数字电路实验,数字电路实验课程
数字电路实验课程注重培养学生数字逻辑与数字系统的分析、设计能力,数字逻辑是大学电子类专业的一门重要课程,数字电路实验系统能够进行从简单数字电路到较复杂数字系统的各种实验,涵盖数字逻辑和数字系统课程的实验内容。为学生完成后续专业理论和实验课程奠定了坚实的基础。
数字电路实验的基本知识
1.1 数字集成电路
数字电路分集成电路（IC－Integrated Circuit）和分立元件两种。分立元件是将晶体管、电阻等元器件用导线在线路板上连接起来的电路；而集成电路则是将上述元器件和导线通过半导体制造工艺做在一块硅片上而成为一个不可分割的整体电路。
数字集成电路就是完成数字逻辑功能的集成电路。集成电路按集成度可分为小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）。实验中经常用的是中、小规模集成电路,小规模集成电路主要是一些门电路,中规模集成电路主要是数据选择器、计数器等数字电路。中、小规模数字电路常见的是TTL电路和CMOS电路。实验中主要采用TTL的74系列电路作为实验用器件。
数字IC器件有多种封装方式,为了教学方便,在实验中所用的74系列器件封装选用双列直插器件。下图1.1.1是双列直插封装的正面示意图。
图1.1.1 双列直插式封装图
双列直插封装有以下特点：
1．从左面看,器件一端有一个半圆的缺口,这是正方向的标志。缺口下边的引脚号为1,引脚号按逆时针方向增加,图中的数字表示引脚号。双列直插封装IC引脚个数有14、16、20、24和28等。
2双列直插封装器件有两列引脚。引脚之间的间距为2.54mm,两列引脚之间距离有宽（15.24mm）、窄（7.62mm）两种。两列引脚之间的距离能够做较小改变,但引脚间距不能改变。将器件插入实验台上的插座中去或者从插座中拔出时要小心,不要将器件引脚搞弯或折断。
3．74系列器件一般在右下角的最后一个引脚是GND,左上角的引脚Vcc。例如,14引脚器件引脚7是GND,引脚14是Vcc；20引脚器件引脚10是GND,引脚20是Vcc。但也有例外的,所以使用IC时要先看清引脚图,找对电源和地,避免因接线错误造成器件损坏。
注意：不能带电拔、插器件,拔、插器件只能在关断电源的情况下进行。
1.2 数字实验
随着集成电路的广泛应用,一般采用的实验方案使用接插式通用底板和双列直插式集成元件,通过接插的方式进行实验。
1．2．1 实验准备
实践证明,实验前的准备工作做得是否充分,对实验能否顺利完成以及能否从实验中有所收获有很大影响。为了体现准备工作是否充分,一般要求实验前书写实验预习报告。预习报告不同于正式报告,没有规定的书写格式和要求,只要自己看得懂就行了。要求尽可能简洁、思路清楚、一目了然,内容以实验电路图（实验电路图就是在逻辑图的输入输出端注上器件的管脚排列序号）为主,附以简要的文字说明和记录结果数据的图表。根据验证性实验和设计性实验的不同,准备的侧重点和要求有所不同。
1．验证性实验
验证性实验指实验内容、实验电路等大多是预先指定的。对这类实验,实验者要预先弄情实验目的和具体要求,对实验结果、实验中可能出现的现象、预先做出分析和估计。
2．设计性实验
设计性实验指根据实验目的及具体要求,由设计者自己设计电路以及实验的具体步骤,这类实验可培养学生独立设计能力,做这类实验前要注意以下几点：
（1）熟悉所使用器件的逻辑功能、使用条件和引脚图；
（2）进实验室前按要求设计好实验电路,并画出实验电路图。
1．2．2 实验过程
一、电路的连接
1．插IC器件
（1）首先要认清方向,凹槽朝左,引脚按逆时针排列,1脚在左侧第一个位置。注意不要插反,否则一接电源就会烧坏IC器件。
（2）将IC器件插到底板上时要注意对准,引脚间隔与底板插孔间隔相同,插入时用力要轻,不要一下子插紧,待确定管脚和插孔位置一致后,再稍用力插牢,以防IC器件管脚弯曲或折断。
2．布线
（1）导线要求
布线用的导线直径应和通用底板插孔直径相一致,不宜太粗或过细；导线最好用色线以区别不同用途。导线的剥头一般以5－7mm为宜,剥头不允许弯曲。
（2）布线顺序
布线最好有顺序地进行,以免造成漏接。布线时先将固定电平的端点接好,如电源线、地线、门电路的多余端或实验过程中始终不改变的输入端等,这些连线要尽可能短一些；然后按信号流向顺序布线。
（3）布线要求
A．布线长度不宜太长,最好贴近底板；
