数字电路实验注意事项与大体要求.docx
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数字电路实验注意事项与大体要求
数字电路实验注意事项及大体要求
数字集成电路的分类、特点及注意问题
现今,数字电子电路几乎已完全集成化了。
因此,充分掌握和正确利用数字集成电路,用以组成数字逻辑系统,就成为数字电子技术的核心内容之一。
集成电路按集成度可分为小规模、中规模、大规模和超大规模等。
小规模集成电路(SSI)是在一块硅片上制成约1~10个门,一般为逻辑单元电路,如逻辑门、触发器等。
中规模集成电路(MSI)的集成度约为10~100门/片,一般是逻辑功能电路,如译码器、数据选择器、计数器、寄放器等。
大规模集成电路(LSI)的集成度约为100门/片以上,超大规模(VLSI)约为1000门/片以上,一般是一个小的数字逻辑系统。
现已制成规模更大的极大规模集成电路。
数字集成电路还可分为双极型电路和单极型电路两种。
双极型电路中有代表性的是TTL电路;单极型电路中有代表性的是CMOS电路。
国产TTL集成电路的标准系列为CT54/74系列或CT0000系列,其功能和外引线排列与国际54/74系列相同。
国产CMOS集成电路主要为CC(CH)4000系列,其功能和外引线排列与国际CD4000系列相对应。
高速CMOS系列中,74HC和74HCT系列与TTL74系列相对应,74HC4000系列与CC4000系列相对应。
必需正确了解集成电路参数的意义和数值,并按规定利用。
专门是必需严格遵守极限参数的限定,因为即便刹时超出,也会使器件蒙受损坏。
TTL器件的特点:
1.输入端一般有钳位二极管,减少了反射干扰的影响。
2.输出电阻低,增强了带容性负载的能力。
3.有较大的噪声容限。
4.采用+5V的电源供电。
为了正常发挥器件的功能,应使器件在推荐的条件下工作,对CT0000系列(74LS系列)器件,主要有:
(1)电源电压应~的范围内。
(2)环境温度在00C~700C之间。
(3)高电平输入电压VIH>2V,低电平输入电压VSL<。
(4)输出电流应小于最大推荐值(查手册)。
(5)工作频率不能高,一般的门和触发器的最高工作频率约30MHZ左右。
TTL器件利用注意问题:
1.电源电压应严格维持在5V±10%的范围内,太高易损坏器件,太低则不能正常工作,实验中一般采用稳固性好、内阻小的直流稳压电源。
使历时,应特别注意电源与地线不能错接,不然会因过大电流而造成器件损坏。
2.多余输入端最好不要悬空,虽然悬空相当于高电平,并非能影响与门(与非门)的逻辑功能,但悬空时易受干扰,为此,与门、与非门多余输入端可直接接到Vcc上,或通过一个公用电阻(几千欧)连到Vcc上。
若前级驱动能力强,则可将多余输入端与利用端并接;不用的或门、或非门输入端直接接地,与或非门不用的与门输入端至少有一个要直接接地,带有扩展端的门电路,其扩展端不允许直接接电源。
若输入端通过电阻接地,电阻值的大小将直接影响电路所处的状态,当R≤680Ω时,输入端相当于逻辑“0”;当R≥4.7KΩ时,输入端相当于逻辑“1”。
对于不同系列的器件,要求的阻值不同。
3.输出端不允许直接接电源或接地,有时为了使后级电路取得较高的输出电平,允许输出端通过电阻R接至Vcc,一般取R=3~KΩ;不允许直接并联利用(集电极开路门和三态门除外)。
4.应考虑电路的负载能力(即扇出系数),要留有余地,以避免影响电路的正常工作。
扇出系数可通过查阅器件手册或计算取得。
5.在高频工作时,应通过缩短引线、屏蔽干扰源等办法,抑制电流的尖峰干扰。
CMOS数字集成电路的特点
1.静态功耗低:
电源电压VDD=5V的中规模电路的静态功耗小于100μW,从而有利于提高集成度和封装密度,降低本钱,减小电源功耗。
2.电源电压范围宽:
4000系列CMOS电路的电源电压范围为3~18V,从而使选择电源的余地大,电源设计要求低。
3.输入阻抗高:
