《数字电路实训指导》（含实训工单）教案 -教学设计项目1 数字电路基本技能训练

第第4页项目一 数字电路基本技能训练AM处理的信号。完成对数字信号进行算术运算和逻辑运算的电路就是数字电路。现代的数字电路由功能多样的数字集成电路构成，广泛应用于计算机、自动控制、通信等生产生活的各个领域。数字电路基本技能训练是通过对数字电路中晶体三极管的开关特性、TTL和CMOS集成电路的测试方法及其连接和驱动方法的训练，帮助我们掌握数字电路实训中的基本技能，为后续训练项目打好基础。知识目标知识目标（1）了解晶体二极管、晶体三极管的开关特性参数。（2）掌握外电路参数变化对晶体二极管、晶体三极管开关特性的影响。（3）掌握TTL集成电路的使用规则。（4）掌握CMOS集成电路的使用规则。*（5）了解TTL集成电路、CMOS集成电路输入电路与输出电路的性质。技能目标技能目标（1）掌握晶体二极管、晶体三极管开关特性的测试技能。（2）掌握TTL集成与非门（74LS20）逻辑功能的测试技能。（3）掌握CMOS集成与非门（CC4011）逻辑功能的测试技能。*（4）掌握TTL集成逻辑电路和CMOS集成逻辑电路连接和驱动的测试技能。素养目标素养目标（1）激发学生对电子技术的兴趣和热情，培养谦虚好学的态度。（2）引导学生遵守职业道德，塑造良好的职业素养，弘扬工匠精神。（3）培养学生通过互联网和查阅书籍等渠道获取信息的能力。序号序号代号名称型号与规格数量1VT晶体三极管3DK2C（2N2222）12VD晶体二极管1N414813C瓷片电容300pF14R电阻RJ-0.25W-1kΩ±1%25R电阻RJ-0.25W-1.5kΩ±1%16R电阻RJ-0.25W-2kΩ±1%1课题：任务1晶体二极管、晶体三极管的开关特性测试授课教师： 授课日期： 授课班级：教学目标（1）了解晶体二极管、晶体三极管的开关特性参数。（2）掌握外电路参数变化对晶体二极管、晶体三极管开关特性的影响。工作任务（1）掌握晶体三极管开关特性的测试技能。（2）应用SmartEDA（或Multisim）仿真软件搭建电路并进行验证。（3）应用嘉立创EDA软件绘制印制电路板图。实训器材训练电路元器件明细表如表1-1-1所示。表1-1-1 训练电路元器件明细表工具、设备、仪器、材料如表1-1-2所示。表1-1-2 工具、设备、仪器、材料工具、设备、仪器材料数字示波器一台集成电路实验板一块数字信号发生器一台连接导线若干数字万用表一台元器件（见表1-1-1）直流稳压电源一台实践操作基础知识1．晶体二极管的开关特性数字电路是开关电路，晶体二极管和晶体三极管是组成开关电路最基本的元器件。由于晶体二极管具有单向导电性，故其开关特性表现为正向导通与反向截止管的开关特性如图1-1-1所示。2．晶体三极管的开关特性晶体三极管的开关特性是指它在截止状态、饱和状态时表现出的静态特性，1-1-2所示。图1-1-1 晶体二极管的开关特性 图1-1-2 晶体三极管的开关特性Cb和在晶体三极管的集VD1-1-3所示。图1-1-3 改善晶体三极管开关特性的电路Cb既加速了晶体三极管的开通过程又加速了断开过程，故称为加速电容，这是一种经济有效的方法，在脉冲电路中得到广泛应用。VDVTvOEC后，VDvOECvO波形的上升边沿，而且上升边的起始部分又比较陡，这样就大大缩短了输出波形的上升时间tr。晶体三极管开关特性的电路中基极所接负偏置电源-Eb能保证晶体三极管可靠Rb2技能训练测试晶体三极管开关特性在集成电路实验板的合适位置放置元器件。按图1-1-6所示接线，在A点输入频率为1kHz、VP-P=10V的方波信号。图1-1-6晶体三极管开关特性测试电路（1）测试基极偏置电压Eb的作用。