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1 1 数字电子技术实验课程教案 方文郁授课班级 08电气工程及其自动化1 2授课时间 2010年3月授课地点 数字电路实验室 1 2 实验一集成门电路逻辑功能测试及其实现逻辑函数一 实验目的1 熟悉数字电路实验箱的基本功能和使用方法 2 熟悉各种门电路的逻辑符号 熟悉集成电路的引脚排列规律及使用方法 3 掌握用与非门实现逻辑函数的方法 1 3 二 实验仪器与器材 1 TH SZ A型数字电路实验箱2 万用表3 集成电路74LS00两输入四与非门74LS20双4输入与非门 1 4 三实验注意有关事项 1 阅读实验说明书的有关说明 如三 实验原理 3 五 注意事项 2 不要把食品带入实验室 3 画实验电路图要注意三要素 集成电路型号 使用的引脚 输入 输出变量 1 5 四 设计好实验内容有关实验电路图及其记录表格1 74LS00两输入四与非门逻辑功能测试 地 1 6 74LS00与非门逻辑功能测试表 1 7 2 用与非门实现函数Y AB AC AB AC 的实验电路图 A C 1 2 4 5 3 6 13 12 11 B 74LS00 74LS00 74LS00 1 8 函数Y AB AC逻辑功能测试表 1 9 3 用与非门实现函数Y A A BC A B C D BC A BC A BC 的实验电路图 A B C 1 2 4 5 3 6 13 12 11 74LS00 74LS00 74LS00 1 10 函数Y A A BC A B C D BC逻辑功能测试表 1 11 五 实验步骤 1 设计好实验中要使用的实验电路图 并设计绘制好相应的表格 表格中要填入理论的数据 2 把数字电路实验箱上的电源开关断开 3 在数字电路实验箱中相应管脚数的集成电路插座轻轻地插上74LS00与非门集成电路芯片 4 把14脚接上电源 7脚接上地 5 按实验电路图连接其他管脚引线 输入变量接逻辑电平输出插孔 输出变量接逻辑电平指示插孔 然后 检查一遍 确认没有错误 1 12 实验步骤 6 把逻辑电平输出开关全部朝下 逻辑电平全为0 7 打开电源开关 8 开始进行实验 并记录相应的数据 若实验数据与理论数据不同 要分析 是实验错误 还是理论数据错误 决定是否重做 9 实验结束 整理使用的设备 电子元器件 交相关人员检查好后 告诉实验指导老师 才能离开实验室 1 13 1 14 学生实验报告首页有关内容的填写说明 课程名称 数字电子技术实验实验室名称 数字电路实验室实验项目名称 按 数字电子技术实验 课程教学进度明细表填写出 如 实验一集成门电路逻辑功能测试与实现逻辑函数 实验二TTL门电路逻辑参数测试实验三组合逻辑电路设计 一 实验报告要求装訂 1 15 郑重声明 画实验电路图要注意三要素 1 集成电路型号 2 使用的引脚 3 输入 输出变量 1 16 通告 实验一实验报告留下准备存档的同学 一班 黎强 4 95林华星 11 95杨丽蓉 18 95梁梓未 49 90二班 田博雅 1 98黄巧莉 18 99康玉琦 42 98陈新建 50 98 1 17 1 18 实验二TTL集成门电路逻辑参数测试 注意事项 本次实验是TTL集成门电路逻辑参数的测试 由于集成门电路的逻辑参数与集成门电路的类型密切相关 所以 在实验过程中要注意选择TTL集成门电路74LS20 拒绝使用的74HC 型号的器件了 如 2 74LS20主要参数的测试 这时 就不能使用74HC 型号的器件了 画实验电路图要注意三要素 集成电路型号 使用的引脚 输入 输出变量实验内容 给出每一题实验电路图及其表格 1 19 1 验证TTL集成与非门74LS20的逻辑功能 一 实验电路图 A B C D 1 2 4 5 6 Y1 74LS20 1 20 二 真值表 1 21 2 74LS20主要参数的测试1 Iil低电平输入电流的测试的实验电路 Vcc mA 1 6 14 7 74LS20 1 22 2 IiH高电平输入电流的测试的实验电路 1 A Vcc 6 14 7 74LS20 1 23 1 24 3 测试74LS20的电压传输特性和4 测试74LS20的输入负载特性的实验电路图 1 1 14 7 6 6 Vo Vi 2 4 5 14 7 74LS20 74LS20 1 25 