數(shù)字電路實驗,數(shù)字電路實驗課程
數(shù)字電路實驗課程注重培養(yǎng)學生數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)的分析、設計能力，數(shù)字邏輯是大學電子類專業(yè)的一門重要課程，數(shù)字電路實驗系統(tǒng)能夠進行從簡單數(shù)字電路到較復雜數(shù)字系統(tǒng)的各種實驗，涵蓋數(shù)字邏輯和數(shù)字系統(tǒng)課程的實驗內容。為學生完成后續(xù)專業(yè)理論和實驗課程奠定了堅實的基礎。
數(shù)字電路實驗的基本知識
1.1 數(shù)字集成電路
數(shù)字電路分集成電路（IC－Integrated
Circuit）和分立元件兩種。分立元件是將晶體管、電阻等元器件用導線在線路板上連接起來的電路；而集成電路則是將上述元器件和導線通過半導體制造工藝做在一塊硅片上而成為一個不可分割的整體電路。
數(shù)字集成電路就是完成數(shù)字邏輯功能的集成電路。集成電路按集成度可分為小規(guī)模集成電路（SSI）、中規(guī)模集成電路（MSI）、大規(guī)模集成電路（LSI）和超大規(guī)模集成電路（VLSI）。實驗中經(jīng)常用的是中、小規(guī)模集成電路，小規(guī)模集成電路主要是一些門電路，中規(guī)模集成電路主要是數(shù)據(jù)選擇器、計數(shù)器等數(shù)字電路。中、小規(guī)模數(shù)字電路常見的是TTL電路和CMOS電路。實驗中主要采用TTL的74系列電路作為實驗用器件。
數(shù)字IC器件有多種封裝方式，為了教學方便，在實驗中所用的74系列器件封裝選用雙列直插器件。下圖1.1.1是雙列直插封裝的正面示意圖。
圖1.1.1 雙列直插式封裝圖
雙列直插封裝有以下特點：
1．從左面看，器件一端有一個半圓的缺口，這是正方向的標志。缺口下邊的引腳號為1，引腳號按逆時針方向增加，圖中的數(shù)字表示引腳號。雙列直插封裝IC引腳個數(shù)有14、16、20、24和28等。
2雙列直插封裝器件有兩列引腳。引腳之間的間距為2.54mm，兩列引腳之間距離有寬（15.24mm）、窄（7.62mm）兩種。兩列引腳之間的距離能夠做較小改變，但引腳間距不能改變。將器件插入實驗臺上的插座中去或者從插座中拔出時要小心，不要將器件引腳搞彎或折斷。
3．74系列器件一般在右下角的最后一個引腳是GND，左上角的引腳Vcc。例如，14引腳器件引腳7是GND，引腳14是Vcc；20引腳器件引腳10是GND，引腳20是Vcc。但也有例外的，所以使用IC時要先看清引腳圖，找對電源和地，避免因接線錯誤造成器件損壞。
注意：不能帶電拔、插器件，拔、插器件只能在關斷電源的情況下進行。
1.2 數(shù)字實驗
隨著集成電路的廣泛應用，一般采用的實驗方案使用接插式通用底板和雙列直插式集成元件，通過接插的方式進行實驗。
1．2．1 實驗準備
實踐證明，實驗前的準備工作做得是否充分，對實驗能否順利完成以及能否從實驗中有所收獲有很大影響。為了體現(xiàn)準備工作是否充分，一般要求實驗前書寫實驗預習報告。預習報告不同于正式報告，沒有規(guī)定的書寫格式和要求，只要自己看得懂就行了。要求盡可能簡潔、思路清楚、一目了然，內容以實驗電路圖（實驗電路圖就是在邏輯圖的輸入輸出端注上器件的管腳排列序號）為主，附以簡要的文字說明和記錄結果數(shù)據(jù)的圖表。根據(jù)驗證性實驗和設計性實驗的不同，準備的側重點和要求有所不同。
1．驗證性實驗
驗證性實驗指實驗內容、實驗電路等大多是預先指定的。對這類實驗，實驗者要預先弄情實驗目的和具體要求，對實驗結果、實驗中可能出現(xiàn)的現(xiàn)象、預先做出分析和估計。
2．設計性實驗
設計性實驗指根據(jù)實驗目的及具體要求，由設計者自己設計電路以及實驗的具體步驟，這類實驗可培養(yǎng)學生獨立設計能力，做這類實驗前要注意以下幾點：
（1）熟悉所使用器件的邏輯功能、使用條件和引腳圖；
（2）進實驗室前按要求設計好實驗電路，并畫出實驗電路圖。
1．2．2 實驗過程
一、電路的連接
1．插IC器件
（1）首先要認清方向，凹槽朝左，引腳按逆時針排列，1腳在左側第一個位置。注意不要插反，否則一接電源就會燒壞IC器件。
（2）將IC器件插到底板上時要注意對準，引腳間隔與底板插孔間隔相同，插入時用力要輕，不要一下子插緊，待確定管腳和插孔位置一致后，再稍用力插牢，以防IC器件管腳彎曲或折斷。
2．布線
（1）導線要求
布線用的導線直徑應和通用底板插孔直徑相一致，不宜太粗或過細；導線最好用色線以區(qū)別不同用途。導線的剝頭一般以5－7mm為宜，剝頭不允許彎曲。
（2）布線順序
布線最好有順序地進行，以免造成漏接。布線時先將固定電平的端點接好，如電源線、地線、門電路的多余端或實驗過程中始終不改變的輸入端等，這些連線要盡可能短一些；然后按信號流向順序布線。