正常工作的CMOS集成电路,其输入端保护二极管处于反偏状态,直流输入阻抗可大于100MΩ,在工作频率较高时,应考虑输入电容的影响。
4.扇出能力强:
在低频工作时,一个输出端可驱动50个以上的CMOS器件的输入端,这主要因为CMOS器件的输入电阻高的缘故。
5.抗干扰能力强:
CMOS集成电路的电压噪声容限可达电源电压的45%,而且高电平和低电平的噪声容限值大体相等。
6.逻辑摆幅大:
空载时,输出高电平VOH>(),输出低电平VOL<(VSS+)。
CMOS集成电路还有较好的温度稳固性和较强的抗辐射能力。
不足的地方是,一般CMOS器件的工作速度比TTL集成电路低,功耗随工作频率的升高而显著增大。
CMOS器件的输入端和VSS之间接有保护二极管,除电平变换器等一些接口电路外,输入端和正电源VDD之间也接有保护二极管,因此,在正常运转和焊接CMOS器件时,一般不会因感应电荷而损坏器件。
可是,在利用CMOS数字集成电路时,输入信号的低电平不能低于(),除某些接口电路外,输入信号的高电平不得高于(VDD+),不然可能引发保护二极管导通,乃至损坏进而可能使输入级损坏。
CMOS器件利用注意事项:
1.电源连接和选择:
VDD端接电源正极,VSS端接电源负极(地)。
绝对不准接错,不然器件因电流过大而损坏。
对于电源电压范围为3V~18V系列器件。
如CC4000系列,实验中VDD通常接+5V电源。
VDD电压选在电源转变范围的中间值,例如电源电压在8~12V之间转变,则选择VDD=10V较适当。
CMOS器件在不同的VDD值下工作时,其输出阻抗、工作速度和功耗等参数都有所转变,设计中须考虑。
2.输入端处置:
多余输入端不能悬空。
应按逻辑要求接VDD或接VSS,以避免受干扰造成逻辑混乱,乃至还会损坏器件。
对于工作速度要求不高,而要求增加带负载能力时,可把输入端并联利用。
对于安装在印刷电路板上的CMOS器件,为了避免输入端悬空,在电路板的输入端应接入限流电阻RP和保护电阻R,当VDD=+5V时,RP取Ω,R一般取100KΩ~1MΩ。
3.输出端处置:
输出端不允许直接接VDD或VSS,不然将致使器件损坏,除三态(TS)器件外,不允许两个不同芯片输出端并联利用,但有时为了增加驱动能力,同一芯片上的输出端能够并联。
4.对输入信号VI的要求:
VI的高电平VIH<VDD,VIL的低电平VIL小于电路系统允许的低电压;当器件VDD端未接通电源时,不允许信号输入,不然将使输入端保护电路中的二极管损坏。
集成电路外引线的识别
利用集成电路前,必需认真查对识别集成电路的引脚,确认电源、地、输入、输出、控制等端的引脚号,以避免因接错而损坏器件。
引脚排列的一般规律为:
圆形集成电路:
识别是,面向引脚正视,从定位销顺时针方向依次为……如图(a)。
圆形多用于集成运放等电路。
扁平和双列直插型集成电路:
识别时,将文字,符号标记正放(一般集成电路上有一圆点或有一缺口,将圆点或缺口置于左方),由顶部俯视,从左下脚起,按逆时针方向数,依次……如图(
)。
在标准形TTL集成电路中,电源端Vcc—般排列在左上端,接地端GND一般排在右下端,如74LS00为14脚芯片,14脚为Vcc,7脚为GND。
若集成电路芯片引脚上的功能标号为NC,则表示该引脚为空脚,与内部电路不连接。
扁平型多用于数字集成电路,双列直插型普遍用于模拟和数字集成电路。
图(a)(b)集成电路外引线的识别
数字逻辑电路的测试方式
1.组合逻辑电路的测试
组合逻辑电路测试的目的是验证其逻辑功能是不是符合设计要求,也就是验证其输出与输入的关系是不是与真值表相符。
(1).静态测试。
静态测试是在电路静止状态下测试输出与输入的关系。
将输入端别离接到逻辑电平开关上,用电平显示灯别离显示各输入和输出端的状态。
按真值表将输入信号一组一组地依次送入被测电路,测出相应的输出状态,与真值表相较较,借以判断此组合逻辑电路静态工作是不是正常。
(2).动态测试动态测试是测量组合逻辑电路的频率响应。
在输入端加上周期性信号,用示波器观察输入、输出波形。
