数电概述和连续时间系统的模拟(gu).ppt

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1、1,数字电路实验概述连续时间系统的模拟,2,数字电路实验概述,一、实验箱数电实验部分,3,实 验 箱 电 源,单电源加“+12V”，双电源加“12V”以万用表测量值为准！,电源输出接口,电源开关,如果电源指示灯灭，可能的原因有：A、外接电源错误；B、电源输出短路；C、内部电源损坏。,左上角,4,实 验 箱 电 源,标注“+5V”的插孔已经和电源的“+5V”连接。,标注“GND”和“地”的插孔已经和电源的“GND”连接。,右半部分布,5,实 验 箱 信 号 源,使用前需短接,右下部,6,逻 辑 电 平 显 示,逻辑电平显示：输入高电平：发光二极管亮 输入低电平：发光二极管灭。,不能用于测量电路中

2、电平的高低！需要测量时请用万用表或示波器。,中上部,7,数 码 管 显 示,4位动态显示：数据信号“DCBA”高电平有效，数码管从左到右依次为W1W4，低电平有效。,使用前需短接,中上部,1位静态显示：数据端高电平有效，公共端已连接。,8,点 阵 显 示,57点阵显示：L1L5，H1H7输入高电平有效。,使用前需短接,右上角,9,数 字 电 路 接 线 区,数字集成电路接线区提供：40脚锁紧座1个，20脚DIP插座1个，16脚DIP插座4个，14脚DIP插座3个。,“+5V”和“GND”之间接有0.1uF电容。,左中部,右中部,10,外接仪器接线柱,两侧,连接外部仪器：信号发生器 示波器 毫伏

3、表等,11,实验箱使用注意事项,（1）外部12V直流电源接入实验箱时，必须检查电压值和极性无误。实验中暂不用电源时，只需将实验箱上的“电源开关”关断，不必关断外部的直流电源。（2）合上“电源开关”后应检查电源指标灯是否点亮，如果使用了负电源则还应检查负电源的指标灯，当电源指示灯不亮时，应查明原因。,12,（3）将集成电路插入插座时，必须将集成电路的缺口朝左且管脚与插座对准，如果管脚出现歪斜则应先将管脚用镊子校正，然后再插入插座。否则，将造成集成电路管脚与接线插座旁的管脚号标注不一致或遗漏管脚。（4）起拔集成电路时，应该用起子或镊子从集成器件与插座之间插入，将器件轻轻地并保持平衡撬出。否则，极易

4、将集成电路的管脚弄弯或损坏。,实验箱使用注意事项,13,数字单元电路实验基础知识,二、TTL集成电路使用常识,（一）实验室使用的TTL集成电路 TTL：晶体管晶体管逻辑电路 74LS 或 74HC 74：民品 54：军品 数字序号LS：低功耗肖特基TTL，静态功耗大，扇出能力较强。HC：高速CMOS系列，静态功耗低，扇出能力较弱。教材电工电子实验技术（上册）P88P90有详细介绍,14,（二）TTL数字集成电路使用规则,1、管脚常用TTL数字集成电路的管脚排列可查电工电子实验手册P84P94，并附有功能表。使用时请注意：A管脚图中半圆形符号在左侧，必须将集成电路背部（印有字符）的缺口也朝左时管

5、脚图中的管脚编号才与集成电路实际管脚编号一致，否则，将造成两种管脚号标注不一致。,15,B通常集成电路背部（印有字符）的缺口朝左时，左下脚为1脚、左上脚为最大脚号（也是接电源的Vcc脚）、右下脚为接电源GND脚。在大多数电路原理图中不画出Vcc脚和GND脚，实际使用时，必须在左上脚与右下脚间接入5V直流电源，且不可接错极性。,TTL数字集成电路使用规则,16,2、TTL工作电源,TTL器件对电源电压要求很严，电源电压(Vcc与GND之间)为+50.5 V，超过这个范围将损坏器件或功能不正常。TTL电路的静态电流相当可观，应使用稳定的、内阻小的稳压电源，并要求有良好的接地。TTL器件的浪涌电流流

