数字逻辑电路实习讲义要点Word文档格式.docx
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若在图1-1电路中加一个计时功能,要求计时电路显示时间精确到秒,最多限制为2分钟,一旦超出限时,则取消抢答权,电路如何改进。
六、实验报告
1、分析智力竞赛抢答装置各部分功能及工作原理
2、总结数字系统的设计、调试方法
3、分析实验中出现的故障及解决办法
实验二电子秒表
一、实验目的
1、学习数字电路中基本RS触发器、单稳态触发器、时钟发生器及计数、译码显示等单元电路的综合应用。
2、学习电子秒表的调试方法。
二、实验原理
图2-1为电子秒表的电原理图。
按功能分成四个单元电路进行分析。
1、基本RS触发器
图2-1中单元I为用集成与非门构成的基本RS触发器。
属低电平直接触发的触发器,有直接置位、复位的功能。
它的一路输出
作为单稳态触发器的输入,另一路输出Q作为与非门5的输入控制信号。
按动按钮开关K2(接地),则门1输出
=1;
门2输出Q=0,K2复位后Q、
状态保持不变。
再按动按钮开关K1,则Q由0变为1,门5开启,为计数器启动作好准备。
由1变0,送出负脉冲,启动单稳态触发器工作。
基本RS触发器在电子秒表中的职能是启动和停止秒表的工作。
2、单稳态触发器
图2-1中单元Ⅱ为用集成与非门构成的微分型单稳态触发器,图2-2为各点波形图。
单稳态触发器的输入触发负脉冲信号vi由基本RS触发器
端提供,输出负脉冲vO通过非门加到计数器的清除端R。
静态时,门4应处于截止状态,故电阻R必须小于门的关门电阻ROff。
定时元件RC取值不同,输出脉冲宽度也不同。
当触发脉冲宽度小于输出脉冲宽度时,可以省去输入微分电路的RP和CP。
单稳态触发器在电子秒表中的职能是为计数器提供清零信号。
图2-1电子秒表原理图
3、时钟发生器
图2-1中单元Ⅲ为用555定时器构成的多谐振荡器,是一种性能较好的时钟源。
调节电位器RW,使在输出端3获得频率为50HZ的矩形波信号,当基本RS触发器Q=1时,门5开启,此时50HZ脉冲信号通过门5作为计数脉冲加于计数器①的计数输入端CP2。
图2-2单稳态触发器波形图图2-374LS90引脚排列
4、计数及译码显示
二—五—十进制加法计数器74LS90构成电子秒表的计数单元,如图2-1中单元Ⅳ所示。
其中计数器①接成五进制形式,对频率为50HZ的时钟脉冲进行五分频,在输出端QD取得周期为0.1S的矩形脉冲,作为计数器②的时钟输入。
计数器②及计数器③接成8421码十进制形式,其输出端与实验装置上译码显示单元的相应输入端连接,可显示0.1~0.9秒;
1~9.9秒计时。
注:
集成异步计数器74LS90
74LS90是异步二—五—十进制加法计数器,它既可以作二进制加法计数器,又可以作五进制和十进制加法计数器。
图2-3为74LS90引脚排列,表2-1为功能表。
通过不同的连接方式,74LS90可以实现四种不同的逻辑功能;
而且还可借助R0
(1)、R0
(2)对计数器清零,借助S9
(1)、S9
(2)将计数器置9。
其具体功能详述如下:
(1)计数脉冲从CP1输入,QA作为输出端,为二进制计数器。
(2)计数脉冲从CP2输入,QDQCQB作为输出端,为异步五进制加法计数器。
(3)若将CP2和QA相连,计数脉冲由CP1输入,QD、QC、QB、QA作为输出端,
则构成异步8421码十进制加法计数器。
(4)若将CP1与QD相连,计数脉冲由CP2输入,QA、QD、QC、QB作为输出端,
则构成异步5421码十进制加法计数器。
(5)清零、置9功能。
a)异步清零
当R0
(1)、R0
(2)均为“1”;
S9
(1)、S9
(2)中有“0”时,实现异步清零功能,即QDQCQBQA=0000。
置9功能
当S9
(1)、S9
(2)均为“1”;
R0
(1)、R0
(2)中有“0”时,实现置9功能,即QDQCQBQA=1001。
