数字电子技术综合实训指导书.docx

1、数字电子技术综合实训指导书数字电子技术综合实训指导书实 训 指 导 书第一节 课程设计的目的及要求- 3第二节 数字电子电路的设计方法 -4第三节 数字电路的安装、调试方法-9第四节 数字电路设计内容及原理简介-14第五节 设计说明书的要求-19第一节综合实训的目的及要求一、目的要紧目的，是提高学生在数字集成电路应用方面的实践技能，培养学生综合运用理论知识解决实际问题的能力，树立严谨的科学作风，。学生通过电路设计、安装、调试、整理资料等环节，初步把握工程设计思想与方法，训练组织电路开发工作的差不多技能，学会编写设计文件，逐步了解开展科学实践的程序。二、差不多要求通过课程设计各环节的实践，同学们

2、应达到如下要求：1把握数字电路分析和设计的差不多方法；2把握数字电路的安装、调试以及故障分析的专业技能；3具备查阅资料，应用资料分析和解决问题的能力。三、课程设计的任务：1完成一规定电路的安装与调试 2完成一任选电路的设计、安装和调试四、课程设计完成的内容：1数字电路设计书2符合设计功能的电路第二节 数字电子电路的设计方法数字电路系统一样由输入电路、操纵电路、输出电路、时钟电路、脉冲产生电路和电源等部分组成。输入电路要紧作用是将被信号加工变换成数字信号、其形式包括各输入接口电路。比如用正弦波振荡器产生信号，要通过放大器对柔弱信号进行放大与整形后，才能得到数字信号，有些模拟信号要通过模数转换电路

3、转换成数字信号后再进行处理。在设计输入电路时，必须第一了解输入信号的性质及接口条件，以满足设计要求。操纵电路的功能是将信息进行加工处理，并为系统 各部分提供所需的各种操纵。如数电书中所举的彩灯显示操纵器，其定时器为一操纵电路，正是在它的作用下，计数脉冲才按一定的顿时刻周期，一组一组地送给地址计数顺，形成时刻操纵。在数字频率计中，从JK触发器两个反相输出端输出的信号 也是操纵信号，它即了被测信号送至计数器的时刻，同时又操纵眲锁存器在计数完毕后对数据进行锁存。在具有整电报时功能的时钟电路中，报时操纵电路实现了计数到51、53、55、57、59秒时的五声和整点时的一声报时功能。产生这种信号输出的电路

4、即为操纵电路。数字电路系统中，各种逻辑运算、判别电路等差不多上电路，它们是整个系统的核心。设计操纵电路是数系统设计的最重要的内容，必须充分注意不同信号之间的逻辑关系与时序关系。输出电路是系统最后逻辑功能的重要部分。数字电路系统中存在各种各样的输出接口电路，其功能可能是发送一组经系统处理后的数据，或显示一组数字，或将数字信号进行转换，变成模拟信号等。比如数字频率计的显示译码与数码管电路，彩灯操纵器的并行移位寄存器级驱动电路等，都属于系统的输出电路。设计输出电路时，必须注意电路与负载在电平、信号极性、拖动能力等方面要相配的问题。 时钟电路是数字电路各级组织训的灵魂，它属于一种操纵 电路，整个系统都

5、在它的操纵下按一定的规律工作。时钟电路包括主时钟振荡电路及经分频后形成各种时钟脉冲的电路。设计时钟电路时，应依照系统的要求第一确定主时钟的频率，再由它与其他操纵信号结合产生系统所需要的各种时钟脉冲。电源为整个系统工作提供所需的能源，为各端口提供 所 直流电平。在数字电路系统中，TTL电路对电源电压 要求比较严格，电压值必须是在一定范畴内。COMS电路对电源电压的要求相对比较宽松。设计电源时，必须注意电源的负载能力，电压和稳固度及纹波系数等。因为任何复杂的数字电路系统都由不同层次、相对独立、具有特定功能的子系统(单元电路)组成，为此在设计时，先将系统分解成假设干个单元电路。然后中，对单元电路的功