6、进电源，其电源内阻会产生电压尖峰，这在电路系统中可以产生较大的干扰。因此有必要在电源接入端接几十F的电容作低频滤波，每隔510个集成电路在电源和地之间加一个0.01F0.1F的电容作高频滤波。,17,3、管脚连接中须注意的问题,输出脚输出端决不允许直接接+5V电源或接地。除集电极开路输出和三态输出电路外，输出端不允许并联使用，否则引起逻辑混乱，甚至损坏器件。输出高电平VOH2.5V，输出低电平VOL0.4V输入脚所有输入端的输入电压的允许范围为+5V0.7V。若大于上限值，多发射极晶体管的发射结可能击穿；低于下限值时，衬底结可能导通。这些都将影响电路正常工作，甚至损坏器件。,18,正常工作情况

7、下输入高电平5VVIH2.5V，输入低电平0VVIL0.8V所有输入端应按逻辑要求接入电路，不要悬空处理，否则易受干扰，破坏逻辑功能。与门和与非门的多余输入端应接高电平或并联使用（当前级驱动能力较强）。或门、或非门，多余输入端应接低电平或接地。控制脚（置“0”、置“1”、使能等）控制脚不能悬空不用，都应根据功能要求连接相应电平/管脚/信号。,管脚连接中须注意的问题,19,（三）数字电路调测,教材电工电子实验技术（上册）P115P127有详细介绍1、静态测试静态测试就是用人工的方法逐步改变输入变量，同时测试相应的输出。这种方法速度慢，一旦送入输入并保持变量后，被测电路在测试过程中不发生变化，故称

8、其为静态测试法。这种测试方法适用于验证中、小规模集成电路的好坏和测试输出输入变量不多、状态不多的逻辑电路。,20,（1）组合电路的静态测试,用静态法测试组合电路时，实验箱的K1K8提供所需输入逻辑电平，分别由K1K8自复键控制，每按一次键，输出电平在“1”或“0”之间转换一次。电路的输出信号送实验箱上L1L8，与它们对应连接的8个发光二极管（被测输出信号为高电平）或不亮（被测输出信号为“0”或“高阻”）。按照电路的真值表或功能表依次改变输入逻辑电平并逐项核实输出状况即可完成静态测试。,21,静态测试时输入信号是逐个改变的，输入变化很慢，显示的输出信号是输入电平稳定后的情况。与实际工作时的输入变

9、化速度不同。所以，静态测试的条件与实际工作的条件不同，测试结果与实际情况也可能不同。尤其是当输入信号变化很快时，如果电路因器件延迟而产生了“竞争”或“冒险”现象，由于“竞争”或“冒险”产生的“毛刺”是非常窄的脉冲，用发光二极管是无法显示出来的。静态测试不能测出电路的“竞争”或“冒险”。,组合电路的静态测试,22,（2）时序电路的静态测试法,时序电路的静态测试法与组合电路测试相似。但是，时序电路的输入信号对电路的影响不但有逻辑电平的高低，且很多时序电路是靠输入信号的前沿或后沿来触发的，所以，测试时序电路时，对边沿有要求的输入端必须输入一个脉冲信号，以便得到需要的前沿或后沿。实验箱上提供了单脉冲信

10、号，K9为单脉冲输出信号，静态输出为“0”，每按一次K9键。对应插孔输出一个脉宽为50ms的单个矩形脉冲。一般将此单脉冲信号作为时序电路的CP信号。,23,（3）静态测试注意事项,由于时序电路的输出状态较多，如一个16位计数器共有21665536种状态值，若要一一测试显然是不可能的。遇到这种情况时，一般可将一个16位计数器分为两个8位计数器分别进行测试，每一个8位计数器的输出状态有28256个，两个计数器共有512个，当两个计数器测试均正常时再将两个计数器合为一个，这时，主要测试第8位计数满后向第9位的进位情况，如果进位正常，则可以认为整个计数器正常。如果能在设计时就将电路状态进行划分，则可以

11、给测试带来很大的方便。设计时将数字电路划分为若干模块，是数字电路可测性设计的一个重要方法。,24,2、动态测试,静态测试的测试效率较低，而且电路的某些与动态特性相关的逻辑现象(如“冒险”、“竞争”)难以测出。动态测试可以弥补静态测试的不足。动态测试：测试用的输入信号是一个自动产生并且不断变化的逻辑电平值，输出信号也是一个不断变化的逻辑电平值，整个测试始终处于变动状态，故称这种测试方法为动态测试。,25,（1）组合电路的动态测试法,组合电路动态测试法的思路是采用穷举法。即由合适的信号源事先编辑好一组测试码，该组测试码涵盖了输入信号所有状态组合。实验时，该信号源自动顺序输出该组测试码，同时用示波器

