《数字电路实训指导》（含实训工单）教案 -教学设计项目5 综合性数字电路技能训练

第第3页项目五 综合性数字电路技能训练数字电路或数字集成电路是由各种门电路、触发器及由它们构成的各种组合逻辑电路和时序逻辑电路构成的复杂电路。与模拟电路相比，数字电路主要进行以01A/D（模/数）D/A（数/模）转换器可以与模拟电路互相连接。现代数字电路由半导体工艺制成的若干数字集成器件构造而成。在本项目的学习D/AA/D转换电路等较为典型D/AA/D知识目标知识目标（1）掌握电路中D触发器等单元电路构成数字编码电子锁的工作原理。（2）掌握由CD4511、CD4068、74LS02组成的九路数字显示抢答器的工作原理。（3）掌握大规模集成D/A和A/D转换器的逻辑功能。技能目标技能目标（1）掌握数字编码电子锁的调试技能。（2）掌握D/A和A/D转换器的组装（包括安装、焊接与调试）能力。（3）掌握九路数字显示抢答器的组装（包括安装、焊接与调试）能力。素养目标素养目标（1）培养学生勤于思考、做事细致严谨的实践操作能力。（2）培养学生的综合应用能力，激发创新思维，以增强就业竞争力。（3）培养学生的团队合作精神，学会有效沟通与协作，提升团队合作能力。序号序号代号名称型号与规格数量1ICCMOS集成电路CC401112ICTTL集成电路74LS2013ICTTL集成电路74LS7424IC音乐芯片—15VT晶体三极管901316LED发光晶体二极管ϕ5mm（红色）17C1电解电容47µF/50V18C2云母电容0.1µF19R1电阻RJ-0.25W-2MΩ1%110S0～S9微动按键开关12mm×12mm×4.5mm10课题：任务1 数字编码电子锁的制作与调试授课教师： 授课日期： 授课班级：教学目标（1）掌握由D触发器等单元电路构成的数字编码电子锁的工作原理。（2）掌握数字编码电子锁的调试技能。工作任务（1）掌握数字编码电子锁的调试技能。（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5-1-1所示。表5-1-1 训练电路元器件明细表工具、设备、仪器、材料如表5-1-2所示。表5-1-2 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逻辑电平显示器、逻辑电平开关元器件（见表5-1-1）直流稳压电源一台数字万用表一块实践操作基础知识数字编码电子锁的工作原理随着现代生活节奏的加快和安保意识的增强，人们对安全的要求也越来越高。电子锁因其密钥量（密码量）极大，且可与机械锁配合使用，有效避免了因钥匙被仿制而带来的安全隐患。电子锁只需记住一组密码，无须携带钥匙，省去了人们携带钥匙的麻烦，因此被越来越多的人使用。本任务中的数字编码电子锁的功能是按照设定的密码（一组十进制数字，依次按下按键开关，锁即可自动打开。若操作错误，锁则无法打开。此外，该电子锁S0键，音乐芯片即可驱动蜂鸣器发出音乐声。图5-1-1所示为数字编码电子锁原理图，该电子锁按工作原理分为五个功能模块。1．数字编码电子锁开机功能D74LS74D触发2CC40114的输C2D输出为低电平，电子锁处于关的状态，LED不亮。2．数字编码电子锁密码功能在数字编码电子锁电路正常工作时，74LS74D1端悬空，Q1D2端，依次类DDn+1=Qn。CPCP1、CP2、CP3、CP4S2、S6、S8、S9接地，形成“2689S2、S6、S8S9CPS2键后，CP1变为低电平，松手后，CP2产生了一个D1Q1S6并松手后，CP2产生了一个上升D2Q2S2、S6、S8、S9时，D2=Q1=1，D3=Q2=1，D4=Q3=1，Q4=F=1FLED亮起。若输入的编码顺序不正确，锁将不能被打开。3．数字编码电子锁复位和门铃功能474LS205。与非5CC4011474LS74串接构成的四个触发器5S0S05CC40114反相后将各触发器复位，同时，S0CC40113的输出为高电平，给音乐芯片的触发端提供了一个触发信号，音乐芯片带动蜂鸣器工作，发出声音，即具有电子门铃的功能。图5-1-1数字编码电子锁原理图4．数字编码电子锁误操作清零功能74LS205S1、S3、S4、S5、S7相D1～D4置零。5．数字编码电子锁开锁延时功能74LS205CC40111和反2R1、C1组成的延时网络与第四个触发器的Q4端相连。当依次输入密码Q4CC40111RC延CC40112D触发器复位。R1C1的值。技能训练在实训时，应该先测试电路所用到的各集成电路的逻辑功能，待测得各集成电路的逻辑功能正常后，再将有关电路逐级连接起来进行测试，直到测试数字编码电子锁电路的整个功能。