6、能及性能，以及单元电路之间的逻辑关系、时序关系进行分析，选用合适的单元数字电路来实现各子系统。最后，将各子系统组合起来，便完成了整个完整系统的设计。按照这种由大到小，由整体到局部，再由小到大，由局部到整体的设计方法便可实现数字电路的系统设计。下面我们提出设计数字电路的一样方法与步骤。一、总体方案设计在进行数字电路设计时，第一要对设计任务进行认确实分析，明确任务，了解设计电路的性能指标。依照给定的技术指标、条件，以及功能要求，设计出组成电路的假设干单元功能模块，那个过程称总体方案设计。那个地点的单元功能模块是指能实现特定功能的最小单元电路(或称为子系统)。在总体方案设计过程中，还要确定各单元电路

7、之间的逻辑关系和时序关系，分析单元电路之间信号的流向。用原理方框图表示出总体设计的结果。因为设计途径不是唯独的，满足要求的方案也不是唯独的，因此为得到一个中意的设计方案往往要针对要求，进行大量的市场调研、查阅资料、手册等工作，通过设计验证再设计多次反复过程，才能确定出最好的设计方案。图1 数字时钟的结构方框图总体设计方案用系统方框图表示时，要紧部分和难点可画详细一些，一样部分只需要反映设计思想、差不多原理以及信号的流向就能够了。系统方框图应力求简洁、清晰。具有整电报时、校正功能的数字时钟的结构方框图如图1所示。二、单元电路的设计单元电路的设计是整个电路设计的实质部分。将每一部分按照总体框图的要

8、求设计好，才能保证整体电路的质量。单元电路的设计步骤分为以下三步。第一步：依照总体方案对单元电路的要求，明确单元电路的功能、性能指标。注意各单元电路之间的输入输出信号的逻辑关系和时序关系，尽量幸免使用电平转换电路。第二步：选择设计单元电路的结构形式。通常选择学过的熟悉的电路，或者通过查阅资料选择更合适的、更先进的电路，在此基础上高度改进，使电路的结构形式最正确。在选择电路时充分考虑经下几个问题：1电路的功能满足要求。2电路的结构简单、成本低3电路的性能稳固、通用性强。第三步：运算单元电路的要紧参数，从而确定元器件的类型。比如：振荡电路，不管正弦波振荡电路还时多谐振荡电路差不多上通过电容的充放电

9、实现振荡的，为此要依照特定的信号频率，运算出电路中电阻、电容的大小。第四步：画出单元电路电路图。三、元器件的选择：1数字电路设计时器件的选择原那么 数字电路设计时器件的选择是专门重要的，因为器件的选择是否合理直截了当阻碍着电路的稳固性，以及成本和成品体积大小等问题。选择器件的原那么是：在实现题目要求的前提下所选的器件最小，成本最低。最好采纳同一种类型的集成电路，如此不用考虑不同类型器件之间的连接匹配问题。不同种类的器件其电特性也不一样，常用的器件是TTL和CMOS型。TTL电路的速度高，超高速TTL电路的平均传输时刻约为10ns，中速TTL电路的传输时刻也有50ns。CMOS电路的速度慢于TT

10、L电路，然而CMOS电路的功耗低，输出电压幅度可调范畴大，抗干扰能力强。假如要求一定的输出电流，TTL电路要强于CMOS电路。一样情形下，当要求高速时，多项选择用TTL器件；当要求低功耗时多项选择用CMOS器件。2标准数字IC的分类及特点数字集成电路分为两大类，第一类是双极性型TTL，一条是沿着7474LS74ALS系列向低功耗高速进展，另一条是沿着74H74S74AS向高速度进展。第二类属于单极型CMOS，沿4000A4000B/4500B74HC系列向高速度进展，同时又保持了低功耗的优点。1、TTL型 这类集成电路是以双极型晶体管为元件，输入级采纳多发射极晶体管形式，开关放大电路也由晶体管