表2-1
输入
输出
功能
清0
置9
时钟
QDQCQBQA
R0
(1)、R0
(2)
S9
(1)、S9
(2)
CP1CP2
1
×
×
0×
0
↓1
QA输出
二进制计数
1↓
QDQCQB输出
五进制计数
↓QA
QDQCQBQA输出8421BCD码
十进制计数
QD↓
QAQDQCQB输出5421BCD码
11
不变
保持
三、实验设备及器件
1、+5V直流电源2、双踪示波器
3、直流数字电压表4、数字频率计
5、单次脉冲源6、连续脉冲源
7、逻辑电平开关8、逻辑电平显示器
9、译码显示器10、74LS00×
2555×
174LS90×
3
电位器、电阻、电容若干
四、实验内容
由于实验电路中使用器件较多,实验前必须合理安排各器件在实验装置上的位置,使电路逻辑清楚,接线较短。
实验时,应按照实验任务的次序,将各单元电路逐个进行接线和调试,即分别测试基本RS触发器、单稳态触发器、时钟发生器及计数器的逻辑功能,待各单元电路工作正常后,再将有关电路逐级连接起来进行测试……,直到测试电子秒表整个电路的功能。
这样的测试方法有利于检查和排除故障,保证实验顺利进行。
1、基本RS触发器的测试
测试方法参考实验九
2、单稳态触发器的测试
(1)静态测试
用直流数字电压表测量A、B、D、F各点电位值。
记录之。
(2)动态测试
输入端接1KHZ连续脉冲源,用示波器观察并描绘D点(vD、)F点(v0)波形,如嫌单稳输出脉冲持续时间太短,难以观察,可适当加大微分电容C(如改为0.1μ)待测试完毕,再恢复4700P。
3、时钟发生器的测试
测试方法参考实验十五,用示波器观察输出电压波形并测量其频率,调节RW,使输出矩形波频率为50Hz。
4、计数器的测试
(1)计数器①接成五进制形式,RO
(1)、RO
(2)、S9
(1)、S9
(2)接逻辑开关输出插口,CP2接单次脉冲源,CP1接高电平“1”,QD~QA接实验设备上译码显示输入端D、C、B、A,按表2-1测试其逻辑功能,记录之。
(2)计数器②及计数器③接成8421码十进制形式,同内容
(1)进行逻辑功能测试。
(3)将计数器①、②、③级连,进行逻辑功能测试。
5、电子秒表的整体测试
各单元电路测试正常后,按图2-1把几个单元电路连接起来,进行电子秒表的总体测试。
先按一下按钮开关K2,此时电子秒表不工作,再按一下按钮开关K1,则计数器清零后便开始计时,观察数码管显示计数情况是否正常,如不需要计时或暂停计时,按一下开关K2,计时立即停止,但数码管保留所计时之值。
6、电子秒表准确度的测试
利用电子钟或手表的秒计时对电子秒表进行校准。
五、实验报告
1、总结电子秒表整个调试过程。
2、分析调试中发现的问题及故障排除方法。
六、预习报告
1、复习数字电路中RS触发器,单稳态触发器、时钟发生器及计数器等
部分内容。
2、除了本实验中所采用的时钟源外,选用另外两种不同类型的时钟源,
可供本实验用。
画出电路图,选取元器件。
3、列出电子秒表单元电路的测试表格。
4、列出调试电子秒表的步骤。
实验三
位直流数字电压表
1、了解双积分式A/D转换器的工作原理
2、熟悉
位A/D转换器CC14433的性能及其引脚功能
3、掌握用CC14433构成直流数字电压表的方法
直流数字电压表的核心器件是一个间接型A/D转换器,它首先将输入的模拟电压信号变换成易于准确测量的时间量,然后在这个时间宽度里用计数器计时,计数结果就是正比于输入模拟电压信号的数字量。
1、V-T变换型双积分A/D转换器
图3-1是双积分ADC的控制逻辑框图。
它由积分器(包括运算放大器A1和RC积分网络)、过零比较器A2,N位二进制计数器,开关控制电路,门控电路,参考电压VR与时钟脉冲源CP组成。
图3-1双积分ADC原理框图
转换开始前,先将计数器清零,并通过控制电路使开关SO接通,将电容
C充分放电。
由于计数器进位输出QC=0,控制电路使开关S接通vi,模拟电压与积分器接通,同时,门G被封锁,计数器不工作。