12、观测输入与输出波形的关系，两者的关系应该符合真值表要求。,26,（2）组合电路的动态测试注意事项,示波器一般只有双踪，测试多个波形关系时有一些特定的操作要求，一般需用逻辑分析仪。如果输出端F的波形不正常，可以逐个写出信号传输路径中各个门电路输出端的真值表，用示波器测量各点波形并与真值表对照。如果与真值表不符，即可判断出故障所在。由于示波器的屏幕较小，分辨率也有限，可显示的信号长度有限，如果输入信号数量较多，信号序列较长(如8个输入信号的测试序列长达28256个)，而示波器上最多能显示出几十个信号周期的长度，这种情况正是数字电路的测试难点所在。因此，在测试长序列信号时，一般要采用数字式存储示波器

13、或逻辑分析仪。,27,（3）时序电路的动态测试,时序电路动态测试一般要求提供一个时钟信号CP，CP由实验箱上的连续脉冲信号提供，用示波器观测各个被测点的波形。有一些时序电路不但需要时钟信号，而且需要多种控制信号。例如，移位寄存器等电路除需要时钟外还需要置数控制、位移控制、加减计数方式控制等多种输入信号，如果也用穷举法产生所有控制功能端的组合测试信号，则会使测试码非常长，以致用示波器无法观测一个完整的测试序列信号。,28,（4）时序电路动态测试的注意事项,当时序电路的数据控制等外部输入信号较多时，用穷举法提供动态测试信号比较困难。应采用静态与动态相结合的方法，即用静态方式给出某些输入的数据和控制

14、信号(如置数、位移控制等)，在给定的各种控制状态进行动态测试。当需要用示波器同时显示两个波形时，应正确选择示波器的“触发信源”，应选用周期最长的（边沿最少）一路信号作为内触发信源，并调节电平旋钮。通常这样就可正确稳定地显示出两个被测波形。,29,（四）数电实验常见故障的分析和排除,这里所说的常见故障不包括因设计不当产生的逻辑功能错误(因设计不当产生的逻辑功能错误应修改设计方案)。一般数字电路常见故障有：断路故障短路故障集成电路芯片故障。,30,1、断路故障,断路故障是指连线(包括信号线、传输线、测试线、焊点、连接点)断路产生的故障。这类故障产生的现象比较明显，一般显现出相关点无规律的电平，例如

15、：芯片电源连接端无电压；信号输入端无脉冲电压等等。检查这类故障的方法是用“0”、“1”判断法，如设线路通为“1”，断为“0”。操作时可用万用表、逻辑笔或者示波器(配合测试信号)从源头沿一定路径逐段查寻，不难发现故障点。,31,2、短路故障,短路故障是指连线或连线点短路造成电路出现异常的现象。例如：电源正端和地短路会造成电源电压为零；局部逻辑线混连，会出现逻辑混乱错误。有的短路故障比较隐蔽，需要耐心仔细分析和耐心寻找才能发现。最常用查找短路故障的方法是：将电路断电后用万用表的欧姆档测电阻值，若发现电路中无直接电气连接的两节点之间电阻值为零（或极小），可判为短路。,32,3、集成电路芯片故障,集成

16、电路芯片故障是指集成电路芯片的功能不正常。这类故障的特点或是：集成电路烫手；集成电路电源端的电压过低；芯片的输入端有规定的逻辑电平而输出没有正确的逻辑电平。通过用手触摸，或是测量电源管脚的直流电压，或是输入逻辑信号进行测试就可发现故障点或可疑点。之后，更换可疑集成电路芯片，再测电路进行判断。由于芯片的管脚折断或折弯而未能插入实验板引起的故障往往体现在芯片的逻辑功能不能实现，这种故障需要进行仔细查找才能找到。,33,当怀疑芯片坏了时，对于SSI或功能简单的MSI，可以通过测试它的逻辑功能，迅速做出判断。检查时，一般需要将被查对象从电路中分离出来，即将其输入、输出同其他电路断开，再根据其逻辑功能进

17、行检查。例如，检查一个多输入“与非”门，当其输入全“1”时，输出应为“0”；如果有一个输入端为“0”，则输出为“1”。通过检查如果不符合上述情况，就说明该门已经损坏。又例如，在检查8选1数据选择器时(使能端确已接好)，使地址输入分别为000111，看输出是否分别与D0D7相同，即可做出判断。对于复杂的MSI或LSI，可以用专用的集成电路测试仪来进行测试。,集成电路芯片故障,34,4、检查电路的一般方法,对于组合电路，主要检查输入、输出信号之间的逻辑关系是否能得到实现。对于时序电路，应首先检查时钟信号是否加上，以及是否满足电路对时钟的要求（时钟脉冲频率、高低电平、上升下降时间等）；再查使能端、清