11、构成。在速度和功耗方面，都处于现代数字集成电路的中等水平。一样以74民用或54军用为型号前缀。74LS系列：是现代TTL类型中的要紧应用产品，也是逻辑IC重点产品之一，它的品种丰富，价格低廉，是主流产品。74S系列：特点是速度快，但功耗比74LS系列大得多，品种比74LS系列少。74ALS系列：特点是速度快，功耗比74LS系列低，品种比74LS系列少，价格较高。2CMOS类型这类集成电路是以场效应三极管为元件构成的。其特点如下： 静态功耗专门低，一样中规模集成电路的静态功耗小于100W； 电源电压范畴宽，一样工作电压在3V18V之间； 输入阻抗专门高，可达100M以上； 扇出能力强，低频工作时

12、，可驱动50以上相同器件输入端； 抗干扰容限大，电压噪声容限可达电源电压的45%； 大部分CMOS集成电路的速度比较低。3使用TTL、CMOS集成电路的本卷须知1使用TTL电路的本卷须知TTL集成电路的标准电源电压为5V，使用时电源电压不能超过于4.255.25V。不能将电源与地颠倒错接，否那么将会因为电流过大导致器件过热而损坏。电路的各输入端不能直截了当接到高于5.5V或低于4.5V的低内阻电源相连，因为低内阻电源能提供较大的电流，从而导致器件过热而损坏。除三态门和集电极开路的电路外，输出端不准许并联使用。输出端不准许与电流源和地短接，但能够通过上拉电阻与电源相连，以提高输出电平。在电源接通

13、时，不要移动或插入集成电路，电流的冲击可能造成芯片的损坏。余外的输入端最好不要悬空，容易受干扰。有时会造成误操作，因此余外的输入端要依照需要处理。例如与门、与非门的余外输入端可接到正电源，也能够交余外端和使用端并联使用。不用的或门、或非门的输入端能够直截了当接地或与使用端并联使用。触发器不使用的输入端也不能悬空，应依照逻辑功能接入电平，输入端连线应尽量短，如此能够缩短时序电路中时钟信号沿传输线传输的延迟时刻。一样不准许触发器的输出端直截了当驱动指示灯、电感负载和长线传输，需要时加缓冲器。2使用CMOS集成电路时的本卷须知 CMOS电路由于输入电阻专门高，因此极易同意静电电荷。为了防止静电击穿，

14、生产时输入端都加了标准爱护电路。但这并不能保证绝对安全，因此使用时必须注意： 存放CMOS集成电路时要屏蔽。 CMOS电路的电源电压范畴是318V，使用时电源电压的不能超过极限值。 捍接电路时，一样用20W内热式电烙铁，而且电烙铁应该有良好的接地线。禁止在电路通电时焊接。 为了防止输入端爱护二极管因正向偏置而引起损坏，输入电压必须在UDDUSS与之间. 在调试电路时，应先接通电源，后加入输入信号，即在CMOS电路本身没有接能电源的情形下，不准许有信号输入。 余外输入端绝对不能悬空，否那么不但容易同意外界噪声干扰，而且破坏了正常的逻辑关系，也消耗了功率。因此余外的输入端要依照需要处理。例如，与门

15、和与非门的余外输入端应接到高电平或正电源，假如电路的工作速度不高，不需要专门考虑功率时，也能够将余外的输入端和使用端并联使用。 CMOS电路的输出端与电源和地不能短路，否那么会造成损坏。 CMOS电路的工作电流比较小，其输出端一样只能驱动一级晶体管，假如需要驱动比较重的负载时，最简单的方法是在输出端并联接入几个反相器，所用有反相器必须在同一芯片上。 插拨电路板电源插头时，应注意先切断电源，防止在插拨过程中烧毁CMOS电路的输入端爱护二极管。四、画总电路图单元电路和参数设计运算好，元器件选择完毕后，那么画出总体电路图。总体电路图是电路实验、调试及生产组装的重要依据，因此电路图画好之后要进行审图，

16、检查设计过程遗漏的问题，及时发觉错误，进行修改，保证电路的正确性绘电路图要注意以下几个问题：1画电路图时应注意信号的流向，通常是从信号源或输入端画起，从左至右从上至下按信号的流向依次画出各单元电路。电路图的大小位置要适中，不要把电路画成窄长型。2连线要画成水平线或竖直线。连线要尽量短、少拐弯，电源一样用标值的方法，地线可用地线符号代替。三、四端互相连接的交叉处用线应该用圆点画出，否那么表示跨过。3关于复杂的电路，应先画出草画，待调整好布局和连线后，再画出正式电路图。第三节 数字电路的安装、调试方法由于生产实际的复杂性和电子元器件参数的离散性，加上设计者体会不足，一个仅从理论上设计出来的电路往往