第第5页 1）D1）D74LS74312）测试集成四2输入与非门CC401113CMOS3）测试集成双4输入与非门74LS2012TTL4）测试电子锁密码电路整体功能能、密码功能、复位和门铃功能、误操作清零功能及开锁延时功能，填写实训工5-1-3】～5-1-7。这样有利于检查和排除故障，保证实训顺利进行。（1）测试数字编码电子锁开机功能。在接通电源的瞬间，电子锁处于关闭状态，LED不亮。观察结果并记入实训工单【表5-1-3】中。（2）测试数字编码电子锁密码功能。S9（3）测试数字编码电子锁复位和门铃功能。S0（4）测试数字编码电子锁电路误操作清零功能。S1、S3、S4、S5、S7各按键开关所代表的不是该数字编码电子锁电路的打开密码，所以当这些开关中有一个被误操作按下时，都会使数字编码电子锁处于关闭状态。观察结果并记入5-1-6】中。（5）测试数字编码电子锁电路开锁延时功能。R1、C1组成的延时网络实现，当RC延时网络延时一定时间后，可将数字编码电子锁R1C1的值决定。观察结果并记入5-1-7】中。技能评价问题探究（1）分析如果不按所定密码顺序按下开关，而是将密码顺序颠倒或有1～2位颠倒按下开关，电路工作状态将会如何动作。4能否正常工作。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）第第4页哪个 课题任务2九路数字显示抢答器的制作与调试授课教师：授课日期：授课班级：教学目标（1）掌握由CD4511、CD4068、74LS02组成的九路数字显示抢答器的工作原理。（2）掌握九路数字显示抢答器的组装（包括安装、焊接与调试）能力。工作任务（1）掌握九路数字显示抢答器的安装、焊接与调试。（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5-2-2所示。表5-2-2 训练路器明细表序号 代号 名称 型号与规格 数量1 — 印制电路板 — 12 R9 电阻 RJ-0.25W-68Ω1% 13 R10～R16 电阻 RJ-0.25W-100Ω1% 74 R8 电阻 RJ-0.25W-330Ω1% 15 R5 电阻 RJ-0.25W-2kΩ1% 16 R1、R2、R3、R4 电阻 RJ-0.25W-3kΩ1% 47 R6、R7 电阻 RJ-0.25W-10kΩ1% 28 C1 云母电容 0.01µF 19 VD1～VD15 晶体二极管 1N4148 15VD16 发光晶体二极管 5mm（红色） 15V 蜂鸣器 — 1VT1、VT2 晶体三极管 9013 2LED 共阴极数码显示器 LDD580 1— 音乐芯片 — 115 S1～S10 微动按键开关 12mm×12mm×4.5mm 10IC1 集成电路 CD4511 1IC2 集成电路 CD4068 1IC3 集成电路 74LS02 1工具、设备、仪器、材料如表5-2-3所示。表5-2-3 工具设、器、料工具、设备、仪器材料数字示波器一台连接导线若干数字信号发生器一台数字信号发生器一台焊锡丝（0.8mm）若干数字万用表一块元器件（见表5-2-2）续表工具、设备、仪器材料直流稳压电源一台电烙铁（40W实践操作基础知识图5-2-1所示为九路数字显示抢答器电路，其按功能分成了三个单元电路。1．抢答开关阵列电路S1～S99VD1～VD15这15型号1N14R～R410D1～VD15对抢答器按键开关起进行BCD编码的作用。S10S00S100BDD41LD0（）（a、、、、、f1，g0）极管T2反相处理使g变为18输入与非门4068。CD4068130274L02D51的第5（E端D51CD40681308CD4068的第13图5-2-1 九路数字显示抢答器电路2．抢答锁存、清除电路8CD4068274LS02VT2S10，C1S13．抢答显示及声光提示电路集成BCD码锁存/七段译码/驱动器CD4511、共阴极数码显示器和电阻R10～R8～R9LEDVD16和晶体三极管VT1构成抢答器电路的声光提示电路。5-2-2BCD码锁存/符号。图5-2-2 集成BCD码锁存/七段译码/驱动器的引脚排列及逻辑符号CD45112任务37LS8CD4511的功能特点如下。A、B、CDBCDa、b、c、d、e、f、g是译码输出端，输出“1T是测试输入端，当T01I是消隐输入端，当I00LELE=1保持LE=0LE=0集成BCD码锁存/七段译码/驱动器CD4511逻辑功能表如表5-2-1所示。