18、零端、置位端(不能悬空，避免引入干扰)是否按要求接好。然后按照电路的逻辑功能，分别检查各级电路的输入、输出关系引脚，用示波器（置DC偶合）看电压是否正常。,35,在检查电路时，应按照电路的逻辑功能进行推理分析，一步步缩小故障范围，最后找出故障加以排除。这样查错的方法，比盲目地反复检查布线要迅速、可靠得多。对于有故障的多级电路，为了减少调测工作量，可先把可疑的范围分作两个区，通过检测，判定前后两个部分究竟哪一部分有故障；然后再将有故障的部分继续进行对分检测，直到找出故障为止。,检查电路的一般方法,36,对于CMOS电路要预防锁定效应。CMOS电路特有一种失效模式锁定效应，也称作可控硅效应，这是器

19、件的固有的故障现象。其原因是由于器件内部存在正反馈。消除了正反馈形成条件，即可预防锁定效应。正反馈形成条件可能是下述情况之一：输入信号电压高于VDD或者低于VSS；用手触摸输入引脚；加直流信号和脉冲信号的顺序不正确。断开电源，稍后重加电源并纠正错误的操作方法可消除锁定效应,检查电路的一般方法,37,在实验中完全不出故障是不可能的。要求我们做到：实验前准备充分，实验时操作细心，将故障减少到最低限度。出现故障时应开动脑筋，自觉应用所学知识，仔细分析，认真检查，积累经验，不断提高解决问题的能力。,检查电路的一般方法,38,二、连续时间系统的模拟,求解系统响应的问题，实际上就是求解微分方程的问题。一些

20、实际系统的微分方程可能是高阶方程或是一微分方程组。在电学中，系统的模拟就是用由基本运算单元电路组成的模拟装置来模拟实际系统。实际系统可以是电的或非电的物理系统，其激励和响应不一定是电物理量。模拟装置可以与实际系统的内容完全不同，其激励和响应是电物理量。但是两者的微分方程完全相同，输入输出关系即传输函数也完全相同。所以，可以通过对模拟装置的研究来分析实际系统。对于那些用数学手段较难处理的高阶系统来说，系统模拟就更为有效。,1、基本概念,39,在Multisim 2001软件中，运用其控制器件库所提供的加法器、积分器、比例放大器等模块可简便、有效地用于构成系统模拟电路，实现系统仿真分析。使得这种仿

21、真过程变的更为简便，有效。本次实验要求运用Multisim 2001仿真软件对电工电子实验技术下册P147的图9-9和图9-10电路的传输特性（幅频特性、相频特性）分别作时域求解和复频域（系统模拟）求解并比较结果。,40,时域求解图9-9电路的传输特性启动Multisim 2001讲解时域求解（电工电子实验技术下册P147图9-9）,2、仿真软件运用（时域求解）,41,(一）将时域电路转换成复频域等效电路并求传递函数 时域电路：复频域电路：,3、仿真软件运用（系统模拟）,V2,C,1F,1k,C,V1,1F,1k,V1(S),1000,1000,V2(S),传递函数：,42,（二）把传输函数化

22、成Multisim所需的标准形式,(A)真分式：算子S 在分子的幂次不高于分母的幂次。(B)因需用积分器仿真，算子S 应化成S-n 形式。(C)分母的常数项化成1。,例如：,43,（三）在Multisim下构建系统模拟电路,应遵循以下几个原则:(1)系统模拟电路输入端必用加法器模块对输入信号和反馈信号求和，加法器输出送积分器模块。(2)根据S 的最高幂次n，取出n个积分器模块串接。(3)每个算子S的系数使用比例放大器模块。(4)传输函数H(S)的分子是输出项，分子中各项比例放大器模块的输出用加法器求和后成为系统输出（只有一项时不用加法器）。分母是负反馈项，其系数（比例放大器的输出）正、负异号后送输入端加法器。(5)分母中为1的常数项不用任何运算模块启动Multisim 2001演示系统模拟,44,（四）教材*P147图9-10 二阶带通电路,时域电路：复频域电路：,L,R,V1,V2,0.1F,5.6mH,20,传递函数：,R,20,V1(S),V2(S),45,天道酬勤谢谢,