B．避免导线相互交叉,更不要覆盖插孔,切忌导线跨越器件的上空；
C．一个插孔只能插一根导线,不允许插两根导线；
D．正确布线的底板应使电路清晰、整洁,这样不仅会提高电路的可靠性,也便于检查和排除故障、更换器件等；
E．在接实验电路之前,要对所有器件进行功能验证,确保所有器件都是有效的,这一步对实验的顺利进行至关重要,不可忽略；
F．对于大型实验,使用器件较多,这时可以把实验分为若干独立的部分,逐一布线、调试,最后再连接起来调试运行；
G．为防止干扰,每用6个集成器件,电源线要加接一个1～10 F的旁路电容通地。
二、电路测试及其故障排除
1．数字电路测试
数字电路测试大体上分为静态测试和动态测试两部分。静态测试是给定数字电路若干组静态输入值,测试数字电路的输出值是否正确。数字电路线路接好以后,把线路的输入接电平开关输出,线路的输出接电平指示灯,按功能表或状态表的要求,改变输入状态,观察输入和输出之间的关系是否符合设计要求。
在静态测试的基础上,按设计要求在输入端加动态脉冲信号,观察输出端波形是否符合设计要求,这是动态测试。我们所涉及的大多只是静态测试。
2．数字电路的故障查找和排除
在实验中,当电路不能完成预期的逻辑功能时,就称电路有故障。造成故障的原因是多方面的,大致可归纳为以下几个方面：器件故障、接线错误、设计错误和测试方法不正确。
（1）器件故障
器件故障是器件失效或器件接插问题引起的故障,表现在器件工作不正确,如实验IC器件使用不当、错误应用或功能不正常,实验仪器（实验箱）或通用底板不正常。为防止器件失效,要求接插器件时一定要注意凹槽朝左,先对齐再用力,使用之前先进行功能验证。
（2） 连线错误
连线错误是常见的错误,据有人统计,在教学实验中,约有70％以上的故障是由接线错误引起的。
A．连线错误原因
忘记接器件的电源和地；连线与插孔接触不良；连线经多次使用后,有可能外面塑料包皮完好,但内部线断；连线多接、漏接、错接；连线过长、过乱造成干扰。
B．接线错误现象
接线错误造成的现象多种多样,例如器件的某个功能块不工作或工作不正常,器件不工作或发热,电路中的一部分工作状态不稳定等。
C．解决方法
a．熟悉器件的功能及其引脚号,知道器件每个引脚的功能；
b．器件的电源和地一定要接对、接好,检查连线和插孔接触是否良好；
c．检查有无错接、多接、漏接,检查连线中有无断线。
重要的是连线前要画出电路连接图,按图连接,不要凭记忆随想随接；接线时要规范、整齐,尽量走直线、短线,以免引起干扰。
（3）设计错误
电路设计错误自然会造成与预想的结果不一致,原因是对实验要求没有理解透,或者对所用器件的原理没有掌握,或者是实验电路本身所固有的如组合电路的冒险现象。这就要求在设计时要理解实验要求,掌握实验线路原理,精心设计。初始设计完成后一般应对设计进行优化,最后画出逻辑图及接线图。
（4）测试方法不正确
若不发生前三者错误,实验一般会成功。但测试方法不正确也会引起观察错误。例如,一个稳定的波形,用示波器观察,而示波器没有同步,则造成波形不稳的假象。因此要学会正确使用仪器、仪表,尤其是示波器的应用。
在完成布线后,对所有的连线复查一遍是有益的。简单检查电源和地是否接好,输入能否加到实验电路上,输出能否显示等。当实验中发现结果与预期不一致时,应仔细观察现象,冷静思考问题所在。
（1）首先检查仪器、仪表是否正确使用；
（2）在正确使用仪器、仪表的前提下,按逻辑图和接线图逐级查找问题所在。通常从发现问题的地方,一级一级向前测试,测试电路的输入、输出点的0－1状态,直到找到故障的初始发生位置；
（3）在故障的初始处,首先检查连线是否正确,确认无误后,检查器件引脚是否全部正确插进插座中,有无引脚折断、弯曲、错插问题；
（4）确认无上述问题后,取下器件测试,以检查器件好坏,或者直接换一个好器件；
（5）若器件和连线都正确,则需要考虑设计问题。
1．2．3 实验报告
实验结束后需要撰写实验报告,这是一项重要的基本功训练,绝不是一种形式上的需要。通过撰写实验报告,回顾实验过程、总结实验结果、加深对基本理论的认识和理解。实验报告要写在规定的报告纸上,所有的图形、表格都必须用直尺、曲线板绘制。报告的内容主要包括以下几个部分：
1．实验目的；
2．实验仪器、器件；
3．实验内容、步骤、线路,包括方框图、状态图或真值表、文字说明逻辑图等；
4．实验数据记录；
5．实验结果分析讨论、心得体会等。