1 26 输入负载特性测试表格 1 27 1 28 通告 实验二实验报告留下准备存档的同学 一班 黎强 4 95林华星 11 95杨丽蓉 18 95梁梓未 49 90二班 张训斌 6 96余慧楷 20 98王芳文 21 98张文静 49 95 1 29 1 30 1 31 关于实验一实验报告的讲评 学生实验报告首页有关内容的填写说明课程名称 数字电子技术实验实验室名称 数字电路实验室实验项目名称 按 数字电子技术实验 课程教学进度明细表填写出 如 实验一集成门电路逻辑功能测试与实现逻辑函数 实验二TTL门电路逻辑参数测试实验三组合逻辑电路设计 一 实验报告要求装訂 1 32 重点提示 画实验电路图要注意三要素 集成电路型号 使用的引脚 输入 输出变量本次实验课 既是讲实验相关的内容 也可以看着一次习题课 因此希望同学格外重视 本次实验和下次实验都是组合逻辑电路设计 其设计步骤 1 33 4 2 2组合逻辑电路的设计方法 重点 步骤 1 34 实验三组合逻辑电路设计 一 1 某工厂三个车间 A B C和一个自备电站 站内有两台发电机M N N的发电能力是M的二倍 如果一个车间开工 启动M就可以满足要求 如果二个车间开工 启动N就可以满足要求 如果三个车间开工 启动M N才能满足要求 请用74LS86和74LS00设计一个控制电路 由A B C车间的开工情况来控制M N的启动 1 35 根据题意可以确定 3个输入变量 A B C2个输出变量 M N 1 36 真值表 1 37 M A B C A BC AB C ABC A B C A B C A B CN A BC AB C ABC ABC A B C AB A B C AB 或者写成 N AB AC BC AB AC BC 从使用器件的种类来看 前者好些 后者要用增加4输入与非门74LS20 1 38 实验电路图 A B C 1 2 5 4 1 2 3 4 4 4 5 6 3 13 12 6 11 M N 74LS00 74LS00 74LS86 74LS86 1 39 2 设计一个A B C的三人表决电路 其中A是主裁判 B C是副裁判 A具有否决权 设计要求 用最少数量的2输入与非门实现 装好电路 验证其逻辑功能 1 40 真值表 1 41 Y AB C ABC ABC AB C ABC ABC ABC AB AC AB AC 该逻辑函数既可以用74LS00来实现 也可以用74LS03OC门来实现 但是后者需要选择上拉电阻 比较麻烦 因此 这里选用74LS00来实现 1 42 2 实验电路图 A B C 1 2 3 6 4 5 12 13 11 Y 74LS00 74LS00 74LS00 1 43 附加题 有时间就做 设A B C D代表四位二进制数码 函数X 8A 4B 2C D 用74LS20和74LS00设计一个组合逻辑电路 使函数当输入数4 X 15时 输出Y 1 否则Y 0 1 44 1 45 AB CD 00 01 11 10 00 01 11 10 A BD BC Y A BC BD A BC BD 1 46 3 附加题实验电路图 A B C D 1 2 4 5 9 10 3 6 8 1 2 3 4 6 Y 74LS00 74LS00 74LS20 74LS00 1 47 1 48 1 49 实验二实验报告存档的同学 一班 邵守细 10 95苏志根 23 95董骥 39 95梁梓未 49 95二班 张训斌 6 96余慧楷 20 98王芳文 21 98张文静 49 95 1 50 实验二实验报告的讲评 一 注意事项 1 本次实验是TTL集成门电路逻辑参数的测试 由于集成门电路的逻辑参数与集成门电路的类型密切相关 所以 在实验过程中要注意选择TTL集成门电路 如74LS20 不要使用的74HC 型号的器件了 因为CMOS管很多参数很小 有些参数测试不出来 本次实验项目名称 TTL门电路逻辑参数的测试 要求使用的器件是TTL门电路 如 2 74LS20主要参数的测试 这时 就不能使用74HC 型号的器件了 否则 很多参数测试不出来 这是因为CMOS管的很多参数很小 如 高电平输入电流最大值IIH max 和低电平输入电流最大值IIL max 都是微安数量级 它的输入负载特性就很难测试出来 请同学注意实验项目名称 1 51 2 画实验电路图要注意三要素 