B点接至负电源-Eb，令-Eb0V和-4Vuo波形的变1-1-3（）（2）测试加速电容Cb的作用。BRb1300pFCb，观察有、无加速电容时输出波形的变化情况，并记入1-1-4】中。（3）测试钳位晶体二极管VD的作用。BVD（1N4148）O点，观察输出波形的变化情况，并将其记入1-1-5】中。问题探究问题探究（1）分析晶体二极管开关特性中各参数的意义。（2）分析提高晶体三极管开关速度的方法。课后反思（实训课程设计理念，学生掌握技能效果及改进设想）课后反思（实训课程设计理念，学生掌握技能效果及改进设想）PAGE4页序号代号序号代号名称型号与规格数量1ICTTL集成电路74LS202课题：任务2TTL集成逻辑门的逻辑功能测试授课教师： 授课日期： 授课班级：教学目标（1）掌握TTL集成与非门的逻辑功能测试技能。（2）了解TTL集成电路的使用规则。工作任务（1）掌握TTL集成双4输入与非门74LS20逻辑功能的测试技能。（2）应用SmartEDA（或Multisim）仿真软件搭建电路并进行验证。（3）应用嘉立创EDA软件绘制印制电路板图。实训器材训练电路元器件明细表如表1-2-2所示。表1-2-2 训练电路元器件明细表工具、设备、仪器、材料如表1-2-3所示。表1-2-3 工具、设备、仪器、材料工具、设备、仪器材料直流稳压电源一台集成电路实验板一块逻辑电平显示器、逻辑电平开关连接导线若干数字万用表一台元器件（见表1-2-2）实践操作基础知识TTL集成逻辑门电路是晶体三极管-晶体三极管集成逻辑门电路的简称。这种集成门电路以晶体三极管为主，输入端和输出端都是晶体三极管结构。其优点是体积小、耗电少、工作可靠、性能好和速度快。1-2-1TTL474LS20的引脚排列及逻辑符号。TTL474LS20是指在一块集成电路内含有两个互相独立的与4个输入端。图1-2-1TTL集成双4输入与非门74LS20的引脚排列及逻辑符号1．TTL集成双4输入与非门74LS20的逻辑功能与非门的逻辑功能：当输入端中有一个是低电平时，输出端为高电平；当（0110。其逻辑表达式为YABCD2．TTL集成双4输入与非门74LS20的主要参数（1）低电平输出电源电流ICCL和高电平输出电源电流ICCH。（2）低电平输入电流IiL和高电平输入电流IiH。（3）扇出系数NO。TTL集成双4输入与非门74LS20的主要电参数如表1-2-1所示。表1-2-1 TTL集成双4输入与非门74LS20的主要电参数TTL3．TTL集成电路使用规则（1）在接插集成电路时，要认清定位标记，不得插反。（2）电源电压使用范围为+4.5～+5.5V，实验要求使用VCC=+5V。电源极性绝对不允许接错。（3）闲置输入端处理方法如下。参数名称和符号参数名称和符号规范值单位测试条件直流参数低电平输出电源电流ICCL<14mAVCC=5V，输入端悬空，输出端空载高电平输出电源电流ICCH<7mAVCC=5V，输入端接地，输出端空载低电平输入电流IiL≤1.4mAVCC=5V，被测输入端接地，其他输入端悬空，输出端空载高电平输入电流IiH<50μA入端接地，输出端空载<1mAVCC=5V，被测输入端Vin=5V，其他输入端接地，输出端空载输出高电平VoH≥3.4V入端悬空，IoH=400μA输出低电平VoL<0.3VVCC=5V，输入端Vin=2.0V，IoL=12.8mA扇出系数NO4～8V同VoH和VoL交流参数平均传输延迟时间tpd≤20nsVCC=5VVin=3.0V，f=2MHz①①VCC（1kΩ～10kΩ的固定电阻）或接至（+2.4～+4.5V）③若前级驱动能力允许，可以与使用的输入端并联。