數(shù)字電子技術(shù)實驗1-4

1、第三部分：數(shù)字電子技術(shù)實驗第三部分：數(shù)字電子技術(shù)實驗實驗一 晶體管開關(guān)特性限幅器與箝位器一、 實驗目的1、 觀察晶體管的開關(guān)特性，熟悉外電路參數(shù)對晶體管開關(guān)特性的影響。2、 掌握現(xiàn)現(xiàn)限幅器的基本工作原理。3、 掌握箝位器的基本工作原理。二、 實驗原理1、二極管的開關(guān)過程是結(jié)電容充、放電和存貯電荷建立與消散的過程。二級管的開啟和關(guān)斷不可能在瞬間完成。如圖3-1-1所示，當加在二級管上的電壓突然由正向偏置變?yōu)榉聪蚱脮r，二級管的截止過程存在反向恢復時間tR=tS+tF,其中tS稱為存貯時間，tF稱為下降時間。tS和tF值的大小取決于二級管的結(jié)構(gòu)，同時也與外電路的參數(shù)有關(guān)。二級管正向電流越大，tS值

2、越大；所加截止偏壓越大，tS值越小。由于tR的存在，限制了開關(guān)速度的提高，所以應合理地選擇電路元件參數(shù)以減小二極管的開關(guān)時間，限制了開關(guān)速度的提高，所以應合理地選擇電路元件參數(shù)以減小二極管的開關(guān)時間，提高開關(guān)速度。 圖3-1-1二級管開關(guān)特性 圖3-1-2晶體管開關(guān)特性1、 晶體管的開關(guān)過程主要與晶體管內(nèi)部存貯電荷（主要是基區(qū)存貯電荷）的建立和消散過程有關(guān)，因此晶體管從截止到飽和與從飽和到截止狀態(tài)的轉(zhuǎn)換都需要時間。晶體管的開關(guān)特性如圖3-1-2所示，其中開啟時間ton=td（延遲時間）tr（上升時間）；關(guān)閉時間toff=ts（存貯時間）tf（下降時間）。與二級管的開關(guān)參數(shù)一樣，這些差數(shù)也主要取

3、決于晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時與外電路的參數(shù)有關(guān)。例如，加大基極正向驅(qū)動電流可以減小tr，但同時加深了晶體管的飽和程度，tc也隨之增加；而若加大反向驅(qū)動電流，ts和tf都將減小，但截止程度也相應加深，對減小td不利。開關(guān)時間的存在使晶體管開關(guān)速度受到限制，為了減小開關(guān)時間，應選擇合適的負載電阻Rc，減小輸出電容Co，此外，在基極串聯(lián)電阻上并聯(lián)一個加速電容，或在集電極接入限幅二極管D，都可以使輸出波形的邊沿得到明顯的改善。2、 限幅器是一種波形交換電路，可以用二級管和晶體管等非線性器件構(gòu)成。二級管限幅器是利用二極管導通和截止時呈現(xiàn)的阻抗不同來實現(xiàn)限幅的，其限幅電平由外接偏壓決定。晶體管限幅使輸出波形

4、出現(xiàn)平頂，飽和限幅使輸出波形出現(xiàn)平底，如同時利用這兩個特性，可以實現(xiàn)雙向限幅。若使晶體管的靜態(tài)工作點處于負載線線性區(qū)的中點，則能實現(xiàn)上下對稱的線幅。3、 箝位的目的是將脈沖波形的頂部或底部箝制在一定的電平上，從而避免脈沖信號通過阻容耦合電路時產(chǎn)生的波形漸移現(xiàn)象。利用二級管和晶體管的非線性特性均可實現(xiàn)對波形的箝位。通常在阻容耦合電路后面并聯(lián)一個二級管，并加上適當偏壓，可以將輸出波形的頂部（或底部）箝制在所需的電平上，這種箝位稱位頂部（或底部）箝位。三、實驗設(shè)備與器件l、函數(shù)發(fā)生器 2、雙蹤示波器3、晶體管直流穩(wěn)壓電源 4、數(shù)字萬用表5、數(shù)字電子技術(shù)試驗箱 6、器材：2AK2、2CP22、3DG6

