数字电路与EDA实践教程

上篇 数字电路实验 第1章 数字电路实验基础 1.1 数字电路实验基础知识 数字电路逻辑设计是高等工科院校电类各专业重要的基础课，也是实用性、创造性、工程性较强的专业技术基础课.数字电路实验是依据教学、科研的具体要求进行电路设计、安装和调试，是具有较强实践性的一门课程.通过数字电路实验能够使学生巩固所学理论知识，培养实际运用知识的能力，逐步掌握数字电路从基本功能的实现到系统实现的方法，从而有效地培养学生解决实际问题的能力. 1.1.1 数字电路实验的特点 1.理论性较强 如果没有正确的理论指导，就不可能设计出性能稳定、符合实验要求的电路，就拟定不出正确的实验方案和步骤.所以，要做好数字电路实验，首先要学好数字电路逻辑设计这门理论课程. 2.工艺性较强 有了较成熟的实验方案，但由于工艺不合理，就不会取得满意的实验结果，可能得不出实验结论，甚至导致实验失败，因此，要认真掌握电子工艺技术. 3.测试技术要求较高 实验电路类型很多，不同电路的功能或指标不同，采用的测量仪器和方法也不同.所以，要熟练掌握基本电子测量技术和测量仪器的使用. 1.1.2 数字电路实验的基本过程 数字电路实验的基本过程包括：确定实验内容，选定*佳的实验方案和实验线路，拟定实验步骤，选择仪器和元器件，安装调试，总结书写实验报告. 1.1.3 实验预习 实验预习的好坏，直接关系到实验是否能顺利进行，也将直接影响到实验结果.所以，学生做实验前应按照每个实验前的实验预习要求严格进行准备，其中包括：实验的基本原理，仪器的基本使用方法，实验的设计思路及设计原理图，熟悉实验中所用的器件，写出实验的方法和步骤，记录数据的表格和波形坐标. 1.1.4 数字电路实验中的操作规范 正确的操作方法和操作程序，是顺利进行实验的保障.所以，要求在每个操作步骤之前要做到心中有数.要注意的问题如下： (1)直流电压和交流电源电压要满足实验要求. (2)要遵循正确的实验步骤，即先接线后通电，实验结束后先断电再拆线. (3)要确保连接点接触良好和电路布局合理，避免造成短路等故障. (4)要保证通电情况下不插拔器件. (5)要准确完整地记录实验数据并与理论值进行比较、分析. (6)实验结束后，整理实验仪器，清理实验台. 1.1.5 数字电路实验的布线原则 数字电路实验中的布线原则上应直观、合理，以消除或降低其他各种原因引起的干扰.实验当中，学生布线错误的情况很多，布线错误不仅会引起电路的故障，严重的还会造成元器件损坏，所以，合理科学的布线在数字电路实验中十分重要.正确布线的原则包括以下几点： (1)向数字逻辑EDA 实验箱上插集成电路芯片时，应注意缺口方向，一般实验用到的是双列直插式芯片，若缺口朝左的话，引脚序号从左下方的**个引脚开始，按逆时针方向依次递增至左上方的**个引脚. (2)插集成芯片时先校准芯片两排引脚，使之与实验箱上的插孔对应，轻轻将芯片插上，在确定引脚与插孔完全吻合后，再稍微用力将其插紧，以免造成集成电路芯片的弯曲或接触不良. (3)导线的选取：一般选直径为0.6~0.8mm 的单股导线，对于各种颜色的线学生可自行区分为不同的用途，一般电源线用红色线，地线用黑色线. (4)布线要做到有序进行，随意乱接易造成错接、漏接.接线方法很多，较好的方法是先接固定电平，然后接电源和地，再接门电路闲置输入端、触发器、计数器的置位复位端等，*后按输入输出依次布线. (5)连线避免过长，避免从集成芯片上方跨接，避免过多的线重叠交错，避免短线连接起来当作长线使用. (6)多个集成芯片一起使用时，注意集成元器件的合理布局.布线时，顺便对单个集成元器件进行功能测试.要养成这样一种良好的习惯，这样做不仅不会增加布线工作量，还可以减少排查故障的时间. (7)布线和调试工作往往要交替进行，对使用元器件较多的实验，可将总电路分成若干相对独立的部分，逐个布线、调试，然后再将各部分连接起来. 1.1.6 实验数据记录和实验报告要求 实验数据是实验过程中获得的**手资料，所以实验记录必须清楚、合理、正确，否则必须重复实验，找到原因.对于实验记录表格，学生可以自己设计. 实验报告是培养学生科学实验总结能力和分析思维能力的有效手段，也是一项重要的基本功训练，它能很好地巩固实验结果，加深对基本理论的认识和理解，从而进一步扩大知识面.实验报告是一份技术总结，要求文字简洁、内容清楚、图表工整，其中实验内容和结果是报告的主要部分，主要内容包括： (1)实验课题的方框图、逻辑图、状态图、真值表及文字说明等，对于设计性课题，还应有整个设计过程和关键的设计技巧说明. (2)实验记录和经过整理的数据、表格、曲线及波形图应使用专用实验报告简易坐标格，并且用三角板、曲线板等工具描绘，力求画得准确，不得随手示意画. (3)实验结果分析、讨论及结论，对讨论的范围没有严格要求，一般应对重要的实验现象、结论加以讨论，以便进一步加深理解.此外，对实验中的异常现象，可进行一些简要说明.对实验中的收获，可谈一些心得体会. 1.2 集成门电路基础知识 1.2.1 概述 数字电路研究的主要问题是输入输出信号之间状态变化的逻辑关系，即电路的逻辑功能，用逻辑“1”和“0”表示，它们分别代表高、低不同的电压范围，称其为高、低电平.一般有两种逻辑体制：正逻辑和负逻辑.正逻辑体制规定：高电平为逻辑值1，低电平为逻辑值0；负逻辑体制规定：低电平为逻辑值1，高电平为逻辑值0.如无特别说明，我们通常采用正逻辑体制. 基本逻辑门有与门、非门、或门，表示方法如表1.1所示. 表1.1 与、或、非基本逻辑门表示法 基本逻辑门可以构成复合逻辑门，其表示法如表1.2所示. 表1.2 复合逻辑门表示法 逻辑门由半导体开关元件构成，将这些开关元件与电阻等集成在一起，就构成了集成逻辑门.由互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconducGtor)材料构成的称CMOS逻辑门，由晶体管-晶体管逻辑(transistor-transistor-logic)材料构成的称TTL逻辑门. 1.2.2 CMOS逻辑门 CMOS集成逻辑门具有工艺简单、集成度高、抗干扰能力强、静态功耗低、工作稳定性好、开关速度高等优点，应用十分广泛.CMOS逻辑门作为开关元件，其开关需要一定的条件.下面根据非门的电压传输特性曲线，来分析元件的开关条件与逻辑电平的关系，如图1.1所示. 从图1.1可以看出，在1.5~3.5V 输入电压范围内，不易确定输出状态，为了保证元件工作的稳定性，制造了如下的电平范围标准： (1)输出高电平电压范围为VCC-0.1V~VCC.