（4）输入端通过电阻接地，电阻值的大小将直接影响电路所处的状态。（3S）外（6）输出端不允许直接接地或直接接+5V电源，否则将损坏器件。技能训练测试TTL集成双4输入与非门74LS20的逻辑功能在集成电路实验板的合适位置按定位标记插好74LS20集成电路。1-2-44个输入端接逻辑电平开关输出接口，以提011DD不亮为逻辑“0实训工单【表123】所示逐个测试L集成双4输入与非门74LS204个输入端、16图1-2-4TTL集成双4输入与非门74LS20逻辑功能测试电路问题探究问题探究（1）在使用TTL集成与非门时如何处理闲置输入端。（2）分析与非门的逻辑功能。嘉课后反思（实训课程设计理念，学生掌握技能效果及改进设想）EDA软件绘制制电路板图教学视PAGE1页序号代号序号代号名称型号与规格数量1ICCMOS集成电路CC40111课题：任务3CMOS集成逻辑门的逻辑功能测试授课教师： 授课日期： 授课班级：教学目标（1）掌握CMOS集成门电路的逻辑功能和主要参数。（2）了解CMOS集成电路的使用规则。工作任务（1）掌握CMOS集成与非门CC4011逻辑功能的测试技能。（2）应用SmartEDA（或Multisim）仿真软件搭建电路并进行验证。实训器材训练电路元器件明细表如表1-3-2所示。表1-3-2 训练电路元器件明细表工具、设备、仪器、材料如表1-3-3所示。表1-3-3 工具、设备、仪器、材料工具、设备、仪器材料直流稳压电源一台集成电路实验板一块逻辑电平显示器、逻辑电平开关连接导线若干数字万用表一台元器件（见表1-3-2）实践操作基础知识1．MSCMOSTTL1-3-1CMOS2CC4011的引脚排列及逻辑符号。CMOS集成2CC4011TTL474LS20的测试12TTL图1-3-1 CMOS集成四2输入与非门CC4011的引脚排列及逻辑符号2．MS211CMOSTTL集成电路的对应参数定义基本一致。CMOS集成四2输入与非门CC4011的主要电参数如表1-3-1所示。表1-3-1 CMOS集成四2输入与非门的主要电参数续表3．MSCMOSNPMOS（1109ATTL器件的功耗则大得多。（2）高输入阻抗，通常大于1010Ω，远高于TTL器件的输入阻抗。99.9%0.1%以下，因此输出逻辑电平的摆幅很大，噪声容限很高。（4）电源电压范围广，可在3～18V范围内正常运行。0.1μACMOS集成电路的驱动电流远小于TTL集成电路的驱动电流，输出电流在+5V电源下约为参数名称和符号规范参数名称和符号规范值单位测试条件直流参数低电平输出电源电流ICCL<14mAVCC=5V，输入端悬空，输出端空载高电平输出电源电流ICCH<7mAVCC=5V，输入端接地，输出端空载参数名称和符号规范值单位测试条件直流参数低电平输入电流IiL≤1.4mAVCC=5V，被测输入端接地，其他输入端悬空，输出端空载高电平输入电流IiH<50μAVCC5Vn24输入端接地，输出端空载<1mAVCC=5V，被测输入端Vin=5V，其他输入端接地，输出端空载输出高电平VoH≥3.4VVCC5Vn08输入端悬空，IoH=400μA输出低电平VoL<0.3VVCC=5V，输入端Vin=2.0V，IoL=12.8mA扇出系数NO4～8V同VoH和VoL交流参数平均传输延迟时间tpd≤20nsVCC=5V，被测输入端输入信号：Vin=3.0V，f=2MHz500μA10～20。4．MSCMOS集成电路有很高的输入阻抗，这给使用者带来一定的麻烦，即外来的干扰信号很容易在一些悬空的输入端上感应出很高的电压，以致损坏器件。（1VCSS（2）所有输入端一律不准悬空。