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數(shù)字電路實(shí)驗(yàn),數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程
數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程注重培養(yǎng)學(xué)生數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)能力，數(shù)字邏輯是大學(xué)電子類專業(yè)的一門重要課程，數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠進(jìn)行從簡單數(shù)字電路到較復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的各種實(shí)驗(yàn)，涵蓋數(shù)字邏輯和數(shù)字系統(tǒng)課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。為學(xué)生完成后續(xù)專業(yè)理論和實(shí)驗(yàn)課程奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)的基本知識
1.1 數(shù)字集成電路
數(shù)字電路分集成電路（IC－Integrated
Circuit）和分立元件兩種。分立元件是將晶體管、電阻等元器件用導(dǎo)線在線路板上連接起來的電路；而集成電路則是將上述元器件和導(dǎo)線通過半導(dǎo)體制造工藝做在一塊硅片上而成為一個不可分割的整體電路。
數(shù)字集成電路就是完成數(shù)字邏輯功能的集成電路。集成電路按集成度可分為小規(guī)模集成電路（SSI）、中規(guī)模集成電路（MSI）、大規(guī)模集成電路（LSI）和超大規(guī)模集成電路（VLSI）。實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常用的是中、小規(guī)模集成電路，小規(guī)模集成電路主要是一些門電路，中規(guī)模集成電路主要是數(shù)據(jù)選擇器、計(jì)數(shù)器等數(shù)字電路。中、小規(guī)模數(shù)字電路常見的是TTL電路和CMOS電路。實(shí)驗(yàn)中主要采用TTL的74系列電路作為實(shí)驗(yàn)用器件。
數(shù)字IC器件有多種封裝方式，為了教學(xué)方便，在實(shí)驗(yàn)中所用的74系列器件封裝選用雙列直插器件。下圖1.1.1是雙列直插封裝的正面示意圖。
圖1.1.1 雙列直插式封裝圖
雙列直插封裝有以下特點(diǎn)：
1．從左面看，器件一端有一個半圓的缺口，這是正方向的標(biāo)志。缺口下邊的引腳號為1，引腳號按逆時(shí)針方向增加，圖中的數(shù)字表示引腳號。雙列直插封裝IC引腳個數(shù)有14、16、20、24和28等。
2雙列直插封裝器件有兩列引腳。引腳之間的間距為2.54mm，兩列引腳之間距離有寬（15.24mm）、窄（7.62mm）兩種。兩列引腳之間的距離能夠做較小改變，但引腳間距不能改變。將器件插入實(shí)驗(yàn)臺上的插座中去或者從插座中拔出時(shí)要小心，不要將器件引腳搞彎或折斷。
3．74系列器件一般在右下角的最后一個引腳是GND，左上角的引腳Vcc。例如，14引腳器件引腳7是GND，引腳14是Vcc；20引腳器件引腳10是GND，引腳20是Vcc。但也有例外的，所以使用IC時(shí)要先看清引腳圖，找對電源和地，避免因接線錯誤造成器件損壞。
注意：不能帶電拔、插器件，拔、插器件只能在關(guān)斷電源的情況下進(jìn)行。
1.2 數(shù)字實(shí)驗(yàn)
隨著集成電路的廣泛應(yīng)用，一般采用的實(shí)驗(yàn)方案使用接插式通用底板和雙列直插式集成元件，通過接插的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
1．2．1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備
實(shí)踐證明，實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作做得是否充分，對實(shí)驗(yàn)?zāi)芊耥樌瓿梢约澳芊駨膶?shí)驗(yàn)中有所收獲有很大影響。為了體現(xiàn)準(zhǔn)備工作是否充分，一般要求實(shí)驗(yàn)前書寫實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告。預(yù)習(xí)報(bào)告不同于正式報(bào)告，沒有規(guī)定的書寫格式和要求，只要自己看得懂就行了。要求盡可能簡潔、思路清楚、一目了然，內(nèi)容以實(shí)驗(yàn)電路圖（實(shí)驗(yàn)電路圖就是在邏輯圖的輸入輸出端注上器件的管腳排列序號）為主，附以簡要的文字說明和記錄結(jié)果數(shù)據(jù)的圖表。根據(jù)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的不同，準(zhǔn)備的側(cè)重點(diǎn)和要求有所不同。