积分器输出vA线性下降,经零值比较器A2获得一方波vC,打开门G,计数器开始计数,当输入2n个时钟脉冲后t=T1,各触发器输出端Dn-1~DO由111…1回到000…0,其进位输出QC=1,作为定时控制信号,通过控制电路将开关S转换至基准电压源-VR,积分器向相反方向积分,vA开始线性上升,计数器重新从0开始计数,直到t=T2,vA下降到0,比较器输出的正方波结束,此时计数器中暂存二进制数字就是vi相对应的二进制数码。
2、
位双积分A/D转换器CC14433的性能特点
CC14433是CMOS双积分式
位A/D转换器,它是将构成数字和模拟电路的约7700多个MOS晶体管集成在一个硅芯片上,芯片有24只引脚,采用双列直插式,其引脚排列与功能如图3-2所示。
图3-2CC14433引脚排列
引脚功能说明:
VAG(1脚):
被测电压VX和基准电压VR的参考地
VR(2脚):
外接基准电压(2V或200mV)输入端
VX(3脚):
被测电压输入端
R1(4脚)、R1/C1(5脚)、C1(6脚):
外接积分阻容元件端
C1=0.1μf(聚酯薄膜电容器),R1=470KΩ(2V量程);
R1=27KΩ(200mV量程)。
C01(7脚)、C02(8脚):
外接失调补偿电容端,典型值0.1μf。
DU(9脚):
实时显示控制输入端。
若与EOC(14脚)端连接,则每次A/D转换均显示。
CP1(10脚)、CPo(11脚):
时钟振荡外接电阻端,典型值为470KΩ。
VEE(12脚):
电路的电源最负端,接-5V。
VSS(13脚):
除CP外所有输入端的低电平基准(通常与1脚连接)。
EOC(14脚):
转换周期结束标记输出端,每一次A/D转换周期结束,EOC输出一个正脉冲,宽度为时钟周期的二分之一。
(15脚):
过量程标志输出端,当|VX|>VR时,
输出为低电平。
DS4~DS1(16~19脚):
多路选通脉冲输入端,DS1对应于千位,DS2对应于百位,DS3对应于十位,DS4对应于个位。
Q0~Q3(20~23脚):
BCD码数据输出端,DS2、DS3、DS4选通脉冲期间,输出三位完整的十进制数,在DS1选通脉冲期间,输出千位0或1及过量程、欠量程和被测电压极性标志信号。
CC14433具有自动调零,自动极性转换等功能。
可测量正或负的电压值。
当CP1、CP0端接入470KΩ电阻时,时钟频率≈66KHz,每秒钟可进行4次A/D转换。
它的使用调试简便,能与微处理机或其它数字系统兼容,广泛用于数字面板表,数字万用表,数字温度计,数字量具及遥测、遥控系统。
3、
位直流数字电压表的组成(实验线路)线路结构如图3-3所示。
(1)被测直流电压VX经A/D转换后以动态扫描形式输出,数字量输出端Q0Q1Q2Q3上的数字信号(8421码)按照时间先后顺序输出。
位选信号DS1,DS2,DS3,DS4通过位选开关MC1413分别控制着千位、百位、十位和个位上的四只LED数码管的公共阴极。
数字信号经七段译码器CC4511译码后,驱四只LED数码管的各段阳极。
这样就把A/D转换器按时间顺序输出的数据以扫描形式在四只数码管上依次显示出来,由于选通重复频率较高,工作时从高位到低位以每位每次约300μS的速率循环显示。
即一个4位数的显示周期是1.2ms,所以人的肉眼就能清晰地看到四位数码管同时显示三位半十进制数字量。
(1)当参考电压VR=2V时,满量程显示1.999V;
VR=200mV时,满量
程为199.9mV。
可以通过选择开关来控制千位和十位数码管的h笔经限流电阻实现对相应的小数点显示的控制。
(2)最高位(千位)显示时只有b、c二根线与LED数码管的b、c脚
相接,所以千位只显示1或不显示,用千位的g笔段来显示模拟量的负值(正值不显示),即由CC14433的Q2端通过NPN晶体管9013来控制g段。
(3)精密基准电源MC1403
