[信息与通信]数电实验.ppt

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1、(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.

2、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+(BC+D)+BC=A+BC=(A(BC)的实验电路图,A

3、,B,C,1,2,4,5,3,6,13,12,11,74LS00,74LS00,74LS00,(1-10),函数Y=A+(A(BC)(A+(BC+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

4、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。,

5、(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：(

6、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),(

7、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

8、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、

9、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=ABC+ABC+ABC+ABC=A(BC)+A(BC)=ABCN=ABC+ABC+ABC+ABC=(AB)C+AB=(AB)C)(AB)或者写成:N=AB+AC+BC=(AB)(AC)(BC)从使

10、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=ABC+ABC+ABC=ABC+ABC+ABC+ABC=AB+AC=(AB)(AC)该逻辑函数既可以用74LS00来实现，也可以

11、用74LS03 OC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4X=15时，输出Y=1，否则Y=0.,(1-44),(1-45),A B,C D,00,01,11,10,00,01,11,10,A,BD,BC,Y=A+BC+BD=(A)(BC)(BD

12、),(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

13、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，

14、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

15、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

16、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VOL0.4V。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

17、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

18、。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=ABC+AC+ABC，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=ABC+AC+ABC写出最小项之和的形式：Y=ABC+AC+ABC=ABC+ABC+ABC+ABC令：A2=A,A1=B,A0

19、=C,(1-62),则Y=ABC+AC+ABC=ABC+ABC+ABC+ABC=1（A2A1A0）+1(A2A1A0)1(A2A1A0)+1(A2A1A0)2.74LS151的输出逻辑函数式：Y=D0（A2A1A0）+D1(A2A1A0)+D2(A2A1A0)+D3(A2A1A0)+D4(A2A1A0)+D5(A2A1A0)+D6(A2A1A0)+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

20、构成函数发生器，实现函数：P=ABC+A(B+C).解：1.P=ABC+A(B+C)=ABC+ABC+ABC+ABC=(m1m2m3m5),(1-66),2.选择使用74LS138,令S1=1,S2=S3=0,A2=A,A1=B,A0=C;则P=(m1m2m3m5)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

21、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=MNPQ+MNPQ+MNPQ+MNPQ+MNPQ+MNPQ+MNPQ选用74LS151,令A2=M,A1=N,A0=P,S=0。74LS151的输出逻辑式：Y=A2A1A0D0+A2A1A0D1+A2A1A0D2+A2A1A0D3+A2A1A0D4+A2A1A0D5+A2A1A0D6+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,(

22、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

23、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

24、),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

25、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-ICBOIBE,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UBE0.60.7V,锗管UBE0.20.3V。,(1-98),（2）输出特性,IC(mA),此区域满足

26、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。,(1-99),此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。,(1-100),此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压，称为截止区。,(1-101),（3）主要参数,前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。,共射直流电流放大倍数：,1.电流放大倍数 和,(1-102),工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：,(1-103),例：U

27、CE=6V时：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60 A,IC=2.3mA。,在以后的计算中，一般作近似处理：=,(1-104),2.集-基极反向截止电流ICBO,ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。,(1-105),3.集-射极反向截止电流ICEO,(1-106),B,E,C,N,N,P,ICBO进入N区，形成IBE。,根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流 IBE。,集电结反偏有ICBO,例如：,(1-107),4.集电极最大电流ICM,集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。,所以集电极电流应为：IC=IB+ICEO,而ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,(1-108),5.集-射极反向击穿电压,当集-射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。,(1-109),6.集电极最大允许功耗PCM,集电极电流IC流过三极管，所发出的焦耳热为：,PC=ICUCE,必定导致结温上升，所以PC有限制。,PCPCM,(1-110),ICUCE=PCM,安全工作区,