5、A、3DK2四、實驗內(nèi)容l、二級管反向恢復時間的觀察按圖3-1-3（a）連接電路，其中二極管選用2cp22將XC13型脈沖信號發(fā)生器輸出得矩形脈沖信號加到實驗電路的輸入端。信號發(fā)生器的頻率調(diào)至100kz，延遲和上升、下降沿調(diào)到最小，脈寬調(diào)節(jié)到5s左右，調(diào)節(jié)幅度旋鈕使V3V，極性開關(guān)置于一倒置位置，偏移旋鈕順時旋到底（即偏移為1V）。觀察實驗電路輸出信號V0的波形，改變偏移大小，觀察波形的ts與tf的變化規(guī)律。 （a） （b） 圖 3-1-3觀察二級管反向恢復時間的實驗電路如果所使用的脈沖信號發(fā)生器的輸出直流電平不可調(diào)，則可按圖3-1-3（b）連接電路，用改變偏壓E（由0V變化到2V）的 方法觀

6、察輸出信號V0波形的ts與tf的變化規(guī)律。記錄觀察結(jié)果，并進行分析。2、晶體管開關(guān)特性的觀察實驗電路如圖3-1-4所示，其中晶體管選用3DG6A。輸入信號Vi為周期T10s、幅度Vp-p3V的方波信號。（1）將B點接至負電源Eb。調(diào)節(jié)負電源使Eb在0V4V內(nèi)變化，觀察并紀錄輸出信號V0波形的td，tr，ts，tf的變化規(guī)律。本項實驗結(jié)束時，將B點接地。（2）在Rb1上并接加速電容Cb30pf，觀察并記錄輸出波形的變化情況。將Cb更換為300pf，觀察并記錄輸出波形的變化情況。 本項實驗結(jié)束時，將并接的加速電容去掉。（3）在電路的輸出端接入負載電容Cb30pf，觀察并記錄輸出波形的變化情況。本項

7、實驗結(jié)束時，Cb保留在電路上。（4）在電路的輸出端接入負載電阻Rb1k，觀察并紀錄輸出波形的變化情況。本項實驗結(jié)束時，將Rb去掉。圖3-1-4 晶體管開關(guān)特性實驗電圖3、二級管限幅器實驗電路如圖3-1-5所示。輸入信號Vi為f10KHz、Vp-p4V的正弦波。按表3-1-1的要求改變E的數(shù)值，觀察輸出信號Vo的波形，并紀錄于表中。表3-1-1 限幅器輸出波形E（V）2101輸出信號V0波形2、 二級管箝位器按圖3-1-6連接電路。輸入T10s、Vp-p3V的方波信號。按表3-1-2的要求改變E的數(shù)值，觀察輸出信號V0的波形，并記錄于表中。 圖3-1-5 二極管限幅器 圖3-1-6 二級管箝位器

8、表3-1-2 箝位器輸出波形E（V）2101輸出信號V0波形五、實驗預習要求1、復習二級管與晶體管的開關(guān)特性2、復習限幅器的工作原理，熟悉實驗電路。3、復習箝位器的工作原理，熟悉實驗電路。4、擬定各實驗任務(wù)中使用示波器測試的測試方法。六、實驗報告1、實驗測得的波形必須畫在方格紙上，并對它們進行分析與討論。2、根據(jù)對晶體管開關(guān)特性的觀察結(jié)果，總結(jié)外電路元件參數(shù)對晶體管開關(guān)特性的影響。實驗二 門電路一、 實驗目的1. 掌握常見TTL集成門電路邏輯功能。2. 掌握各種門電路的邏輯符號。3. 了解集成電路的外引線排列及其使用方法。二、實驗原理集成邏輯門電路是最簡單、最基本的數(shù)字集成元件。任何復雜的組合

9、電路和時序電路都可用邏輯門通過適當?shù)慕M合連接而成。目前已有門類齊全的集成門電路，例如“與門”，“或門”，“非門”，“與非門”等。雖然，中、大規(guī)模集成電路相繼問世，但組成某一系統(tǒng)時，仍少不了各種門電路。因此，掌握邏輯門的工作原理，熟練、靈活地使用邏輯門是數(shù)字技術(shù)工作者所必備的基本功之一。TTL門電路TTL集成電路由于工作速度高、輸出幅度較大、種類多、不易損壞而使用較廣，特別對學生實驗論證，選用TTL電路比較合適。因此，本書大多采用74LS（或74）系列TTL集成電路。它的工作電源電壓為5V正負0.5V。邏輯高電平1時2.4V,低電平0時0.4V。圖3-2-1為2輸入“與門”，2輸入“或門”，2輸

