电子线路基础综合性实验.docx
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电子线路基础综合性实验
综合性实验一一智力竞赛抢答装置
实验目的
1习数字电路中D触发器、分频电路、多谐振荡器、CP时钟脉冲源等单元电路的综合运用。
2熟悉智力竞赛抢答器的工作原理。
3、了解简单数字系统实验、调试及故障排除方法。
、实验原理
图17—1为供四人用的智力竞赛抢答装置线路，用以判断抢答优先权
图17—1智力竞赛抢答装置原理图
图中Fi为四D触发器74LS175,它具有公共置0端和公共CP端，引脚排列见附录；F2见附录；F2为双4输入与非门74LS20；F3是由74LS00组成的多谐振荡器；F4是由74LS74组成的四分频电路，F3、F4组成抢答电路中的CP时钟脉冲源，抢答开始时，由主持人清除信号，按下复位开关S，74LS175的输
出Q1~Q4全为0,所有发光二极管LED均熄灭，当主持人宣布“抢答开始”后,首先作出判断的参赛者立即按下开关，对应的发光二极管点亮。
同时，通过与非
门F2送出信号锁住其余三个抢答者的电路，不再接受其它信号，直到主持人再次清除信号为止。
实验设备与器件
2、逻辑电平开关
4、双踪示波器
6、直流数字电压表
1、+5V直流电源
3、逻辑电平显示器
5、数字频率计
7、74LS175、74LS20、74LS74、74LS00
四、实验内容
1、测试各触发器及各逻辑门的逻辑功能。
试测方法参照前述相关实验内容，判断器件的好坏。
2、按图17—1接线，抢答器五个开关按实验装置上的逻辑开关、发光二极管接逻辑电平显示器。
3、断开抢答器电路中CP脉冲源电路，单独对多谐振荡器F3及分频器F4进行调试，调整多谐振荡器10K电位器，使其输出脉冲频率约4KHz，观察F3及F4输出波形及测试其频率（可参照以前所做实验的相关内容）。
4、测试抢答器电路功能
接通十5V电源，CP端接实验装置上连续脉冲源，取重复频率约IKHz。
（1）抢答器开始前，开关Ki〜K4均置“0”，准备抢答，将开关S置“0”，
发光二极管全熄灭，再将S置“1”。
抢答开始，Ki〜K4某一开关置“I”，观察发光二极管的亮、灭情况，然后．再将其它三个开关中任一个置“1”，观察发
光二极管的亮、灭有否改变。
（2）重复（I）的内容，改变Ki〜K4任一个开关状态。
观察抢答器的工作情况。
（3）整体测试
断开实验装置上的连续脉冲源，接入F3及F4,再进行实验。
五、实验预习要求
若在图17—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
综合性实验——3位半直流数字电压表
实验目的
1、了解双积分式A/D转换器的工作原理
2、熟悉3位半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
二、实验原理
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18—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Ai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18—1双积分ADC原理图
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。
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被圭寸锁，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2?
个时钟脉冲后t=「，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、3位半双积分A/D转换器CC14433的性能特点
CC14433是CMOS双积分式3位半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18—2所示。
CC14433
*ReRMCi65C伪DUCPjCPdVhe
91011
图18—2CC1433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。
Ri（4脚）、Ri/Ci（5脚）、Ci（6脚）：
外接积分阻容元件端Ci=0.1卩F（聚酯薄膜电容器）,Ri=470KQ（2V量程）；Ri=27KQ（200mV量程）。
Coi（7脚）、C02（8脚）：
外接失调补偿电容端，典型值0.i卩F。
DU（9脚）：
实时显示控制输入端。
若与EOC（i4脚）端连接，则每次A/D转换均显示。
CPi（i0脚）、CP0（ii脚）：
时钟振荡外接电阻端，典型值为470KQ。
Vee（i2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。
OR（15脚）：
过量程标志输出端，当Vx>Vr时，OR输出为低电平。
DSi〜DS4（16〜19脚）：
多路选通脉冲输入端，DSi对应于千位，DS2对应于百位，DS3对应于十位，DS4对应于个位。
Q。
〜Q3（20〜23脚）：
BCD码数据输出瑞，DS2、DS3、DS4选通脉冲期间，输出三位完整的十进制数，在DSi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CPi、CP0端接入470KQ电阻时，时钟频率"66KIHZ，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、3位半直流数字电压表的组成（实验线路）
线路结构如图18—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Q0〜Q3上
图18—3三位半直流数字电压表线路图
的数字信号（8421码）按照时间先后顺序输出。
位选信号DSi〜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，驱动四只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300卩s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。
（2）当参考电压Vr=2V时，满重程显示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。
（3）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。
（4）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18—4。
（5）实验中使用CMOSBCD七段译码/驱动器CC4511,参考前述实验有关部分。
（6）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18—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。
三、实验设备及器件
1、土5V直流电源
3、直流数字电压表
2、双踪示波器
4、接线路图18—3要求自拟元、器件清
四、实验内容
本实验要求按图18—3组装并调试好一台3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18—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脚接至逻辑开头输出插口上。
（3）将MCI413的2脚置“I”，1、3、4脚置“0”，接通电源，拨动码盘（按“+”或“一”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10KQ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，按图18—3接好全部线路。
（2）将输入端接地，接通十5V，-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Vu-1.000V，检查“-”是否显示，并按（4）方法校准显示值。
（6）在十1.999V〜0〜－I.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，试设计扩程量电路。
