计算机电路实验讲义3.doc

实验四 二极管和三极管的检测一、实验目的1、学会用实验方法检测二极管、三极管 。2、学会使用proteus仿真软件。二、实验设备微型计算机、数字万用表、二极管、三极管。三、实验原理1、二极管的检测用数字万用表判断依据：二极管具有单向导电性。方法：将功能开关置“二极管档位”处，红表笔为高电位，黑表笔为低电位，两者压差为2. 8V，2.8V作用于二极管上，正向接法时,即使是发光二极管也足以使其导通，显示的是导通电压值，用mV 表示；反向接法时，显示“”表示溢出。具体如下：1）红表笔插入“”，黑表笔插入“”2）将待测二极管并于两表笔之间，显示的数据若为550mV左右，则表示此二极管为硅材料二极管，且红表笔接的是哪一端为二极管的正极，黑表笔接的一端为二极管的负极。调换表笔则显示“1”，说明被测二极管是好的，否则为坏。显示的数据为300mV，则表示被测的二极管为锗材料二极管。2、三极管的检测对于三极管的识辨，有很多种方法，有些器件上有标明几个脚的标号，这固然容易识别，而有些没有标号，就要利用仪器去测量。根据三极管的原理知道它是由两个相反的二极管并列而成，找准了基极就可利用上面测量二极管的方法，与基极导通的为发射极，相反的为集电极。1）基极的判别：判断依据：是二极管具有单向导电性。判断方法同二极管的判别。将功能开关置“二极管档位”处，红表笔插入“”，黑表笔插入“”。NPN：红表笔接假定的“基极”，黑表笔分别假定的“集电极”、“发射极”，两次测量结果都是显示550mV左右；调换表笔，两次测量都显示“1“，则表明红表笔接的是真正的基极，且该管为NPN型硅材料的管子，该管是好的。PNP：黑表笔接假定的“基极”，红表笔分别接假定的“集电极”、“发射极”，两次测量结果都是显示300mV左右；调换表笔，两次测量都显示“1”，则表明黑表笔接的是真正的基极，且该管为PNP型锗材料的管子，该管是好的。 2) 集电极、发射极的判别判别依据：三极管具有电流放大作用。将功能开关置“hFE”处，根据管型将其插入相应的管座，基极（b）插入b座,假定的集电极（“c”）插入c 座，假定的发射极（“e”）插入e 座，若显示的数据为值，为几十-几百 ,则表明假定的集电极（“c”）是真正的集电极，假定的发射极（“e”）是真正的发射极e；显示的值 很小,则表明此种接法不正确。 3、Proteus软件简介Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。Proteus软件的资源非常丰富，可以提供以下功能：（1）提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。（2）提供的仿真仪表资源 ：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。（3）除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。（4）提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。实验室微机中，在C:PROTEUS7.4SP3绿色版本PROTEUS7.4SP3绿色版本目录下，双击运行ISIS 7 Professional.exe，即可进入Proteus仿真。四、实验内容（一）二、三级管的检测用万用表判断所发元器件，并记录有关的数据，观察测量值是否与其标称值相符，将测量数据填入下列表格中。1、二极管测量表表1-1 二极管测量表元件名称型号正向电阻反向电阻好坏2、三极管测量表 表1-2 三极管测量表元件名称型号BEBCCE好坏正向电阻反向电阻正向电阻反向电阻正向电阻反向电阻（二）二极管伏安特性分析二极管最重要的特性是单向导电性。图1-1中， 调节可变电阻的阻值，可改变二极管D1两端的电压。当二极管外加正向电压时，它呈现的正向电阻比较小，通过的电流比较大。