17、是不成熟的，可能存在许多问题，而这些问题不通过实验是不容易查出来的，因此，在完成方案设计之后，需要进行电路的装配和调试，假设发觉实验现象与设计要求不符合的情形，应及时修改。在装配电路的时候，一定要认真认真、一丝不苟，注意集成块不要插反或插错，连线不要错接并保证接触良好，电源和地线不要短路，以幸免人为故障。一、数字电路的安装、调试步骤1依照总电路框图和电路原理框图，从主电路的单元电路开始，完成一个一个单元电路的安装、调试。然后，安装与调试操纵电路的童电路，当各单元分别达到功能与指标要求之后，再将各单元电路联系起来，进行系统的调试。在单元电路的安装之前，第一检查元器件的好坏，测试元件的指标。专门是

18、集成电路，要自己设计功能检测方法，对其好坏进行检测。单元电路安装好后，认真进行通电前的检查，检查否有漏接、短接、错接的情形。通电后，检查每片集成电路的工作电压是否正常TTL型集成电路的电源电压为50.25V，这是电路有效工作的差不多保证，然后，进行功能测试，验证是否能达到设计的功能与指标。2统调主电路。将已调试好的假设干单元电路连接起来，然后跟踪信号流向，由输入到输出，由简单到复杂，依次测试信号，直至正常工作。在信号测试过程中，因为操纵电路尚未安装，有时需要人为的给受控电路加以特定信号，使其正常工作，才能得到所需的信号。3安装操纵电路。操纵电路一样为组合逻辑电路，对它的装调要紧是检验各逻辑操纵

19、门的功能是否正常，可采纳给其输入端接逻辑电平，输出端接LED管的方法进行调试。总电路统调。在主电路与操纵电路均完成的情形下，将操纵电路与系统主电路中对应功能单元联接起来，完成总电路的安装，然后进行总电路的功能测试及调试。二、数字电路中常用的检测方法数字电路的安装与调试是检验、修正设计方案的实践过程，是应用理论知识来解决实践中各类问题的关键环节，是数电路设计者必须把握的差不多技能，而有效的测试方法那么是电路正确运行的差不多保证。数字电路常要检测的内容有：集成块好坏的检测和系统功能的检测。1数字集成块的功能测试在安装电路之前，对所选用的数字集成电路，应进行逻辑功能检测，以幸免因器件功能不正常增加调

20、试的困难。(1) 检测器件功能的方法有如下几种： 仪器检测法。能够用一些简单而有用的数字集成电路测试仪进行检测； 功能实验检查法。可自行设计实验电路，对集成块进行逻辑功能测试； 替代法。可用被测器件替代正常工作的数字电路中的相同器件，假设功能保持不变，那么说明被测器件是好的。(2) 几种差不多电路的功能实验检查法 集成逻辑门电路静态时，在各输入分别接入不同的电平值，即逻辑1接高电平输入端通过1k电阻接电源正极，逻辑0接低电平输入端接地。用数字万用表测量各输出端的逻辑电平，并分析各逻辑电平值勤是否符合电路的逻辑关系。动态测试是指各输入端分别接入规定的脉冲信号，用示波器观测各输出端的信号，并画出这

21、些信号的时序波形图，分析它们之间是否符合电路的逻辑关系。 集成触发器静态时，要紧测试触发器分析的、置位和翻转功能。动态时央时种的作用下测试触发器的计数功能，用示波器观测电路各处波形的变化情形，据此能够测定输出、输入信号之间的分频关系、输出脉冲的上升和下降时刻、触发灵敏度和抗干扰能力，以及接入不同负载时峄输出波形参数的阻碍。测试时，触发脉冲的宽度一样要大于数微秒，且脉冲的上升沿或下降沿要陡。 计数器电路计数器电路的静态测试要紧测试电路的复位、置位功能。动态测试是指在给定时钟脉冲输入情形下一，测试计数器的输出端的状态是否满足计数功能表的要求。测试方法：可用示波器观测各输出端的波形(频率较高时用此方