衣6、若积分电容C1、C02（0.1卩F）换用普通金属化纸介电容时，观察精度的变化。
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18—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。
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19—1为电子秒表的电路原理图。
按功能分成四个单元电路进行分析。
1、基本RS触发器
图19—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Q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Q=1;门2输出Q=0,K2复位后Q、Q状态保持不变。
再按动按钮开关Ki;则Q由0变为1,门5开启，为计数器启动作好准备。
Q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19—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19—2
为各点波形图。
单稳态触发器的输人触发负脉冲信号Vi由基本RS触发器Q提供，输出负脉冲V。
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。
3、时钟发生器
图19—l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=l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的计数输人端CP2。
4、计数及译码显示
二一五一十进制加法计数器74LS90构成电子秒表的计数单元，如图19—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是异步二一五一十进制加法计数器，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。
参见74LS90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（I）、R0
（2）对计数器清零，借助S9（I）、S9
（2）将计数器置9。
其具体功能详述如下：
（1）计数脉冲从CPi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CPi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“T;S9
（1）、S9
（2）中有“0”时，实现异步清零功能，即QdQcQbQa=0000。
b）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。
图19—1电子秒表原理图
川i引回maLaLsL
CP[NCQhQdGND5Qe
）74LS90
CPiRdU曲圍NCV1]2\3|4]5[6|7|
74LS90功能表
輪入
输出
功能
清Q
®9
时钟
偽QQs
比⑴山⑵
眛1Z⑵
CP,C珂
L1
0X
X0
XX
0000
清0
0x
X0
L1
XX
1001
置9
0X
X0
0x
xQ
11
S输出
二进制计数
1J
QcQQ輸出
五进制计数
1Qn
aOcQ曲输岀
8421BCD码
十进制计数
QoI
QQg辅出
5421BCDH
十进制计数
11
不变
保持
三、实验设备及器件
1、十5V直流电源
3、直流数字电压表
5、单决脉冲源
7、逻辑电平开关
9、译码显示器
2、双踪示波器
4、数字频率计
6、数字频率计
&逻辑电平显示器
10、74LS00X2555X174LS90
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备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
测试方法参考前述基本RS触发器实验。
2、单稳态触发器的测试
（l）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D点（VD）F点（VO）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0.1卩F）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，R0
（1）、R0
（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、Qc、Qb、Qa按实验设备上译码显示输入端D、C．B．A按74LS90功能表测试其逻辑功能，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。
记录之。
（3）将计数器①、②、③级连，进行逻辑功能测试。
记录之、
5、电子秒表的整体测试
各单元电路测试正常后，按图19—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。
5、列出调试电子秒表的步骤。
拔河游戏机.
一、实验任务
给定实验设备和主要元器件，按照电路的各部分组合成一个完整的拔河游戏机。
1拔河游戏机需用15个（或9个）发光二极管排列成一行，开机后只有中间一个点亮，以此作为拔河的中心线，游戏机双方各持一个按键，迅速地、不断地按动产生脉冲。
谁接得快，亮点向谁方向移动，每接一次，亮点移动一次。
移到任一方终端二极管点亮，这一方就得胜，此时双方按键均无作用，输出保持,只有经复位后才他亮点恢复到中心线。
2、显示器显示胜者的盘数
、实验电路
1、实验电路框图如图20—1所示
图20—1拔河游戏机线路图框图
2、整机电路图
见图20—2
!
9><200£1[[
图20—2拔河游戏机整机线路图
三、实验设备及元器件
2、译码显示器
1、+5V直流电源；
3、逻辑电平开关
4、CC45144线一16线泽码/分配器
CC40193同步递增/递减二进制计数器
CC4518十进制计数器
CC4081与门
CC4011X3与非门
CC4030异或门
电阻1KX4
四、设计步骤
图20—1为拔河游戏机整机线路图。
可逆计数器CC40193原始状态输出4位二进制数0000,经译码器输出使中间的一只发光二极管点亮。
当按动A、B两个按键时，分别产生两个脉冲信号，经整形后分别加到可逆计数器上。
可逆计数器输出的代码经译码器译码后驱动发光二极管点亮并产生位移，当亮点移到任何一方终端后，由于控制电路的作用。
使这一状态被锁定，而对输入脉冲不起作用。
如按动复位键，亮点又回到中点位置，比赛又可重新开始。
将双方终端二极管的正端分别经两个与非门后接至二个十进制计数器CC4518的允许控制端EN，当任一方取胜，该方终端二极管点亮，产生一个下降沿使其对应的计数器计数。
这样，计数器的输出即显示了胜者取胜的盘数。
1、编码电路
编码器有二个输入端，四个输出端，要进行加/减计数，因此选用CC40193双时钟二进制同步加/减计数器来完成。
2、整形电路
CC40193是可逆计数器，控制加减的CP脉冲分别加至5脚和4脚，此时当电路要求进行加法计数时，减法输入端CPd必须按高电平；进行减法计数时，加法输入端CPl也必须按高电平，若直接由A、B键产生的脉冲加到5脚或4脚，那么就有很多时机在进行计数输入时另一计数输入端为低电平，使计数器不能计
数，双方按键均失去作用，拔河比赛不能正常进行。
加一整形电路，使A、B二键出来的脉冲经整形后变为一个占空比很大的脉冲，这样就减少了进行某一计数时另一计数输入为低电平的可能性。
从而使每接一次键都有可能进行有效的计数。
整形电路由与门CC4081和与非门CC4011实现。
3、译码电路
选用4—16线CC4514译码器。
译码器的输出Q。
〜Qii分接15（或9个）个发光二极管，二极管的负端接地，而正端接译码器；这样。
当输出为高电平时发光二极管点亮。
比赛准备，译码器输入为0000,Q0输出为“I”，中心处二极管首先点亮，当编码器进行加法计数时，亮点向右移，进行减法计数时，亮点向左移。
4、控制电路
为指示出谁胜谁负，需用一个控制电路。
当亮点移到任何一方的终端时，判该方获胜，此时双方的按键均宣告无效。
此电路可用异或门CC4030和非门
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