A/D转换需要外接标准电压源作参考电压。
标准电压源的精度应当高于
A/D转换器的精度。
本实验采用MC1403集成精密稳压源作参考电压,MC1403的输出电压为2.5V,当输入电压在4.5~15V范围内变化时,输出电压的变化不超过3mV,一般只有0.6mV左右,输出最大电流为10mA。
MC1403引脚排列见图3-4。
(4)实验中使用CMOSBCD七段译码/驱动器CC4511,参考实验六有关
部分。
(5)七路达林顿晶体管列阵MC1413
MC1413采用NPN达林顿复合晶体管的结构,因此有很高的电流增益和很高的输入阻抗,可直接接受MOS或CMOS集成电路的输出信号,并把电压信号转换成足够大的电流信号驱动各种负载。
该电路内含有7个集电极开路反相器(也称OC门)。
MC1413电路结构和引脚排列如图3-5所示,它采用16引脚的双列直插式封装。
每一驱动器输出端均接有一释放电感负载能量的抑制二极管。
图3-4MC1403引脚排列图3-5MC1413引脚排列
和电路结构图
三、实验设备及器件
1、±
5V直流电源2、双踪示波器
3、直流数字电压表4、按线路图3-3要求自拟元、器件清单
四、实验内容
本实验要求按图3-3组装并调试好一台三位半直流数字电压表,实验时应一步步地进行。
1、数码显示部分的组装与调试
(1)建议将4只数码管插入40P集成电路插座上,将4个数码管同名笔划段与显示译码的相应输出端连在一起,其中最高位只要将b、c、g三笔划段接入电路,按图3-3接好连线,但暂不插所有的芯片,待用。
(2)插好芯片CC4511与MC1413,并将CC4511的输入端A、B、C、D接至拨码开关对应的A、B、C、D四个插口处;
将MC1413的1、2、3、4脚接至逻辑开关输出插口上。
(3)将MC1413的2脚置“1”,1、3、4脚置“0”,接通电源,拨动码盘(按“+”或“-”键)自0~9变化,检查数码管是否按码盘的指示值变化。
(4)按实验原理说明3(5)项的要求,检查译码显示是否正常。
(5)分别将MC1413的3、4、1脚单独置“1”,重复(3)的内容。
如果所有4位数码管显示正常,则去掉数字译码显示部分的电源,备用。
2、标准电压源的连接和调整
插上MC1403基准电源,用标准数字电压表检查输出是否为2.5V,然后调整10KΩ电位器,使其输出电压为2.00V,调整结束后去掉电源线,供总装时备用。
3、总装总调
(1)插好芯片MC14433,接图3-3接好全部线路。
(2)将输入端接地,接通+5V,-5V电源(先接好地线),此时显示器将显示“000”值,如果不是,应检测电源正负电压。
用示波器测量、观察DS1~DS4,Q0~Q3波形,判别故障所在。
(3)用电阻、电位器构成一个简单的输入电压VX调节电路,调节电位器,4位数码将相应变化,然后进入下一步精调。
(4)用标准数字电压表(或用数字万用表代)测量输入电压,调节电位器,使VX=1.000V,这时被调电路的电压指示值不一定显示“1.000”,应调整基准电压源,使指示值与标准电压表误差个位数在5之内。
(5)改变输入电压VX极性,使Vi=-1.000V,检查“-”是否显示,并按(4)方法校准显示值。
(6)在+1.999V~0~-1.999V量程内再一次仔细调整(调基准电源电压)使全部量程内的误差均不超过个位数在5之内。
至此一个测量范围在±
1.999的三位半数字直流电压表调试成功。
4、记录输入电压为±
1.999,±
1.500,±
1.000,±
0.500,0.000时(标准数字电压表的读数)被调数字电压表的显示值,列表记录之。
5、用自制数字电压表测量正、负电源电压。
如何测量,试设计扩程测量电路。
*6、若积分电容C1、C02(0.1μF)换用普通金属化纸介电容时,观察测量精度的变化。
五、实验预习要求
1、本实验是一个综合性实验,应作好充分准备。
2、仔细分析图3-3各部分电路的连接及其工作原理。
3、参考电压VR上升,显示值增大还是减少?