当外加正向电压很低时，外电场不能克服PN结的内电场，多数载流子不能顺利通过阻挡层，这时正向电流极小，当外加电压超过某电压时，正向电流随电压很快增长，此电压又称死区电压。通常，硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.1V。当外加反向电压时，反向电压加强了内电场对多数载流子的阻挡，所以二极管中几乎没有电流通过。当反向电压增大到某值以后，反向电流会突然增大，这种现象称反向击穿，这时二极管失去单向导电性。产生击穿时的电压称为反向击穿电压。1、电路原理图 图1-1 二极管伏安特性测试电路图2、元件清单 表1-3 二极管伏安特性测试电路所需元件元件名称所属类所属子类DIODE(二极管)DiodesGenericBATTERY(电池)Simulator PrimitivesSourcesRES（电阻）Modelling PrimitivesAnalog(SPICE)POT-LIN(可变电阻)ResistorsVariable3、拾取元件 图1-2 进行拾取元件操作的按钮图1-3 选取仿真电源 图1-4 选取电阻元件 图1-5 选取二极管元件图 1-6 选取可调电阻点击Terminals Mode图标，在对象选择器中选取其中GROUND，在编辑窗口单击放置“地”元件。图1-7 放置“地”4、布局电路 将元件添加到对象选择器中。 图 1-8 布局电路5、编辑元件属性鼠标左键双击其中的电阻，弹出电阻编辑对话框，将其阻值修改为100。同样，双击电源和滑动电阻器，编辑其属性将其值修改为：电源 2V、滑动电阻器100。 图1-9 编辑电阻元件的属性6、连接电路将鼠标放置到电路连接点，点击鼠标左键，拖动鼠标，即可画线。 图1-10 连接电路7、放置直流电流表、直流电压表 点选工具箱中的Virtual Instrument Mode图标，选择DC AMMETER（直流电流表），在编辑窗口需要的位置放置点击放置该表。同样，选择DC VOLTMETER，可在需要位置放置直流电压表。图1-11 选取直流电流表 图 1-12 放置直流电流表、直流电压表左键双击电流表，修改属性为毫安表。图1-13 编辑直流电流表的属性为毫安表8、运行电路，记录结果 点击运行按钮，运行电路。图1-14 运行电路调节可调电阻，使二极管两端的电压分别为下表1-4所示值，记录对应电流的值。表1-4 二极管伏安特性测试表VD（V）0.40.590.660.680.690.70.71I（mA）（三）三极管的输出特性分析三极管内部为由P型半导体和N型半导体组成的三层结构，根据分层次序分为NPN型和PNP型两大类。这种内部有两个具有单向导电性的PN结结构的特点，是三极管能够起放大作用、能够充当开关元件的内部条件。 三极管的输出特性是指当基极电流IB一定时，集电极电流IC与集-射极电压UCE之间的关系曲线。在不同的IB下，可得出不同的曲线，所以三极管的输出特性是一组曲线。通常把输出特性曲线分为三个工作区：1、放大区：三级管要工作在放大区，发射结必须处于正向偏置，集电结则应处于反向偏置，对硅管而言应使UBE0，UBC0。在放大区，IC IB ,由于在不同IB下电流放大系数近似相等，所以放大区也称为线性区。2、截止区：对NPN硅管而言，当UBE0.5V时即已开始截止，但是为了使三极管可靠截止，常使UBE0V，此时发射结和集电结均处于反向偏置。3、饱和区：UCEUBE，发射结和集电结均处于正向偏置。此时IB的变化对 IC的影响较小，放大区的放大倍数不再适用于饱和区 。1、 在proteus软件平台下，搭接图1-15电路，测试三极管的输出特性，填写表1-5，并回答思考题。图1-15 三极管输出特性测试2、选取元件元件名称或关键字所属类所属子类/元件号NPN（三极管）TransistorsGenericRES (电阻)ResistorsGeneric / RESBATTERY(电池)Simulator PrimitivesSources3、添加直流探针和直流电压表、直流电流表。 