22、法)，或用发光二极管测试输出端的信号(频率低于50HZ时用此方法)，还可依照万用表测试输出点(频率低于50HZ时用此方法)，通过指针偏摆的频率来测试，并画出输出端的波形与时钟脉冲波形的关系。 译码显示电路第一测试数码管各笔段工作是否正常，如共阴极的发光二极管显示器，能够将阴极接地，再将各笔段通过1k电阻接电源正极，各笔段应亮。再将译码器的数据输入端依次输入0001001，那么显示器对应显示出19数字。译码显示电路常见故障是：数码显示器上某字总是亮而不灭，可能是译码器的输出幅度不正常或译码器的工作不正常。数码显示器上某字总是不亮，可能是数码管或译码器的连接不正确或接触不良。数码管字符显示模糊，而

23、且不随输入信号变化，可能是译码的电源电压不正常或连线不正确或接触不良。2系统功能的检测(1) 观看法、观看电路导线有无断线或短路、插件有无松动、集成块有无插反、电源电压是否稳固、元件有无异味和发热。(2) 信号住入代替法可在某些部分电路中利用信号设备的信号但是单步脉冲或者是连续脉冲取代自身信号输入，假设电路能正常工作说明电路的信号源的故障，假设无法正常工作，那么说明此电路有故障。如此能够缩小故障范畴。(3) 信号寻迹法检测时，可随着信号流经的路线进行跟踪检查，用示波器或发光二极显示各信号的情形。检查的依据：关于组合逻辑电路，以真值表为依据；关于时序逻辑电路，那么以状态转换图为依据，关于综合逻辑

24、电路，可通过设计前所分析的各信号的波形图来进行验证，观测信号是否正常，从而分析故障的缘故。三、数字电路常见的故障和故障缘故数字电路通常由多个子系统和模块组成，连线专门复杂。因此，在实际运行过程中显现故障也不可幸免的。这不但要求检查者有较好的电子电路理论基础，对故障有较强的分析能力，而且还要求把握检测故障的方法，迅速找出故障，只有通过不断的实践，才能做到这一点。1常见的故障1系统故障数字系统的故障是指一个或多个电子元器件的损坏、接触不良、导线断裂与短路、虚焊等缘故造成功能错误的现象。 关于组合逻辑电路，如不能按真值表的要求工作，就可认为电路有故障；关于时序逻辑电路，如不能按状态转换真值表工作时，

25、就可认为电路有故障。2逻辑故障 固定电平故障 指某一点的逻辑电平为一固定电平值的故障。如接地故障，这进故障点的逻辑电平固定在0上。又如电路的某一点和电源短路，这时故障点的电平固定在1上。这一类故障在没有排除往常，故障点的逻辑电平可不能复原到正常值。 桥接故障 桥接故障是由两根或多根信号线相互短路造成的。要紧有两种类型：一是输入信号线之间桥接造成的，如异或门两条输入信号线的桥接会造成失支异或功能；二是反馈桥接线造成的故障，如输入线与输出 线间的桥接、两个独立电路的输入线间桥接或两个独立电路的输出线间桥接等。2故障的缘故1设计时忽视电子元器件的参数和工作条件。如电源电压的过高或过低，轻那么造成功能

26、错误，严峻的那么造成电子元器件的损坏；不同类型集成电路之间的电平配合；电路动作边沿选择错误等都会造成故障。此外，大功率器件、电解电容、集成电路质量一好也都会造成故障，为此，在使用前应对所用元件进行选择和检察。2安装布线不当。在安装中显现断线、桥接相近导线连在一起造成的短路、漏线、插错电子元器件专门是集成电路的方向错误、闲置输入端处理不当等都会引起故障。对闲置输入端的处理：CMOS集成电路闲置输入端不承诺悬空，必须接地可接电源；闲置输入端要依照门电路的类型确定其接高电平依旧接低电平，如，关于与门和与非门，闲置输入端就接高电平，关于或门、或非门和与或非门，闲置输入端应接低电平。 3接触不良。如接插