集成电路型号 使用的引脚 输入 输出变量 还有使用元器件的数据 仪器仪表的量程等 这是工程师必须具备的基本素质 3 实验项目名称 按 数字电子技术实验 课程教学进度明细表填写出 如 实验一集成门电路逻辑功能测试与实现逻辑函数 实验二TTL门电路逻辑参数测试实验三组合逻辑电路设计 一 1 52 二 关于使用仪器材料 我们真正使用的是TH SZ A型数字电路实验箱 它已经包含 5V直流电源 逻辑电平开关 逻辑电平显示器 1K 10K 100K欧姆 电位器等 所以 只要写出TH SZ A型数字电路实验箱 就可以了 否则 就会给人一个感觉 这份报告写的不够精炼 1 53 三 关于实验的实验电路图 实验电路图与逻辑电路图不同 实验电路图应该是逻辑电路图和连线图的混合 既便于连接线 又反映电路原理 并在图上标出器件型号 使用的引脚号及元件数值 必要时还须用文字说明 在实验报告中 常常发现下列问题 1 在实验电路图上没有标出器件型号 使用的引脚号 使阅读该报告的人 不知道你测试的是什么地方的参数 2 在实验电路图上标出的变量应该与相应的表格上的变量要一致 1 54 实验电路图要注意几个要素 这就是所谓画实验电路图要注意几个要素 1 集成电路型号 2 使用的引脚 3 输入 输出变量 4 其他元器件的数值 1 55 三 关于实验的实验数据 实验数据的获得是实验的重点 实验数据的获取和记录 要注意下列几个问题 1 实验数据的获取和记录 要如实记录实验中获取的数据 2 第二步 也是很重要一步 实验中获取的数据要分析 实验中获取的数据与预习准备的数据是否差别很大 有没有问题 有问题必须重新做 如 1 56 三 关于实验的实验数据 如08电气工程1班 有相当多的同学 在测试电压传输特性时的数据如下表 1 57 三 关于实验的实验数据 请注意红色的这些数据 红色的这些数据一定有错误 因为 在这里的数据应该是低电平 低电平VOL 0 4V 实验得到这样的数据 与理论数据相比 说明实验数据有错误 必须重新检查实验电路图有没有错误 使用的电压表有没有问题等 一定要找原因 不要随便放过去 1 58 三 关于实验的实验数据 为什么会出现这样的问题 原因 1 对实验的内容预习不够 2 对实验的态度 不够认真 认为有数据就好了 不去分析对不对 对数据的重要性没有引起足够的重视 还有 在数据表格中填上 这是什么实验数据 在实验数据的表格中是不允许出现的 因为实验数据是很宝贵的 要用这些数据来证明一些问题的 不能轻易地省略去 省略了它 就是对的辛苦获得的劳动成果丢去了 很可惜 如果没有数据 就不要这样做 1 59 重要说明 实验二实验报告 08电气工程1班 有很多同学上交的实验报告都是用同一电子版的 相当多的同学一模一样 有错的地方 大家都错 这样的实验报告是不允许的 视为互相抄袭 要求今后不要这样 有些同学对老师批改的作业和实验 觉得需要老师进一步说明的 请利用实验的时间或者上课前的时间 进行及时的交换意见 1 60 有些同学会说 实验报告上的错误 我是抄书上的 难道书上也有错误吗 我的态度是凡是不够严谨的地方 我们自己要持有取舍接受的态度 1 61 实验四实验内容的参考答案 1 用74LS151产生逻辑函数Y A B C AC A BC 写出设计步骤 画出逻辑电路图并通过实验验证 解 1 根据74LS151 8选1数据选择器 的输出逻辑式 把逻辑函Y A B C AC A BC写出最小项之和的形式 Y A B C AC A BC A B C ABC AB C A BC令 A2 A A1 B A0 C 1 62 则Y A B C AC A BC A B C ABC AB C A BC 1 A 2A 1A 0 1 A2A 1A0 1 A 2A1A0 1 A2A1A0 2 74LS151的输出逻辑函数式 Y D0 A 2A 1A 0 D1 A 2A 1A0 D2 A 2A1A 0 D3 A 2A1A0 D4 A2A 1A 0 D5 A2A 1A0 D6 A2A1A 0 D7 A2A1A0 1 63 比较上面两式 D0 D3 D5 D7 1 D1 D2 D4 D6 0就可以用74LS151实现Y的逻辑函数 实验电路图如下 1 64 Vcc C B A Y 1 65 2 用74LS138和74LS20构成函数发生器 实现函数 P AB C A B C 解 1 P AB