图 1-16 直流探针和直流电压表4、 调节探针的电压即Ui的电压，观察三极管各管脚的电压及IB、IC的值，注意图中电压表、电流表的参考方向。如果显示的值为负数，说明其值与参考方向相反。填写表1-5。表1-5 三极管输出特性测试Ui（V）IB（mA）IC（mA）UBEUBCUCE状 态11.21.41.620.5思考题：请计算电路图1-15中三极管的电流放大倍数。五、数据处理1、简单总结测量二极管、三极管的方法。2、小结二极管的伏安特性。实验五 集成运算放大电路一、实验目的1、掌握用集成运算放大电路组成比例、求和电路的特点及性能。2、学会上述电路的测试和分析方法。二、实验内容1、电压跟随电路图5.1 电压跟随电路（1）电压跟随电路特点：l 输入信号从同相输入端引入。l 反馈加到反相输入端，反相输入电阻R1断开或者反馈电阻RF=0。l 闭环电压放大倍数（2）元件清单表5.1 电压跟随电路元件清单元件名称所属库属性值OP07（运算放大器）LINTECRES(电阻)DEVICE10K (3)修改输入电压Ui值，执行电路，观察结果。填写下表。表5.2 电压跟随电路结果Ui（V）-2-0.50+0.51Uo(V)RL=RL=10K2.反相比例放大电路图5.2 反相比例放大电路（1） 反相比例放大电路特点l 输入信号从反相输入端输入。l 反馈电阻跨接在输出端与反相输入端之间。l 闭环电压放大倍数（2）修改输入电压Ui值，执行电路，观察结果。填写下表5.3。表5.3 反相比例放大电路结果直流输入电压Ui(V)-1.2-0.50.030.10.311.22输出电压Uo（V）+10.0（3）思考题：l 说明图5.2反相比例放大电路的反馈类型。l 说明图5.2，运算放大器饱和时最大的输出电压是多少？3.同相比例放大电路图5.3 同相比例放大电路（1）修改输入电压Ui值，执行电路，观察结果。填写下表5.4。表5.4 同相比例放大电路结果直流输入电压Ui(V)0.030.10.313输出电压Uo（V）（2）思考题：l 计算图5.3 同相比例放大电路的闭环电压放大倍数。l 说明图5.3同相比例放大电路的反馈类型。4.反相求和放大电路图5.4 反相求和放大电路（1） 电路特点：在反相输入端增加若干输入电路。（2） 修改输入电压Ui值，执行电路，观察结果。填写下表5.5表5.5 反相求和放大电路结果Ui1(V)0.3-0.3Ui2(V)0.20.2Uo(V)5.双端输入求和放大电路图5.5 双端输入求和电路（1 ）电路特点：两个输入端都有信号输入，为差分输入。（2）修改输入电压Ui值，执行电路，观察结果。填写下表5.6表56 双端输入求和电路结果Ui1(V)11.80.2Ui2(V)0.52-0.2Uo(V)三、实验报告1、搭接电路，测量并填写表26，回答思考题。2、总结本实验中5种运算电路的特点及性能。能进行理论分析与计算。实验六 组合逻辑电路设计一、实验目的掌握组合逻辑电路的设计方法、设计步骤 二、实验内容1、 设计并实现一逻辑电路供三人（A、B、C）表决使用。每人有一按钮，如果他赞同，就按下按钮，表示“1”；如果不赞同，不按按钮，表示“0”。表决结果用指示灯来表示，如果多数人赞同（2人及以上）就通过，此时灯亮；相反，少数人同意就不通过，此时灯不亮。设计步骤：（1） 列出逻辑状态表。 表6-1 三人表决器逻辑状态表ABCY00000010010001111000101111011111（2）由逻辑状态表画出卡诺图，写出逻辑表达式。 表6-2 卡诺图Y = AB+BC+AC（3）选取元件，画电路图。 表6-3 proteus软件所需元件的名称元件名称或关键字所属类所属子类/元件号AND（与门）Modelling PrimitivesAND_2OR (或门)Modelling PrimitivesOR_3RES (电阻)ResistorsGeneric / RESSWITCHSwitches &RelaysSWITCHLED(发光二极管)OptoelectronicsLED-RED图6-1 三人表决器电路图（4）按照表6-1所示逻辑状态，验证电路。