表5-2-1 集成BCD码存/七译码/动器逻辑功表输入输出LEBILTDCBAabcdefg显示字形××0××××1111111×01××××0000000消隐0110000111111001100010110000011001011011010110011111100101101000110011011010110110110110110001111101101111110000011100011111110111001111001101110100000000消隐01110110000000消隐01111000000000消隐01111010000000消隐01111100000000消隐01111110000000消隐111××××锁存锁存CD451110010集成四2输入或非门74LS02的引脚排列及逻辑符号如图5-2-3所示。图5-2-3 集成四2输入或非门74LS02的引脚排列及逻辑符号274LS022A、BY、1B、1Y2A、2B、2Y等均以数字区分不同的或非门。各或非门输入、输出的逻辑关系为YAB。集成8输入与非门CD4068的引脚排列和逻辑符号如图5-2-4所示。图5-2-4 集成8输入与非门CD4068的引脚排列和逻辑符号8CD4068BCDEF、G、H为输入端，K、J为输出端。逻辑功能为K=A·B·C·D·E·F·G·H，JABCDEFGH。技能训练1）测试集成BCD码锁存/七段译码/驱动器CD4511和共阴极数码显示器LDD580组成的LED显示电路在集成电路实验板的合适位置按定位标记插好CD4511集成电路和LDD580。5-2-5BCD码锁存/LDD580LED图集成驱动器LED显示电路5-2-5BCD码锁存/七段译码/CD4511的使能端、、LEBCDABCD拨动逻辑电平开关，按表5-2-1所示逐项测试集成BCD码锁存/七段译码/驱动器CD4511的逻辑功能，并记入实训工单【表5-2-3】中，同时判断译码显示是否正常。2）测试集成8输入与非门CD4068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CD4068集成电路。5-2-6BCDEG、J5-2-4】图5-2-6 测试集成8输入与非门CD4068逻辑功能的接线图3）测试集成四2输入或非门74LS02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74LS02集成电路。接图5-2-7所示接线，1A、1B接逻辑电平开关的输出接口，1Y接逻辑电平显示器的输入接口，按实训工单【表5-2-5】所示逐项进行测试并记入该表中。图5-2-7 测试集成四2输入或非门74LS02逻辑功能的接线图4）九路数显抢答器印制电路板的安装、焊接与调试印制电路板的安装、焊接步骤如下。（1）装前检查：根据图纸核对所用元器件的规格、型号及数量；按图对印制电路板进行线路检查和外观检查。（2）元器件测试：用数字万用表或专用的测量仪器对所用到的元器件进行测量，将不合格的元器件筛选出来。（3）按元器件装配图进行装配焊接：印制电路板上的元器件排列整齐、成形美观、印制电路板清洁；焊点光滑无虚焊和漏焊；焊接过程中不损坏元器件。注意集成电路、晶体二极管、晶体三极管的安装方向。（4）（502CB、ECBEE（5）在装配和焊接好后，检查和测量所焊接的印制电路板有无短路或漏焊现5-2-85-2-9所示。电路功能的调试步骤如下。（1）抢答作用测试。+V0S10进行复位。（2）防作弊性能测试。S10为复位键，可在主持人喊“开始”前按下该键，若按下S10后数码显示器不显示“0”，而且有声光报警指示，则说明存在作弊行为，所显示的数字就是作弊选手的编号。图5-2-8 九路数字显示抢答器印制电路板的正面图5-2-9 九路数字显示抢答器印制电路板的反面技能评价问题探究（1）简述如何区别共阴极数码显示器和共阳极数码显示器。（2）分析译码显示电路中驱动电路的作用。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2页课题：任务3 D/A和A/D转换器的制作与调试教学目标（1）了解D/A教学目标（1）了解D/A和A/D转换器的基本工作原理和基本结构。（2）掌握大规模集成D/A和A/D转换器的逻辑功能。（3）掌握D/A和A/D转换器电路的组装（包括安装、焊接与调试）能力。工作任务（1）掌握D/A和A/D转换器电路的安装、焊接与调试。（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5-3-4所示。