1．驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)
驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)指實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)電路等大多是預(yù)先指定的。對這類實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)者要預(yù)先弄情實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮途唧w要求，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的現(xiàn)象、預(yù)先做出分析和估計(jì)。
2．設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)
設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)指根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康募熬唧w要求，由設(shè)計(jì)者自己設(shè)計(jì)電路以及實(shí)驗(yàn)的具體步驟，這類實(shí)驗(yàn)可培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)能力，做這類實(shí)驗(yàn)前要注意以下幾點(diǎn)：
（1）熟悉所使用器件的邏輯功能、使用條件和引腳圖；
（2）進(jìn)實(shí)驗(yàn)室前按要求設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)電路，并畫出實(shí)驗(yàn)電路圖。
1．2．2 實(shí)驗(yàn)過程
一、電路的連接
1．插IC器件
（1）首先要認(rèn)清方向，凹槽朝左，引腳按逆時(shí)針排列，1腳在左側(cè)第一個位置。注意不要插反，否則一接電源就會燒壞IC器件。
（2）將IC器件插到底板上時(shí)要注意對準(zhǔn)，引腳間隔與底板插孔間隔相同，插入時(shí)用力要輕，不要一下子插緊，待確定管腳和插孔位置一致后，再稍用力插牢，以防IC器件管腳彎曲或折斷。
2．布線
（1）導(dǎo)線要求
布線用的導(dǎo)線直徑應(yīng)和通用底板插孔直徑相一致，不宜太粗或過細(xì)；導(dǎo)線最好用色線以區(qū)別不同用途。導(dǎo)線的剝頭一般以5－7mm為宜，剝頭不允許彎曲。
（2）布線順序
布線最好有順序地進(jìn)行，以免造成漏接。布線時(shí)先將固定電平的端點(diǎn)接好，如電源線、地線、門電路的多余端或?qū)嶒?yàn)過程中始終不改變的輸入端等，這些連線要盡可能短一些；然后按信號流向順序布線。
（3）布線要求
A．布線長度不宜太長，最好貼近底板；
B．避免導(dǎo)線相互交叉，更不要覆蓋插孔，切忌導(dǎo)線跨越器件的上空；
C．一個插孔只能插一根導(dǎo)線，不允許插兩根導(dǎo)線；
D．正確布線的底板應(yīng)使電路清晰、整潔，這樣不僅會提高電路的可靠性，也便于檢查和排除故障、更換器件等；
E．在接實(shí)驗(yàn)電路之前，要對所有器件進(jìn)行功能驗(yàn)證，確保所有器件都是有效的，這一步對實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行至關(guān)重要，不可忽略；
F．對于大型實(shí)驗(yàn)，使用器件較多，這時(shí)可以把實(shí)驗(yàn)分為若干獨(dú)立的部分，逐一布線、調(diào)試，最后再連接起來調(diào)試運(yùn)行；
G．為防止干擾，每用6個集成器件，電源線要加接一個1～10 F的旁路電容通地。
二、電路測試及其故障排除
1．?dāng)?shù)字電路測試
數(shù)字電路測試大體上分為靜態(tài)測試和動態(tài)測試兩部分。靜態(tài)測試是給定數(shù)字電路若干組靜態(tài)輸入值，測試數(shù)字電路的輸出值是否正確。數(shù)字電路線路接好以后，把線路的輸入接電平開關(guān)輸出，線路的輸出接電平指示燈，按功能表或狀態(tài)表的要求，改變輸入狀態(tài)，觀察輸入和輸出之間的關(guān)系是否符合設(shè)計(jì)要求。
在靜態(tài)測試的基礎(chǔ)上，按設(shè)計(jì)要求在輸入端加動態(tài)脈沖信號，觀察輸出端波形是否符合設(shè)計(jì)要求，這是動態(tài)測試。我們所涉及的大多只是靜態(tài)測試。
2．?dāng)?shù)字電路的故障查找和排除
在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)電路不能完成預(yù)期的邏輯功能時(shí)，就稱電路有故障。造成故障的原因是多方面的，大致可歸納為以下幾個方面：器件故障、接線錯誤、設(shè)計(jì)錯誤和測試方法不正確。