思考题：如果使用2片74LS00（四二输入与非门），如何实现以上电路。画出电路、并写出状态表。提示：（1）对逻辑表达式使用摩根定理。 （2）74LS00是最常用的二输入与非门，芯片中集成了四个与非门。2、参考实验内容1的步骤，使用二输入与非门（74LS00）设计并实现4人表决电路。要求：A同意就通过；B、C、D都同意也通过。三、实验报告1、回答思考题。2、按设计顺序写出实验内容2的逻辑表达式、以及将逻辑表达式转换成所需要的形式，画逻辑电路图。实验七 时序电路测试及分析一、实验目的1、熟悉J-K触发器的构成，工作原理和功能测试方法。2、掌握常用时序电路分析，设计及测试方法。二、实验内容1、负边沿J-K触发器功能测试负边沿J-K触发器的逻辑符号如图7-1所示。图7-1 负边沿J-K触发器逻辑符号（1）74LS112芯片是双J-K负边沿触发器。按图7-2测试其功能。图7-2 74LS112功能测试图选取时钟信号和逻辑电平探针，见图7-3。放置后，必须对其属性修改。时钟的频率值为1Hz；逻辑电平探针属性选为需要的高电平（Strong High）或低电平（Strong Low）。运行电路，并将结果填入表7.1中。图7-3 逻辑电平探针和时钟信号的选取表7-1 74LS112双J-K负边沿触发器功能表 CP J K QnQn+10 1X X X X1 0X X X X1 1 0 X 01 1 1 X 01 1 X 0 11 1 X 1 1（2）若令J=K=1时，CP端加1KHz连续脉冲，用双踪示波器观察Q-CP波形。图7-4 J=K=1时，示波器观察波形图 7-5 选取示波器 2、异步二进制加法计数器异步二进制加法计数器电路图如图7-6所示。图中，每个触发器的J、K端悬空，相当于1，所以有计数的功能。R端是清零端，开关合上，输出全为0；计数脉冲只加到最低位触发器，其他各位触发器由相邻低位触发器输出的进位脉冲来触发，它们的状态变换有先后，所以称为“异步”加法计数器。图7-6 由JK触发器组成的异步二进制加法计数器（1）先将开关合上使Q0Q3输出全为0，运行电路，观察灯的亮灭，灯亮为高电平。填写表7-2。表7-2 4位二进制加法计数器的状态表计数脉冲数二进制数十进制数Q3Q2Q1Q0012345678910111213141516（2） 将时钟脉冲CP的频率改为1KHz，用示波器观察CP与Q0Q2的输出波形。思考题：试将异步二进制加法计数器改为减法计数器。参考加法计数器，要求给出电路图和状态表。提示：（1）参考加法计数器的波形可以知道减法计数器的波形如图7-8所示。从波形图看出，Q1翻转是由Q0的上升沿触发的，Q2翻转是由Q1的上升沿触发的。（2） 用相邻低位触发器的Q端提供脉冲触发高位的触发器翻转。图7-8 减法计数器波形图3、同步十进制加法计数器与二进制加法计数器比较，十进制加法计数器来第十个脉冲不是1001变为1010，而是恢复0000。如果十进制加法计数器仍由4个主从JK触发器组成，J、K端的逻辑关系应做如下修改：l 第1位触发器，每来一个CP就翻转一次，所以J0=K0=1；l 第2位触发器，在Q0=1时再来一个CP就翻转，但Q3=1时不能翻转，所以J1=Q0Q3，K1=Q0；l 第3位触发器，在Q1=Q0=1时再来一个CP就翻转，所以J2=Q1Q0，K2=Q1Q0；l 第4位触发器，在Q2=Q1=Q0=1时再来一个CP就翻转，并来第十个脉冲时应由1翻转为0，所以J3= Q2Q1Q0，K3=Q0。 同步十进制加法计数器的逻辑电路图如图7-9所示。图7-9 同步十进制加法计数器（1） 原件清单名称或关键字属性值74LS112（JK触发器）74LS08（与门）RES（电阻）220SWITCH（开关）LED-GREEN（发光二极管）CLK (时钟脉冲)1KHZGROUND（2） 请给出图7-9同步十进制加法计数器的状态表，及CP-Q0Q3的波形图。