10、入4輸入“與非門”和反相器的邏輯符號圖。它們的型號分別是74LS08 2輸入端四“與門”，74LS32 2輸入端四“或門”，74LS00 2輸入端四“與非門”，74LS20 4輸入二“與非門”和74LS04 六反相器（反相器即“非門” ）。各自的邏輯表達式分別是：與門QAB，或門其QAB，與非門Q= ,Q=,反相器Q。圖3-2-1TTL集成門電路外引腳分別對應邏輯符號圖中的輸入、輸出端。電源和地一般為集成塊的兩端，如14腳集成電路，則7腳為電源地（GND），14腳為電源正（Vcc），其余引腳為輸入和輸出，如圖3-2-2所示。外引腳的識別方法是：將集成塊正面對準使用者，以凹口左邊或小標志點“”為

11、起始腳1，逆時針方向向前數(shù)1，2，3n腳，使用時，查IC手冊即可知各管腳功能 圖3-2-2 集成電路管腳排列 圖3-2-3 TTL門電路實驗接線圖三、實驗設(shè)備與器件1、 數(shù)字電子技術(shù)實驗臺 2、 集成電路：74LS00，74LS02，74LS04，74LS08，74LS20，74LS32四、實驗內(nèi)容1、TTL門電路邏輯功能驗證（1） 按圖3-2-1在實驗系統(tǒng)（箱）上找到相應的門電路。并把輸入端接實驗箱的邏輯開關(guān)，輸出端接發(fā)光二級管，如圖3-2-3（a）所示TTL與門電路邏輯功能驗證接線圖。若實驗系統(tǒng)上無門電路集成元件，可把相應型號的集成電路插入實驗箱集成塊空插座上，再接上電源正、負極，輸入端接

12、邏輯開關(guān)，輸出端接LED發(fā)光二級管，即可進行驗證實驗，如圖3-2-3（b）所示。（2） 按狀態(tài)表3-2-1中“與門”一欄輸入A、B（0、1）信號，觀察輸出結(jié)果（看LED備用發(fā)光二級管，如燈亮為1，燈滅為0）填入表3-2-1中 表3-2-1 門電路邏輯功能表輸 入輸 出與門或門與非門反相器D（K4）C（K3）B（K2）A（K1）QABQ=A+BQ=Q=Q00000101101011113、 用門電路完成下列邏輯變換，并畫出邏輯線路圖：（1） Q=AB+CD（2） Q=B+C（3） Q=(AB+CD) 五、實驗報告1. 畫出實驗用門電路的邏輯符號，并寫出其邏輯表達式2. 整理實驗表格3. 畫出門電

13、路邏輯變換的線路圖。六、預習要求1. 復習門電路的邏輯功能及邏輯函數(shù)表達式。2. 查找集成電路手冊，畫好進行實驗用各芯片管腳圖、實驗接線圖。3. 畫好實驗用表格實驗三 集電極開路門與三態(tài)門一、實驗目的1. 掌握TTL集電極開路門(OC門)的邏輯功能及應用。2. 了解集電極負載電阻RL對集電極開路門的影響。3. 掌握TTL三態(tài)輸出門(TSL門)的邏輯功能及應用。二、實驗原理數(shù)字系統(tǒng)中有時需要把兩個或兩個以上集成邏輯門的輸出端直接并接在一起完成一定的邏輯功能。對于普通的TTL門電路。由于輸出級采用了推拉式輸出電路, 無論輸出是高電平還是低電平, 輸出阻抗都很低。因此, 通常不允許將它們的輸出端并接

