数字电路实验基本知识

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第一章
数字电路实验基本知识
一、小规模数字集成电路系列及封装
小规模数字集成电路中最常用的是TTL电路和CMOS电路。 常用的有74系列 40/45系列 TTL器件型号以74（或54）作为前缀的，称为74(工业)/54(军工)系列， 譬如74LS00、74F181、54S86等。 ? 高速CMOS电路HC（74HC系列） 。 ? 与TTL兼容的高速CMOS电路HCT(74HCT系列)。 ? TTL电路与COMS电路各有优缺点，TTL速度高，CMOS电路功耗小、电源范围大、抗 扰能力强。 ? ?
数字集成电路器件有多种封装形式。
DIP/ SOP/SOIC/ PLCC /TQFP/ PQFP/ TSOP BGA 中小规模集成电路常用下列两种封装形式 DIP —双列直插 SOP/SOIC —扁平封装 ?实验中所用的74系列器件封装选用双列直插式 （DIP），图1示是双列直插封装的正面示意图。
DIP封装特点
1、从正面看，器件一端有一个半圆缺口，这是正 方向的标志。IC芯片的引脚序号是依次半圆缺口 为参考点定位的，缺口左下边的第一个引脚编号 为1，IC引脚编号按逆时针方向增加。图中的数字 表示引脚编号。DIP封装的数字集成电路引脚数 有14、16、20、24、28等多种。
第8引脚
2、DIP封装的器件有两 列引脚，两列引脚之间的 距离能够作微小改变，但 引脚间距不能改变。将器 件插入实验平台上的插座 （面包板）或从其上拔出 时要小心，不要将器件引 脚搞弯或折断
第1引脚 引脚
第1引脚 引脚
第7引脚 引脚
3、74系列器件一般右下角的最后一个引脚是GND，右
上角的引脚是Vcc。例如，14引脚器件引脚7是GND；引 脚14 是Vcc；16引脚器件的8引脚是GND，16引脚是Vcc。 但也有例外，如16引脚的双JK触发器74LS76，引脚13是 GND，引脚5是Vcc。
因此，使用集成电路器件时要 先看清楚它的引脚分配图，找 对电源和地引脚，避免因接线 错误造成器件损坏。
VCC
GND
二、可编程逻辑器件封装
大规模可编程逻辑器件常采用PLCC/QFP/BGA等封装形 式 ? 数字电路实验系统上，使用的复杂可编程逻辑器件 EP1C3T144C8是144引脚的TQFP（Thin Quad Flat Package ）封装，图2是封装正面。器件的正面上方的小 圆点指示引脚1，引脚编号按逆时针方向增加，引脚2在引 1 2 脚1的左边，引脚144在引脚1的右边。 定位点 ? VCCINTER 内核电源 ? VCCIO 端口电源 ? GND 地端 ? EP1C3T144C8的电源引脚号有多个
三、数字电路逻辑状态与电平标准规定
数字电路是一种开关电路，开关的两种状态“开通”与“关断”，常 用二元常量0和1来表示。 ? 在VHDL中通常用 BIT 表述 bit or bit-vector ? 数字信号

按信号方向分输入与输出(in/out/inout/buff) ? 在数字逻辑电路中，区分逻辑电路状态“1”和“0”信号用电平来体现 信号的电平一般有两种规定，即正逻辑和负逻辑。 正逻辑规定，高电平表示逻辑“1”，低电平则表示逻辑“0”。 负逻辑规定，低电平表示逻辑“1”，高电平则表示逻辑“0”。 工程中多数采用正逻辑描述。 现在常用的电平标准有TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS、ECL、 PECL、LVPECL、RS232、RS485等， 还有一些速度比较高的LVDS、GTL、PGTL、CML、HSTL、SSTL等 各自的供电电源、电平标准以及使用注意事项 ? TTL : Transistor-Transistor Logic 三极管结构 Vcc：5V；VOH>=2.4V；VOL<=0.5V；VIH>=1.4V；VIL<=0.8V。 因为2.4V与5V之间还有很大空闲，对改善噪声容限并没什么好处， 又会白白增大系统功耗，还会影响速度。所以后来就把一部分“砍” 掉了。也就是后面的LVTTL。
三、数字电路逻辑状态与电平标准规定
(TTL续) LVTTL又分3.3V、2.5V以及更低电压的LVTTL(Low Voltage TTL)。 ? 3.3V LVTTL： Vcc：3.3V；VOH>=2.4V；VOL<=0.4V； VIH>=2V； VIL<=0.8V。 ? 2.5V LVTTL： Vcc：2.5V；VOH>=2.0V；VOL<=0.2V； VIH>=1.7V；VIL<=0.7V。 ? 更低的LVTTL不常用。多用在处理器等高速芯片，使用时查看芯片手 册就OK了。 TTL电平输入脚悬空时是内部认为是高电平。
三、数字电路逻辑状态与电平标准规定
CMOS： Complementary Metal Oxide ： Semiconductor PMOS+NMOS Vcc：5V；VOH>=4.45V；VOL<=0.5V； VIH>=3.5V； VIL<=1.5V。 相对TTL有了更大的噪声容限，输入阻抗远大于TTL输入阻 抗。对应3.3V LVTTL，出现了LVCMOS，可以与3.3V的LVTTL直接 相互驱动。 ? 3.3V LVCMOS： Vcc：3.3V；VOH>=3.2V；VOL<=0.1V； VIH>=2.0V； VIL<=0.7V。 ? 2.5V LVCMOS： Vcc：2.5V；VOH>=2V；VOL<=0.1V； VIH>=1.7V；VIL<=0.7V。 ? CMOS使用注意：CMOS结构内部寄生有可控硅结构，当输入或输入 管脚高于VCC一定值(比如一些芯片是0.7V)时，电流足够大的话，可 能引起闩锁效应，导致芯片的烧毁。
四、数字电路测试机故障查找、排除
1.数字电路测试
数字电路静态测试指的是，给定数字电路若干组静态输入 值，测定数字电路的输出值是否正确。数字电路状态测试 的过程是在数字电路设计好后，将其安装连接成完整的线 路，把线路的输入接到电平开关上，线路的输出接到电平 指示灯（LED）,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。 ? 数字电路电平测试是测量数字电路输入与输出逻辑电平 （电压）值是否正确的一种方法。数字逻辑电路中，对于 74系列TTL集成电路要求，输入低电平≤0.8V，输入高电 平≥1.4V。74系列 TTL集成电路数出低电平≤0.2V，输出 高电平≥3.5V