三、实验报告1、画出实验内容要求的波形及记录表2、总结时序电路特点实验八 计时抢答器电路设计一、实验目的1、学习并掌握抢答器的工作原理及其设计方法。2. 熟悉各个芯片的功能及其各个管脚的接法。3. 灵活运用学过的知识并将其加以巩固。二、实验内容1、设计要求抢答器的基本功能：（1）抢答器可同时供四名选手或四个代表队参加比赛，编号为1，2，3，4，各用一个抢答按钮，分别用四个按钮S0S3表示。（2）给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零和抢答的开始。（3）抢答器具有数据锁存和显示的功能，抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管上显示出选手的编号，同时，封锁输入电路，实现优先锁存，禁止其他选手抢答，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。简言之，有选手按下时，显示选手的编号。同时，其他人再按下时电路不做任何处理。也就是说，如果有选手按下以后，别的选手再按的话电路不会显示是他的编号。2、实现电路图8-1所示电路可以实现四人抢答。电路的主要器件是74LS175（四上升沿D触发器），它的清零端Rd和时钟脉冲CP是4个D触发器共用的。图8-1 四人抢答电路思考题1：请分析图8-1所示电路的工作原理。3、在图8-1电路的基础上，进行补充修改，实现在LED数码管上显示出选手的编号。如：“1”号选手抢答成功，在七段LED上显示“1”，并且一直保持到主持人将系统清零为止。 提示：（1）74LS148是优先（高位优先）编码器。当任意输入为低电平时，输出为相应的输入编号的8421码（BCD码）。作用是将某一开关信息转化为相应的8421BCD码，以提供七段LED显示电路所需要的编码输入。图8-2 74LS148引脚图 图8-2中，I0I7为输入信号，A2,A1,A0为三位二进制编码输出信号，EI是使能输入端，OE是使能输出端表8-1 74LS148功能表（2）74LS48是常用的七段LED数码管译码器驱动器。内部设有上拉电阻，是BCD码-7段译码器（驱动器）。图8-3 74LS48引脚图图8-3中，A0A3为译码地址输入端，BI/RBO消隐输入（低电平有效）/脉冲消隐输出（低电平有效），LT灯测试端（低电平有效），RBI脉冲消隐输入端（低电平有效）。表8-2 74LS48功能表十进数输入BI/RBO输出备注或功能LTRBID C B Aabcdefg0HH0 0 0 0H1111110a1Hx0 0 0 1H01100002Hx0 0 1 0H11011013Hx0 0 1 1H11110014Hx0 1 0 0H01100115Hx0 1 0 1H10110116Hx0 1 1 0H00111117Hx0 1 1 1H11100008Hx1 0 0 0H11111119Hx1 0 0 1H111001110Hx1 0 1 0H000110111Hx1 0 1 1H001100112Hx1 1 0 0H010001113Hx1 1 0 1H100101114Hx1 1 1 0H000111115Hx1 1 1 1H0000000BIxxx x x xL0000000BRBIHL0 0 0 0L0000000CLTLxx x x xH1111111D说明：由7448真值表可获知7448所具有的逻辑功能：a、 7段译码功能（LT=1，RBI=1） 在灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI）都接无效电平时，输入DCBA经7448译码，输出高电平有效的7段字符显示器的驱动信号，显示相应字符。除DCBA = 0000外，RBI也可以接低电平，见表1中116行。 b、 消隐功能（BI=0） 此时BI/RBO端作为输入端，该端输入低