14、在一起使用。集電極開路門和三態(tài)輸出門是兩種特殊的TTL門電路, 它們允許把輸出端直接并接在一起使用。1. TTL集電極開路門(OC門)本實驗所用OC與非門型號為2輸入四與非門74LS03, 內(nèi)部邏輯圖及引腳排列如圖3-3-1(a)、(b)所示。OC與非門的輸出管V3是懸空的, 工作時, 輸出端必須通過一只外接電阻RL和電源EC相連接, 以保證輸出電壓符合電路要求。(a) (b)圖3-3-1OC門的應用主要有下述三個方面(1) 利用電路的“線與”特性方便的完成某些特定的邏輯功能。圖3-3-2所示, 將兩個OC與非門輸出端直接并接在一起, 則它們的輸出 即把兩個(或兩個以上)OC與非門“線與”可完

15、成“與或非”的邏輯功能。(2) 實現(xiàn)多路信息采集, 使兩路以上的信息共用一個傳輸通道(總線)。(3) 實現(xiàn)邏輯電平的轉(zhuǎn)換, 以推動熒光數(shù)碼管、繼電路、MOS器件等多種數(shù)字集成電路。OC門輸出并聯(lián)運用時負載電阻RL的選擇。圖3-3-3所示電路由n個OC與非門“線與”驅(qū)動有n個輸入端的N個TTL與非門，為保證OC與非門輸出電平符合邏輯要求, 負載電阻RL阻值的選擇范圍為式中: IOH OC門輸出管截止時(輸出高電平UOH)的漏電流(約50mA)ILM OC門輸出低電平UOL時, 允許最大灌入負載電流(約20mA)IiH 負載門高電平輸入電流(50mA)IiL 負載門低電平輸入電流(1.6mA)EO

16、 RL外接電源電壓n OC門個數(shù)N 負載門個數(shù)m 接入電路的負載門輸入端總個數(shù)RL值須小于RLmax, 否則UOH將下降, RL值須大于RLmin, 否則UOL將上升, 又RL的大小會影響輸出波形的邊沿時間, 在工作速度較高時, RL應盡量選取接近RLmin。除了OC與非門外, 還有其它類型的OC器件, RL的選取方法也與此類同。圖3-3-2 圖3-3-32. TTL三態(tài)輸出門(TSL門)TTL三態(tài)輸出門是一種特殊的門電路, 它與普通的TTL門電路結(jié)構(gòu)不同, 它的輸出端除了通常的高電平、低電平兩種狀態(tài)外(這兩種狀態(tài)均為低阻狀態(tài)), 還有第三種輸出狀態(tài)高阻狀態(tài)，處于高阻狀態(tài)時, 電路與負載之間相

17、當于開路。圖3-3-4是三態(tài)輸出四總線緩沖器的邏輯符號, 它有一個控制端(又稱禁止端或使能端)E，E=0為正常工作狀態(tài), 實現(xiàn)Y=A的邏輯功能; =1為禁止狀態(tài), 輸出Y呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。這種在控制端加低電平時電路才能正常工作的工作方式稱低電平使能。三態(tài)輸出門接邏輯功能及控制方式分有各種不同類型，在實驗中所用三態(tài)門的型號是74LS125(三態(tài)輸出四總線緩沖器)， 圖3-3-5是它的引腳排列。表3-3-1為其功能表。三態(tài)電路主要用途之一是實現(xiàn)總線傳輸, 即用一個傳輸通道(稱總線), 以選通方式傳送多路信息。圖3-3-6所示, 電路把若干個三態(tài)TTL電路輸出端直接連接在一起構(gòu)成三態(tài)門總線, 使用時,

18、要求只有需要傳輸信息的三態(tài)控制端處于使能態(tài)(=0)其余各門皆處于禁止狀態(tài)(=1)。由于三態(tài)門輸出電路結(jié)構(gòu)與普通TTL電路相同, 顯然, 若同時有兩個或兩個以上三態(tài)門的控制處于使能態(tài), 將出現(xiàn)與普通TTL門“線與”運用時同樣的問題, 因而是絕對不允許的。圖3-3-4 圖3-3-5表3-3-1輸 入輸 出EAY00101101高阻態(tài)三、實驗設(shè)備與器件1、 EEL08組件 2、 示波器 3、 直流電壓表 4、 2輸入四OC與非門74LS031 2輸入四三態(tài)非門74LS1251 六非門74LS041四、實驗內(nèi)容1. TTL集電極開路與非門74LS03負載電阻RL的確定。用兩個集電極開路與非門“線與”使