（3）布線要求
A．布線長度不宜太長，最好貼近底板；
B．避免導線相互交叉，更不要覆蓋插孔，切忌導線跨越器件的上空；
C．一個插孔只能插一根導線，不允許插兩根導線；
D．正確布線的底板應使電路清晰、整潔，這樣不僅會提高電路的可靠性，也便于檢查和排除故障、更換器件等；
E．在接實驗電路之前，要對所有器件進行功能驗證，確保所有器件都是有效的，這一步對實驗的順利進行至關重要，不可忽略；
F．對于大型實驗，使用器件較多，這時可以把實驗分為若干獨立的部分，逐一布線、調試，最后再連接起來調試運行；
G．為防止干擾，每用6個集成器件，電源線要加接一個1～10 F的旁路電容通地。
二、電路測試及其故障排除
1．數(shù)字電路測試
數(shù)字電路測試大體上分為靜態(tài)測試和動態(tài)測試兩部分。靜態(tài)測試是給定數(shù)字電路若干組靜態(tài)輸入值，測試數(shù)字電路的輸出值是否正確。數(shù)字電路線路接好以后，把線路的輸入接電平開關輸出，線路的輸出接電平指示燈，按功能表或狀態(tài)表的要求，改變輸入狀態(tài)，觀察輸入和輸出之間的關系是否符合設計要求。
在靜態(tài)測試的基礎上，按設計要求在輸入端加動態(tài)脈沖信號，觀察輸出端波形是否符合設計要求，這是動態(tài)測試。我們所涉及的大多只是靜態(tài)測試。
2．數(shù)字電路的故障查找和排除
在實驗中，當電路不能完成預期的邏輯功能時，就稱電路有故障。造成故障的原因是多方面的，大致可歸納為以下幾個方面：器件故障、接線錯誤、設計錯誤和測試方法不正確。
（1）器件故障
器件故障是器件失效或器件接插問題引起的故障，表現(xiàn)在器件工作不正確，如實驗IC器件使用不當、錯誤應用或功能不正常，實驗儀器（實驗箱）或通用底板不正常。為防止器件失效，要求接插器件時一定要注意凹槽朝左，先對齊再用力，使用之前先進行功能驗證。
（2） 連線錯誤
連線錯誤是常見的錯誤，據(jù)有人統(tǒng)計，在教學實驗中，約有70％以上的故障是由接線錯誤引起的。
A．連線錯誤原因
忘記接器件的電源和地；連線與插孔接觸不良；連線經(jīng)多次使用后，有可能外面塑料包皮完好，但內部線斷；連線多接、漏接、錯接；連線過長、過亂造成干擾。
B．接線錯誤現(xiàn)象
接線錯誤造成的現(xiàn)象多種多樣，例如器件的某個功能塊不工作或工作不正常，器件不工作或發(fā)熱，電路中的一部分工作狀態(tài)不穩(wěn)定等。
C．解決方法
a．熟悉器件的功能及其引腳號，知道器件每個引腳的功能；
b．器件的電源和地一定要接對、接好，檢查連線和插孔接觸是否良好；
c．檢查有無錯接、多接、漏接，檢查連線中有無斷線。
重要的是連線前要畫出電路連接圖，按圖連接，不要憑記憶隨想隨接；接線時要規(guī)范、整齊，盡量走直線、短線，以免引起干擾。
（3）設計錯誤
電路設計錯誤自然會造成與預想的結果不一致，原因是對實驗要求沒有理解透，或者對所用器件的原理沒有掌握，或者是實驗電路本身所固有的如組合電路的冒險現(xiàn)象。這就要求在設計時要理解實驗要求，掌握實驗線路原理，精心設計。初始設計完成后一般應對設計進行優(yōu)化，最后畫出邏輯圖及接線圖。
（4）測試方法不正確
若不發(fā)生前三者錯誤，實驗一般會成功。但測試方法不正確也會引起觀察錯誤。例如，一個穩(wěn)定的波形，用示波器觀察，而示波器沒有同步，則造成波形不穩(wěn)的假象。因此要學會正確使用儀器、儀表，尤其是示波器的應用。
在完成布線后，對所有的連線復查一遍是有益的。簡單檢查電源和地是否接好，輸入能否加到實驗電路上，輸出能否顯示等。當實驗中發(fā)現(xiàn)結果與預期不一致時，應仔細觀察現(xiàn)象，冷靜思考問題所在。
（1）首先檢查儀器、儀表是否正確使用；
（2）在正確使用儀器、儀表的前提下，按邏輯圖和接線圖逐級查找問題所在。通常從發(fā)現(xiàn)問題的地方，一級一級向前測試，測試電路的輸入、輸出點的0－1狀態(tài)，直到找到故障的初始發(fā)生位置；
（3）在故障的初始處，首先檢查連線是否正確，確認無誤后，檢查器件引腳是否全部正確插進插座中，有無引腳折斷、彎曲、錯插問題；
（4）確認無上述問題后，取下器件測試，以檢查器件好壞，或者直接換一個好器件；
（5）若器件和連線都正確，則需要考慮設計問題。
1．2．3 實驗報告
實驗結束后需要撰寫實驗報告，這是一項重要的基本功訓練，絕不是一種形式上的需要。通過撰寫實驗報告，回顧實驗過程、總結實驗結果、加深對基本理論的認識和理解。實驗報告要寫在規(guī)定的報告紙上，所有的圖形、表格都必須用直尺、曲線板繪制。報告的內容主要包括以下幾個部分：
1．實驗目的；
2．實驗儀器、器件；
3．實驗內容、步驟、線路，包括方框圖、狀態(tài)圖或真值表、文字說明邏輯圖等；
4．實驗數(shù)據(jù)記錄；
5．實驗結果分析討論、心得體會等。