测出与真值表相符的最高输入脉冲频率。
2.时序逻辑电路的测试
时序逻辑电路测试的目的是验证其状态的转换是不是与状态图或时序图相符合。
可用电平显示灯、数码管或示波器等观察输出状态的转变。
常常利用的测试方式有两种,一种是单拍工作方式:
以单脉冲源作为时钟脉冲,逐拍进行观测,来判断输出状态的转换是不是与状态图相符。
另一种是持续工作方式:
以持续脉冲源作为时钟脉冲,用示波器观察波形,来判断输出波形是不是与时序图相符。
数字实验的大体进程
实验的大体进程,应包括:
肯定实验内容、选定最佳的实验方式和实验线路、拟出较好的实验步骤、合理选择仪器设备和元器件、进行连接安装和调试、最后写出完整的实验报告。
在进行数字电路实验时,充分掌握和正确利用集成器件及其组成的数字电路特有的特点和规律,能够收到事半功倍的效果,对于完成每一个实验,应做好实验预习、实验记录和实验报告等环节。
实验预习:
认真预习是做好实验的关键。
预习好坏,不仅关系到实验可否顺利进行,而且直接影响实验效果。
预习应按本教材的实验预习要求进行,在每次实验前第一要认真温习有关实验的大体原理,掌握有关器件利用方式,对如何着手实验做到心中有数,以保证所预习设计的内容正确,如此不但可拓宽设计思路,也可大大节省实际在实验室操作的时刻和排错的时刻,提高实验效率。
通过预习还应做好实验前的预备,写出一份预习报告,其内容包括:
1.绘出设计好的实验电路图,该图应该是逻辑图和连线图的混合,既便于连接线,又反映电路原理,并在图上标出器件型号、利用的引脚号及元件数值,必要时还须用文字说明。
2.拟定实验方式和步骤。
3.拟好记录实验数据的表格和波形座标,并记录预习的理论值。
4.列出元器件清单。
实验记录是实验进程中取得的第一手资料。
测试进程中所测试的数据和波形必需和理论大体一致,所以记录必需清楚、合理、正确,若不正确,则要现场及时重复测试,找出原因。
实验记录应包括如下内容:
1.实验任务、名称及内容。
2.实验数据和波形和实验中出现的现象,从记录中应能初步判断实验的正确性。
3.记录波形时,应注意输入、输出波形的时刻相位关系,在座标中上下对齐。
4.实验中实际利用的仪器型号和编号和元器件利用情形。
实验报告是培育学生科学实验的总结能力和分析思维能力的有效手腕,也是一项重要的大体功训练,它能专门好地巩固实验功效,加深对大体理论的熟悉和理解,从而进一步扩大知识面。
实验报告是一份技术总结,要求文字简练,内容清楚,图表工整。
报告内容应包括实验目的、实验内容和结果、实验利用仪器和元器件和分析讨论等,其中实验内容和结果是报告的主要部份,它应包括实际完成的全数实验,而且要按实验任务逐个书写,每一个实验任务应有如下内容:
1.实验课题的方框图、逻辑图(或测试电路)、状态图,真值表和文字说明等,对于设计性课题,还应有整个设计进程和关键的设计技能说明。
2.实验记录和通过整理的数据、表格、曲线和波形图,其中表格、曲线和波形图应充分利用专用实验报告简易座标格,而且三角板、曲线板等工具描画,力求画得准确,不得顺手示意画出。
3.实验结果分析、讨论及结论,对讨论的范围,没有严格要求,一般应对重要的实验现象、结论加以讨论,以便进一步加深理解,另外,对实验中的异样现象,可作一些简要说明,实验中有何收获,可谈一些心得体会。
数字实验中操作规范和常见故障检查方式
实验中操作的正确与否对实验结果影响甚大。
因此,实验者需要注意按以下规程进行。
1.搭接实验电路前,应对仪器设备进行必要的检查校准,对导线是不是导通,用万用表进行测量,对所用集成电路是不是好坏,搭接简单电路进行功能测试。
2.搭接电路时,应遵循正确的布线原则和操作步骤(即要依照先接线后通电,做完后,先断电再拆线的步骤)。
3.掌握科学的调试方式,有效地分析并检查故障,以确保电路工作稳固靠得住。
4.仔细观察实验现象,完整准确地记录实验数据并与理论值进行
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