（5）焊接、测试和储存时的注意事项如下。①电路应存放在具有静电屏蔽功能的容器内，有良好的静电屏蔽。②在焊接时必须切断电路电源，电烙铁外壳必须良好接地，或者拔下电烙铁电源，靠其余热焊接。③所有的测试仪器必须良好接地技能训练1．测试CMOS集成四2输入与非门CC4011的逻辑功能在集成电路实验板合适位置按定位标记插好CC4011集成块。CMOS集成四2输入与非门CC4011参数测试方法与TTL集成双4输入与非门74LS20电路相仿，见图1-3-2。图1-3-2 测试CMOS与非门CC4011的逻辑功能A、BY接至逻辑电平显示2．测试CMOS集成四2输入与非门CC4011与非门对脉冲的控制作用MOS与非门40113a（20kHz50%、峰-5V的方波信号，用示波器观察两种电路的输出波形，1-3-4】中。图1-3-3测试CMOS集成四2输入与非门CC4011对脉冲的控制作用问题探究问题探究（1）分析CMOS集成门电路的工作原理。（2）讨论CMOS与非门电路闲置输入端是如何处理的。课后反思（实训课程设计理念，学生掌握技能效果及改进设想）第第1页课题：*任务4 集成逻辑电路的连接和驱动教学目标教学目标TTLCMOS（2）掌握连接集成逻辑电路时应遵守的规则。工作任务（1）掌握TTL集成逻辑电路和CMOS集成逻辑电路连接和驱动的测试技能。（2）应用SmartEDA（或Multisim）仿真软件搭建电路并进行验证。（3）应用嘉立创EDA软件绘制印制电路板图。实训器材训练电路元器件明细表如表1-4-3所示。表1-4-3 训练路器明细表序号 代号 名称 型号与规格IC CMOS集成电路 CC4001IC TTL集成电路 74LS00（74HC00）3 R 电阻 RJ-0.25W-3kΩ±1%工具、设备、仪器、材料如表1-4-4所示。表1-4-4 工具设、器、料数量111工具、设备、仪器材料直流稳压电源一台集成电路实验板一块逻辑电平显示器、逻辑电平开关连接导线若干数字万用表一台元器件（见表1-4-3）实践操作基础知识1．TTL集成逻辑电路输入、输出电路的性质TTL0.04A左右VCC1mATTL集成逻辑电路输出端多采用推拉式结构，工作速度较快，带负载能力较强。TTLVoLLSTTL8mA20LSVoL0.4V。1-4-1TTL274LS00图1-4-1 TTL集成四2输入与非门74LS00的引脚排列及逻辑符号TTL274LS00TTL4122．CMOSCMOSCCCMOS1010Ω3.5V1.5VCMOSCMOS高速COS74474HC74HCT74HCTTTLCMOS2CC40011-4-2所示。图1-4-2 CMOS集成四2输入或非门CC4001的引脚排列及逻辑符号CMOS2CC4001AB1A1B1Y2A2B2Y区分不同的或非门。各或非门输入、输出的逻辑关系为YAB。CMOS2CC4001CMOS2CC401113CMOS集成3．集成逻辑电路的连接TTL集成逻辑电路和CMOS集成逻辑电路的电压和电流参数各不相同，在实际的数字电路系统中，当需要将这两个集成逻辑电路前后连接起来时，主要考虑的问题是电平匹配和电流匹配，即驱动门要为负载门提供符合标准的输出电平和足够大的驱动电流。可用下列几个表达式来说明在连接集成逻辑电路时所要满足的条件。VoH（）≥ViH（）VoL（）≤ViL（）IoH（）≥n×IiH（）IoL（）≥n×IiL（）注：n为后级门的数目。TTLTTL1-4-174TTL1-4-1TTL表1-4-1 74列TTL成逻电的出数TTLCMOSTTLCMOSCMOSTTLCMOSRRTTL集成CMOS1-4-3所示。图1-4-3 TTL集成逻辑电路驱动CMOS集成逻辑电路CMO