27、件的松动、焊接不良如虚焊、接点氧化等。这类故障表现为时有时无，带有一定的偶发性。4工作环境恶劣。有些数字系统有规定的使用条件和环境要求，如温度、湿度、工作时刻等。此外使用环境的电磁干扰超过承诺范畴，将数字信号传输线和强干扰源线捆扎线在一起而又没有采取任何防范措施，都会造成故障。5超期使用。电子元器件假设超过其使用期限，会进入衰老期，技术性能会下降。第四章 数字电路设计内容及原理简介设计题目一 整点报时数字时钟设计要求：1数码显示时分秒；2以24 小时为周期；3具有整点报时功能，从59分50秒开始报时，间隔1秒钟报时一次，报时时刻连续1秒钟，共报时6次4前5次报时声音用500Hz的低频信号，最后

28、一次的声音用1KHz的高频信号。一、数字时钟的功能与工作原理信号源产生稳固的高频脉冲信号，作为数字种的时刻基准，然后经分频器分频后输出标准的1HZ的秒脉冲信号。秒计数器对秒脉冲信号进行计数，计满60后向分计数器进位，分计数器计数，当分计数器计满60后向小时计数器进位，小时计数器计数，当小时计数器计満24时，秒、分计数器清零，小时计数器置1，如此完成一个计数周期。计数器输出的二-十进制数通过译码器翻译成为段码，送显示器(LED)管显示。计时到整点时，通过报时操纵电路进行整点报时。当接通电源或数钟走时显现误差时，可通过手动进行分、秒时刻的校正。二、设计指导1主体电路1秒脉冲信号源 秒脉冲是数字钟的

29、核心。所学过的振荡电路有RC、LC正弦波振荡电路、555构成的多谐振荡电路、石英晶体振荡电路。由于时钟的时钟脉冲要求稳固度及频率的精度专门准确，因此通常选用晶振来构成秒脉冲源。电路可利用CD4060加上外围的石英晶体组成振荡电路。振荡电路一部分是由外接电子表石英晶体、电阻、电容与CD4060内部的非门构成的振荡源，另外一部分是一定级数的分频器。振荡器输出的脉冲信号经一定级数分频后，形成1S的基准脉冲。同时要求，此振荡器还能产生的仿电台报时用的1KHz的高频信号和500Hz的低频信号。2时、分、秒计数器秒信号经秒计数器、分计数器、时计数器之后，分别得到秒个位、十位、分个位、十位以及时个位、十位的

30、计时输出信号，然后送至译码显示电路，以便实现时、分、秒的数字显示。秒和分计数器应为六十进制，而时计数器应为二十四进制。要实现这一要求，可选用的中规模集成计数器，如74LS90、74LS161、74LS160、74LS192、CD4518由同学们自行选择，并充分说明理由。六十进制计数器能够由两块十进制计数器或双十进制计数器构成，一块组成十进制，另一块组成六进制，组合起来就构成六十进制计数器。二十四进制计数器用置数反馈法实现。从计数结果：00、01、02、03、-09、10、11、12、-19、20、21、22、23可看出，时计数器的个位仍应构成十进制计数器，但当十位计到2，个位为4(或者5)时，

31、即计到第二十四(或二十五)时，通过外加的置数反馈操纵电路输出一个信号注意：该信号的电平应视计数器的功能而定，有时需高电平，有时需低电平，将时计数器的十位计数器强制置为0000状态，同时，将时的个位计数器强制置为0001状态，从而实现从2401的二十四进制计数。注：是计到二十四依旧二十五产生反馈信号要依照计数器的置数是同部置数依旧异步计数来决定，同学们自己摸索结果。3译码显示电路译码器将计数器输出的二十进制码译成段码，送显示器显示。选择译码器与显示器件时应当注意它们之间的相互配合。一是驱动功率要足够大，二是逻辑电平要匹配。例如，采纳共阴型的LED数码管作为显示器件时，那么应采纳高电平有效的共阴型译码电路，且因数码管工作电流较大，不能用一般TTL译码器，应选