19、用驅(qū)動一個TTL非門(74LS04圖3-3-6 圖3-3-7六非門引腳排列如圖3-3-7所示。負載電阻由一個200W電阻和一個20K電位器串接而成，取Eo=5V, UoH=3.5V, UoL=0.3V，按圖3-3-8連接實驗電路。接通電源, 用邏輯開關(guān)改變兩個OC門的輸入狀態(tài), 先使OC門“線與”輸出高電平, 調(diào)節(jié)RP至使UoH=3.5V, 測得此時的RL即為RLmax, 再使電路輸出低電平UoL=0.3V, 測得此時的RL即為RLmin。圖3-3-8 圖3-3-92. 集電極開路門的應用(1) 用OC門實現(xiàn)F = +CD+實驗時輸入變量允許用原變量和反變量, 外接負載電阻RL自取合適的值。(

20、2) 用OC門實現(xiàn)異或邏輯。(3) 用OC電路作TTL電路驅(qū)動CMOS電路的接口電路, 實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。實驗電路如圖3-3-9所示。 在電路輸入端加不同的邏輯電平值, 用數(shù)字電壓表測量集電極開路與非門及CMOS與非門的輸出電平值。 在電路輸入端加1KHZ方波信號, 用示波器觀察A、B、C各點電壓波形幅值的變化。3. 三態(tài)輸出門(1) 測試74LS125三態(tài)輸出門的邏輯功能三態(tài)門輸入端接邏輯開關(guān), 控制端接單脈沖源, 輸出端接01指示器。逐個測試集成塊中四個門的邏輯功能, 記入表3-3-1中。2) 三態(tài)輸出門的應用圖3-3-10將四個三態(tài)緩沖器按圖3-3-10接線,輸入端按圖示加輸入信號, 控制端

21、接邏輯開關(guān), 輸出端接電平指標器, 先使四個三態(tài)門的控制端均為高電平“1”, 即處于禁止狀態(tài), 方可接通電源, 然后輪流使其中一個門的控制端接低電平“0”,觀察總線的邏輯狀態(tài)。注意， 應先使工作的三態(tài)門轉(zhuǎn)換到禁止狀態(tài)， 再讓另一個門開始傳遞數(shù)據(jù)。記錄實驗結(jié)果。表3-3-1輸 入輸 出EA001101五、實驗報告1. 畫出實驗電路圖, 并標明有關(guān)外接元件值。2. 整理分析實驗結(jié)果, 總結(jié)集電極開路門和三態(tài)輸出門的優(yōu)缺點。六、預習要求1. 復習TTL集電極開路門和三態(tài)輸出門工作原理。2. 計算實驗中各RL阻值, 并從中確定實驗所用RL值(選標稱值)。3. 畫出用OC與非門實現(xiàn)實驗內(nèi)容2(1)、(2

22、)的邏輯圖。4. 在使用總線傳輸時, 總線上能不能同時接有OC門與三態(tài)輸出門?為什么?實驗四 組合邏輯電路設(shè)計 （ 適用于計算機類、電子類工科專業(yè)）一、實驗目的：1、 學會用集成門芯片設(shè)計電路。2、 用實驗來驗證所設(shè)計的電路的邏輯功能。3、 了解消除冒險現(xiàn)象的方法。二、實驗任務(wù)：用集成門電路來實現(xiàn)下列三個任務(wù)之一的邏輯功能：（1） 設(shè)計一個數(shù)字鎖，該網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖一所示，其中A、B、C、D是四個代碼輸入端，E為開鎖控制輸入端。每把鎖都有規(guī)定的四位數(shù)字代碼 （如1011等），可由實驗者自已定義。如果輸入代碼符合該鎖的代碼，開鎖（控制輸入端E=1）時，鎖才能被打開（F1=1）；如果不符合開鎖代碼，則開鎖的時候，電路將發(fā)出報警信號（F2=1），要求使用最少的門電路來實現(xiàn)。實驗時，鎖被打開或報警可分別用兩個發(fā)光二極管輝光示意。代碼輸入控制輸入DCBAE控制電路F2F1報警信號輸出鎖開信號輸出圖3-4-1（2） 按表3-4-1的要求設(shè)計