C A B C AB C A BC A BC A B C m1 m2 m3 m5 1 66 2 选择使用74LS138 令S1 1 S 2 S 3 0 A2 A A1 B A0 C 则P m1 m2 m3 m5 根据该逻辑式 画出的实验电路图如下 1 67 A B C 74LS20 1 2 4 5 6 P 14 7 1 68 3 附加题 人类有四种血型 A B AB和O型 输血时 输血者与受血者必须复合图p4 22规定 否则有生命危险 试设计一个电路 判断输血者与受血者是否符合规定 解 以MN的4种状态组合表示输血者的4种血型 以PQ的4种状态组合表示受血者的4种血型 Z 1表示输血者与受血者不符合规定 1 69 1 70 列出真值表 1 71 由真值表可以写出逻辑式 Z M N P Q M N PQ M NP Q M NPQ MN P Q MN P Q MN PQ选用74LS151 令A2 M A1 N A0 P S 0 74LS151的输出逻辑式 Y A 2A 1A 0D0 A 2A 1A0D1 A 2A1A 0D2 A 2A1A0D3 A2A 1A 0D4 A2A 1A0D5 A2A1A 0D6 A2A1A0D7 1 72 比较两式 D0 D1 D3 D5 Q D2 Q D4 1 D6 D7 0 画出的实验电路图 就是所求的Z逻辑函数 1 73 Vcc P N M Z Q 74LS00 1 2 3 14 7 1 74 1 75 1 76 1 77 1 78 5 二极管的极间电容 二极管的两极之间有电容 此电容由两部分组成 势垒电容CB和扩散电容CD 势垒区是积累空间电荷的区域 当电压变化时 就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化 这样所表现出的电容是势垒电容 1 79 4 微变电阻rD vD rD是二极管特性曲线工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比 显然 rD是对Q附近的微小变化量的电阻 1 80 为了形成正向电流 扩散电流 注入P区的少子 电子 在P区有浓度差 越靠近PN结浓度越大 即在P区有电子的积累 同理 在N区有空穴的积累 正向电流大 积累的电荷多 这样所产生的电容就是扩散电容CD 1 81 CB在正向和反向偏置时均不能忽略 而反向偏置时 载流子很少 扩散电容可忽略 PN结高频小信号时的等效电路 势垒电容和扩散电容的综合效应 1 82 例 二极管的应用 uo 1 83 3特殊二极管 3 1稳压二极管 U UZ IZ 稳压误差 曲线越陡 电压越稳定 1 84 稳压二极管的参数 1 稳定电压UZ 3 动态电阻 1 85 4 稳定电流IZ 最大 最小稳定电流Izmax Izmian 5 最大允许功耗 1 86 3 2光电二极管 反向电流随光照强度的增加而上升 1 87 3 3发光二极管 有正向电流流过时 发出一定波长范围的光 目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光 它的电特性与一般二极管类似 1 88 4半导体三极管 4 1基本结构 基极 发射极 集电极 NPN型 PNP型 1 89 基区 较薄 掺杂浓度低 集电区 面积较大 发射区 掺杂浓度较高 结构特点 1 90 发射结 集电结 1 91 4 2电流放大原理 EB RB Ec 发射结正偏 发射区电子不断向基区扩散 形成发射极电流IE 1 进入P区的电子少部分与基区的空穴复合 形成电流IBE 多数扩散到集电结 1 92 EB RB Ec 集电结反偏 有少子形成的反向电流ICBO 从基区扩散来的电子作为集电结的少子 漂移进入集电结而被收集 形成ICE 2 1 93 IB IBE ICBO IBE 3 1 94 4 ICE与IBE之比称为电流放大倍数 要使三极管能放大电流 必须使发射结正偏 集电结反偏 1 95 NPN型三极管 PNP型三极管 1 96 4 3特性曲线 IC 实验线路 1 97 1 输入特性 死区电压 硅管0 5V 锗管0 2V 工作压降 硅管UBE 0 6 0 7V 锗管UBE 0 2 0 3V 1 98 2 输出特性 IC mA 此区域满足IC IB称为线性区 放大区 当UCE大于一定的数值时 IC只与IB有关 IC IB 1 9