（1）器件故障
器件故障是器件失效或器件接插問題引起的故障，表現(xiàn)在器件工作不正確，如實(shí)驗(yàn)IC器件使用不當(dāng)、錯誤應(yīng)用或功能不正常，實(shí)驗(yàn)儀器（實(shí)驗(yàn)箱）或通用底板不正常。為防止器件失效，要求接插器件時(shí)一定要注意凹槽朝左，先對齊再用力，使用之前先進(jìn)行功能驗(yàn)證。
（2） 連線錯誤
連線錯誤是常見的錯誤，據(jù)有人統(tǒng)計(jì)，在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，約有70％以上的故障是由接線錯誤引起的。
A．連線錯誤原因
忘記接器件的電源和地；連線與插孔接觸不良；連線經(jīng)多次使用后，有可能外面塑料包皮完好，但內(nèi)部線斷；連線多接、漏接、錯接；連線過長、過亂造成干擾。
B．接線錯誤現(xiàn)象
接線錯誤造成的現(xiàn)象多種多樣，例如器件的某個功能塊不工作或工作不正常，器件不工作或發(fā)熱，電路中的一部分工作狀態(tài)不穩(wěn)定等。
C．解決方法
a．熟悉器件的功能及其引腳號，知道器件每個引腳的功能；
b．器件的電源和地一定要接對、接好，檢查連線和插孔接觸是否良好；
c．檢查有無錯接、多接、漏接，檢查連線中有無斷線。
重要的是連線前要畫出電路連接圖，按圖連接，不要憑記憶隨想隨接；接線時(shí)要規(guī)范、整齊，盡量走直線、短線，以免引起干擾。
（3）設(shè)計(jì)錯誤
電路設(shè)計(jì)錯誤自然會造成與預(yù)想的結(jié)果不一致，原因是對實(shí)驗(yàn)要求沒有理解透，或者對所用器件的原理沒有掌握，或者是實(shí)驗(yàn)電路本身所固有的如組合電路的冒險(xiǎn)現(xiàn)象。這就要求在設(shè)計(jì)時(shí)要理解實(shí)驗(yàn)要求，掌握實(shí)驗(yàn)線路原理，精心設(shè)計(jì)。初始設(shè)計(jì)完成后一般應(yīng)對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，最后畫出邏輯圖及接線圖。
（4）測試方法不正確
若不發(fā)生前三者錯誤，實(shí)驗(yàn)一般會成功。但測試方法不正確也會引起觀察錯誤。例如，一個穩(wěn)定的波形，用示波器觀察，而示波器沒有同步，則造成波形不穩(wěn)的假象。因此要學(xué)會正確使用儀器、儀表，尤其是示波器的應(yīng)用。
在完成布線后，對所有的連線復(fù)查一遍是有益的。簡單檢查電源和地是否接好，輸入能否加到實(shí)驗(yàn)電路上，輸出能否顯示等。當(dāng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)結(jié)果與預(yù)期不一致時(shí)，應(yīng)仔細(xì)觀察現(xiàn)象，冷靜思考問題所在。
（1）首先檢查儀器、儀表是否正確使用；
（2）在正確使用儀器、儀表的前提下，按邏輯圖和接線圖逐級查找問題所在。通常從發(fā)現(xiàn)問題的地方，一級一級向前測試，測試電路的輸入、輸出點(diǎn)的0－1狀態(tài)，直到找到故障的初始發(fā)生位置；
（3）在故障的初始處，首先檢查連線是否正確，確認(rèn)無誤后，檢查器件引腳是否全部正確插進(jìn)插座中，有無引腳折斷、彎曲、錯插問題；
（4）確認(rèn)無上述問題后，取下器件測試，以檢查器件好壞，或者直接換一個好器件；
（5）若器件和連線都正確，則需要考慮設(shè)計(jì)問題。
1．2．3 實(shí)驗(yàn)報(bào)告
實(shí)驗(yàn)結(jié)束后需要撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，這是一項(xiàng)重要的基本功訓(xùn)練，絕不是一種形式上的需要。通過撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，回顧實(shí)驗(yàn)過程、總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果、加深對基本理論的認(rèn)識和理解。實(shí)驗(yàn)報(bào)告要寫在規(guī)定的報(bào)告紙上，所有的圖形、表格都必須用直尺、曲線板繪制。報(bào)告的內(nèi)容主要包括以下幾個部分：
1．實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?br>
2．實(shí)驗(yàn)儀器、器件；
3．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、步驟、線路，包括方框圖、狀態(tài)圖或真值表、文字說明邏輯圖等；
4．實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄；
5．實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析討論、心得體會等。