表5-3-4 训练路器明细表序号 代号 名称 型号与规格1 — 印制电路板 —2 R 电阻 RJ-0.25W-1k1%VD1、VD2 晶体二极管 1N4148RW 多圈电位器 22kΩIC1 集成电路 μA741IC2 集成电路 DAC0832IC3 集成电路 ADC0809— 芯片插座 8P— 芯片插座 20P— 芯片插座 28P工具、设备、仪器、材料如表5-3-5所示。表5-3-5 工具设、器、料数量11021111111工具、设备、仪器材料数字示波器一台连接导线若干数字信号发生器一台焊锡丝（ϕ0.8mm）若干数字万用表一台元器件（见表5-3-4）直流稳压电源一台逻辑电平显示器、逻辑电平开关电烙铁（40W实践操作基础知识DAAD现代控制技术的发展和电子计算机的广泛应用，以及数字测量仪表，数字通信和遥测、遥控的使用，使得模拟量和数字量之间的转换具有重要的现实意义。/数转换，完成这一功能的电路称为A/D转换器，简称ADC；把数字量转换成模拟量的过程称为数/D/ADAC。A/DD/A转换器的问世，为实现上述转换提供了极大的方便。我们只需借助手册提供的器件性能指标及典型应用电路，即可正确使用这些器件。本任务将采用DAC0832D/A转换，ADC0809A/D转换。1．DA（DAC82）大规模集成电路DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片电流输出型8位数/模转换器。单片D/A转换器DAC0832的引脚排列及逻辑框图如图5-3-1所示。8D/AT5-3-2T型R-2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四部分组成的。图5-3-1 单片D/A转换器DAC0832引脚排列及逻辑框图图5-3-2 D/A转换器运放的输出电压为U=FBD n1D 2n2+ D0)O 2nR n2 0由上式可见，输出电压UO与输入的数字量成正比，这就实现了从数字量到模拟量的转换。8D/A828=256256256D/ADAC08325-3-1表5-3-1 单片D/A转器DAC0832的脚说明DAC0832输出的是电流，要转换为电压还必须经过一个外接的运算放大器，如图5-3-3所示。图5-3-3 单片D/A转换器DAC0832测试电路2．A/D转换器（ADC0809）8A/DADC0809CMOS88A/D5-3-4引脚序号引脚序号引脚名称引脚功能说明765416151413D0～D7数字信号输入端19ILE输入寄存器允许端，高电平有效1CS片选信号端，低电平有效2WR1写信号1端，低电平有效17XFER传送控制信号端，低电平有效18WR2写信号2端，低电平有效11、12IOUT1、IOUT2D/A转换器电流输出端9RfB反馈电阻端，是集成在片内的外接运放的反馈电阻端8VREF基准电压的正极，基准电压为-10～+10V20VCC接正电源端，电源电压为5～15V3AGND：模拟地可接在一起使用10DGND：数字地图5-3-4 8位A/D转换器ADC0809的引脚排列及逻辑框图ADC0809集成电路的核心部分是8位A/D转换器，它由比较器、逐次渐近寄存器、D/A转换器、控制和定时五部分组成。8位A/D转换器ADC0809的引脚功能说明如表5-3-2所示。表5-3-2 8位A/D转器ADC0809的脚说明（1）模拟量输入通道选择。8A2A1A08A/D转引脚序号引脚名称引脚序号引脚名称引脚功能说明262728、12、3、45IN0～IN78路模拟信号输入端23、24、25A2、A1、A0地址输入端22ALE地址锁存允许输入信号端，在此脚施加正脉冲，上升沿有效，此时锁存地址码，从而选通相应的模拟信号通道，以便进行A/D转换6START启动信号输入端，应在此脚施加正脉冲，当上升沿到达时，内部逐次逼近寄存器复位，在下降沿到达后，开始A/D转换过程7EOC（转换结束标志平有效9OE输入允许信号端，高电平有效10CLOCK时钟脉冲信号输入端，外接时钟频率一般为640kHz11VCC+5V单电源供电端12VREF（+）基准电压的正极，一般VREF（+）接+5V电源16VREF（-）基准电压的负极，一般VREF（-）接地212019188151417D7～D0数字信号输出端换。8路模拟信号A/D转换地址译码与模拟输入通道的选通关系如表5-3-3所示。表5-3-3 8路拟号A/D换址码模入通的通系（2）D/A转换过程。（T）正脉冲，DA（EOC）8A/DADC08095-3-5R1kΩ。图5-3-5 8位A/D转换器ADC0809测试电路技能训练1）测试D/A转换器（DAC0832）