。 ? 静态测试是检查设计与接线是否正确无误的重要一步。 ? 动态测试：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。
2.故障查找与排除
在数字逻辑电路实验中，出现问题是难免 的。重要的是分析问题，找出出现问题的 原因，从而解决问题。一般地说， 由三方 面的原因产生问题（故障）:器件故障、接 线错误、设计错误。
a.器件故障
器件故障是器件失效或接插问题引起的故障，表 现为器件工作不正常，这需要更换一个好器件。 器件接插问题，如管脚折断或器件的某个（或某 些）引脚没有插到插座中等，也会使器件工作不 正常。对于器件接插错误有时不易发现，需要仔 细检查。判断器件使小的方法是用集成电路测试 仪测试器件。需要指出的是，一般的集成电路测 试仪只能检测器件的某些静态特性。对负载能力 等静态特性和上升沿、下降沿、延迟时间等动态 特性，一般的集成电路测试仪不能测试。测试器 件的这些参数，须使用专门的集成电路测试仪。
b.接线错误
在教学实验中，最常见接线错误有漏线错误和布 线错误。漏线的现象往往是忘记连接电源和地、 线路输入端的悬空。 悬空的输入端可用三状态逻 辑笔或电压表来检测。一个理想的 ＴＴＬ电路逻 辑“０”电平在 0.2～0.4Ｖ之间，逻辑“ｌ”电 平在２.４～３.６Ｖ之间，而悬空点的电平大约在 １.6～１.8Ｖ之间。ＣＭＯＳ的逻辑电平等于实 际使用的电源电压和地线。接线错误会使器件 （不是ＯＣ门）的输出端之间短路。两个具有相 反电平的ＴＴＬ集成电路输出端，如果短路以后 将会产生大约０.6Ｖ的输出电压。
c.设计错误
设计错误自然会造成与预想的结果不一致。原因是所用器件的原理没 有掌握。在集成逻辑电路实际应用中，不用的输入端是不允许悬空的。 因为由于电磁感应，悬空的输入端易受到干扰产生噪声，而这种噪声 有可能被逻辑门当作输入逻辑信号，从而产生错误输出信号。因此， 常把不用的输入端与有用的输入端连接到一起，或根据器件类型，把 它们接到高电平或低电平。在带有触发器的电路中，未能正确处理边 沿转换时间和激励信号变化时间之间的关系。 ? 当实验中发现结果与预期不一致时，应仔细观测现象，冷静分析问题 所在。 首先检查仪器、仪表的使用是否正确。在正确使用仪器、仪表的前提 下，按逻辑图和接线图查找问题出现在何处。查找与纠错是综合分析、 仔细推究的过程，有多种方法，但以“二分法”查错速度较快。所谓 “二分发”是

将所设计的逻辑电路从最先信号输入端到电路最终信号 输出端之间的电路一分为二，在中间找到切入点，断开后半部分电路， 对前半部分电路进行分析、测试，确定前半部分电路是否正确，如前 半部分电路不正确，在对其半部分电路再分为二，以此类推，只要认 真分析、仔细查找，总会就错成功。
五、 数字系统设计实验步骤
手工设计过程 1.实验设计 2.选择器件 3.布局 4.布线 5.实验测试、调试与记录 6.撰写实验总结报告 EAD设计流程 1.设计输入 2.综合 3.适配 4.前仿 5.编程/下载 6.硬体测试
6.撰写实验总结报告(A)
验证性实验报告书写格式 ? (1)实验内容 ? (2)实验目的 ? (3)实验设备 ? (4)实验方法与手段 ? (5)实验原理图 ? (6)实验现象（结果）记录,分析 ? (7)实验结论与体会
6.撰写实验总结报告(B)
设计性实验报告书写格式
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ××××××设计与总结报告 摘要 一：方案设计与论证 方案1： 方案2： 方案论证： 方案选定： 二：电路设计 1、×××单元电路设计,仿真 2、×××单元电路设计,仿真 ………… X 系统电路以及软件设计的流程图 三：测试方法与测试结果 1、测试仪器： 2、测试方法： 3、测试结果： 四：问题讨论

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