叉和使连线尽可能 短为原则,另由于数字接地信号常为脉冲波,为避免与模拟信号地信号的互相干扰,对数 字电路的接地点处理也有一定的要求。下面进行具体的分析。 1.合理进行电路布局 数字电路实验经常是在数字实验箱中进行,其元件主要是插接在其内的面包板上,在 面包板上插接电路,一般是先安装三极管或集成电路,再以这些器件的管脚作参照点,分 别安装其他元件 各元件插接位置一般以信号走向从左到右安排,元件插接不要太挤,以便于测试,在 测试点处,要留出引隙,使得测试时,不至于出现探笔与其他电路短路的现象 插接元件时,要根据插孔的距离,合理确定所用元件的管脚长度。当确定管脚长度后, 就要用尖嘴钳进行弯曲,并剪去过长的管脚。同时,必须校准集成元件两排管脚距离,使 之与实验用底板上的插孔(或插座)的行距相等。将集成元件插到底板上时,用力要轻、均 匀,不要一下子插紧,待确定集成元件的管脚和插孔位置一致后,再稍用力将其插牢,从 而避免集成元件管脚弯曲或折断。 接插集成元件时要认清方向,不要插倒。在前面,我们已经知道,一般双列直插式集 成元件都有定位标记,其方向通常是把扁平封装集成元件上的有型号的一端面对自已,把
其有缺口的J端放在左边,通常管脚排列为逆时针方向,1脚在下排左侧第一个位置,最 后一个管脚在上排左侧第一个位置。 2布线技巧 布线错误不仅会引起电路故障,严重时甚至会损坏集成电路。为减少故障,首先要注 意布线的合理性和科学性 (1)布线原则 布线选用导线要求:布线用的导线直径应和通用底板插孔直径相一致,以免太粗损坏 插孔,太细又与插孔接触不良。 ①导线要求用不同颜色的线来区别不同用途,如习惯于用接电源的导线用深红色,接地 线用黑色等。 ②布线选用导线剥头不宜太长,也不宜太短,大约为5-7mm。剥头部分要做到光滑,否 则,重剥。导线插人插孔时,要确保夹在插孔内(轻轻用力不能拉出),但也不能插人 过深,使导线塑料包层插人造成电绝缘。 ③布线所用导线在需要弯曲的地方要采用尖嘴钳进行折弯,不能用手直接进行弯曲 (2)布线注意事项 ①布线尽可能短 ②不得使导线跨接集成块的上空,无规则的交错连接。而只能贴近集成块周围走 ③不要在一个插孔内插人两根或两根以上的导线,以免损坏插孔。布线要做到线 路整洁有序,走向明确。 ④布线时,要按正确的顺序进行,以免漏接。 (3)布线基本步骤 先将固定电平的端点接好,如电源的正极(十5V)、地线、门电路的多余 输人端及实验过程中始终不改变电平的输人端。这些连线尽可能短,并布在接 近电源正极和电源负极(地线)的位置。以免在布其他线时被无意碰落,而且可 以减少靠近集成元件附近的布线密度 按信号流向顺序布线,布线用的导线不宜太长,最好贴近底板。电路 安装好后,要进行检查,看组装的电路是否与原理图一致。首先检査布线。 (4)布线常见故障 插错,把某些元件引脚或导线插接到面包板相邻的一行上去 引线与插孔接触不良。 元件插接不良或连线漏接等
3.合理设计和选择电路的接“地”点 在电子线路中,通常会碰到接地的问题。在实验电路中,各仪器与地连线时要注 意“共地”,即将各仪器地线与被测电路的地线连在一起。在进行共“地”时,还必 须合理设计和选择电路的接“地”点,从而加强电路抑制噪声和防止干扰的能力 4.数字电路故障检测与排除技术 个数字电路或系统,通常是由许多子电路或功能块连接而成,在实验过程中,会由 于各种各样的原因产生故障。故障的产生原因是多种,有些是因为操作不当(如布线错误、 虚焊)引起的,有些故障(如组合电路的冒险现象)是由于设计不当,实验电路本身所固有的 有些故障是实验器件使用不当或错误应用造成的。在实验中,要求完全不出故障是比较困 难的。然而,只要做到:(1)实验前准备充分,充分了解实验目的和具体要求,写好预习报告;(2) 实验时操作细心,所有连线确保准确连接,元件正确安置。尽可能将故障的可能性减小至 最低。 在实验过程中,如果发现电路出现了故障,也即不能完成预定的功能,那么,就必须 进行电路故障诊断与排除。 (1)数字电路故障的检测 电路要正常工作,必须首先确保电源能够加到电路中去。为此,首先检査电源与电路 之间是否存在开路现象。当确保电源已加至工作电路,再进行具体的检査。对一些具有复 位端的电路,必须先检査复位端电压是否正常。 进行具体检查时,可采用逻辑思维的方法 个电路可以由许多功能模块构成的,当发现电路出现故障时,首先要正确观察和分 析故障现象,然后根据结构框图进行逻辑分析,确认故障可以发生的功能模块。分析的方 法通常是利用框图从输入到输出,或从输出到输人进行检测的过程。 (2)数字电路故障检测常用工具 数字电路故障诊断时,常用工具有万用表、逻辑笔和示波器。在使用这些工具进行故 障诊断时,要先验证它们本身的功能是否正常,否则,徒劳无功。 (3)检测注意事项 在电源接通时,绝不要移动或插人集成电路,因为电流的冲击可能会造成集成块的 久性损坏。在电源断开时,不要加上测试信号。在检测元件时,应注意不要因使用大型测 试探针造成电路短路
第二部分数字电路实验箱简介 数字逻辑实验箱采用的是TD-DS实验箱,该实验箱可以进行数字逻辑实验和基本的EDA 实验。 实验箱的基本构成 该实验箱根据电路功能划分为多个功能区,主要的功能区有 1.通用实验区 有20个圆孔型双列直插式IC座 2.专用实验区 由数模、模/数转换器,静态存储器构成 3.信号源单元 可提供3种脉冲信号: (1)可调连续脉冲:100Hz~100KHz频率可调 (2)固定连续脉冲:1MHz、100KHz、10KHz、1KHz、100Hz、10Hz、1KHz; (3)单脉冲:消抖脉冲2组 逻辑电平开关及显 l6组正逻辑电平开关(带显示灯),16组电平显示灯 5.数码管显示 2组带BCD七段译码器的2位LED数码管显示; 组2位七段LED数码管显示及限流电阻 6.元器件单元 包括电位器、电阻器、电容器、二极管和蜂鸣器等常用元件。 7.逻辑笔单元 测量高、低电平,分别由红、绿电平显示灯指示。 8.逻辑分析仪单元 8路采样通道、最高采样频率50MHz、可连续、单次触发、TTL或CMOS门限 电平可选。 9.系统电源 提供+5V2A、±120.2A电源供电。 基本单元电路组成 1.通用实验区单元
该单元采用开放引脚的IC座形式,使用圆孔型双列直插式IC座。 有8脚2个,14脚7个,16脚6个,20脚2个,24脚1个,28脚1个,40脚1个 2.连续脉冲单元 该单元提供IHz到MHz之间7种频率脉冲,其线路如图-1所示。 「扭‖扭「「扭‖扭 8888888888888888 IMHZ 8距距距E頸E 图1连续单元脉冲电路 3.可调连续脉冲单元电路 TRIG THR 500pF|0.01uF0. 图2可调连续脉冲单元电路 .单次脉冲单元电路 图3单次脉冲单元电路 5.逻辑电平开关单元