4、要使显示值保持某一时刻的读数,电路应如何改动?
六、实验报告
1、绘出三位半直流数字电压表的电路接线图
2、阐明组装、调试步骤
3、说明调试过程中遇到的问题和解决的方法
4、组装、调试数字电压表的心得体会
实验四用运算放大器组成万用电表的设计与调试
一、实验目的
1、设计由运算放大器组成的万用电表
2、组装与调试
二、设计要求
1、直流电压表满量程+6V
2、直流电流表满量程10mA
3、交流电压表满量程6V,50Hz~1KHz
4、交流电流表满量程10mA
5、欧姆表满量程分别为1KΩ,10KΩ,100KΩ
三、万用电表工作原理及参考电路
在测量中,电表的接入应不影响被测电路的原工作状态,这就要求电压表应具有无穷大的输入电阻,电流表的内阻应为零。
但实际上,万用电表表头的可动线圈总有一定的电阻,例如100μA的表头,其内阻约为1KΩ,用它进行测量时将影响被测量,引起误差。
此外,交流电表中的整流二极管的压降和非线性特性也会产生误差。
如果在万用电表中使用运算放大器,就能大大降低这些误差,提高测量精度。
在欧姆表中采用运算放大器,不仅能得到线性刻度,还能实现自动调零。
1、直流电压表
图4-1为同相端输入,高精度直流电压表电原理图。
为了减小表头参数对测量精度的影响,将表头置于运算放大器的反馈回路中,这时,流经表头的电流与表头的参数无关,只要改变R1一个电阻,就可进行量程的切换。
图4-1直流电压表
表头电流I与被测电压Ui的关系为
应当指出:
图4-1适用于测量电路与运算放大器共地的有关电路。
此外,当被测电压较高时,在运放的输入端应设置衰减器。
2、直流电流表
图4-2是浮地直流电流表的电原理图。
在电流测量中,浮地电流的测量是普遍存在的,例如:
若被测电流无接地点,就属于这种情况。
为此,应把运算放大器的电源也对地浮动,按此种方式构成的电流表就可象常规电流表那样,串联在任何电流通路中测量电流。
图4-2直流电流表
表头电流I与被测电流I1间关系为
-I1R1=(I1-I)R2
可见,改变电阻比(R1/R2),可调节流过电流表的电流,以提高灵敏度。
如果被测电流较大时,应给电流表表头并联分流电阻。
3、交流电压表
由运算放大器、二极管整流桥和直流毫安表组成的交流电压表如图22-3所示。
被测交流电压ui加到运算放大器的同相端,故有很高的输入阻抗,又因为负反馈能减小反馈回路中的非线性影响,故把二极管桥路和表头置于运算放大器的反馈回路中,以减小二极管本身非线性的影响。
图4-3交流电压表
表头电流I与被测电压ui的关系为
电流I全部流过桥路,其值仅与Ui/R1有关,与桥路和表头参数(如二极管的死区等非线性参数)无关。
表头中电流与被测电压ui的全波整流平均值成正比,若ui为正弦波,则表头可按有效值来刻度。
被测电压的上限频率决定于运算放大器的频带和上升速率。
4、交流电流表
图4-4为浮地交流电流表,表头读数由被测交流电流i的全波整流平均值I1AV决定,即
如果被测电流i为正弦电流,即
i1=
I1sinωt,则上式可写为
则表头可按有效值来刻度。
图4-4交流电流表
5、欧姆表
图4-5为多量程的欧姆表。
图4-5欧姆表
在此电路中,运算放大器改由单电源供电,被测电阻RX跨接在运算放大器的反馈回路中,同相端加基准电压UREF。
∵UP=UN=UREF
I1=IX
即
流经表头的电流
由上两式消去(UO-UREF)
可得
可见,电流I与被测电阻成正比,而且表头具有线性刻度,改变R1值,可改变欧姆表的量程。
这种欧姆表能自动调零,当RX=0时,电路变成电压跟随器,UO=UREF,故表头电流为零,从而实现了自动调零。
二极管D起保护电表的作用,如果没有D,当RX超量程时,特别是当RX→∞,运算放大器的输出电压将接近电源电压,使表头过载。
有了D就可使输出钳位,防止表头过
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