用标准数字芯片实现数字系统时的安装与调测

4.5.1　用标准数字芯片实现数字系统时的安装与调测

在完成数字系统理论设计后，要对设计方案进行装调实验。通过测量、调试可以发现并纠正理论设计方案中的错误和不足之处，并可以掌握实际的数字系统正常运行时的各项指标、参数、工作状态、动态情况和逻辑功能等。因此，装调工作是检验、修正设计方案的实践过程，是应用理论知识来解决实践中各种问题的关键环节，是数字电路设计者必须掌握的基本技能。在装调实验时，为了修改方案和更换元器件的方便，通常在面包板上进行。在完成了总体实验且符合指标要求后，再进行印制版的设计、样机的组装和调测。下面简要介绍数字系统实验电路的安装调测。

1.数字集成电路芯片的功能检测

在安装实验电路之前，对所选用的数字集成电路芯片，应进行功能检测，以避免由于芯片的功能不正常而增加调试的困难。一般可以用数字芯片测试仪进行测试。

2.实验的安装与布线

数字系统的设计是自上而下，但在安装调测数字系统时都是自下而上、分块安装、分块调测。其方法如下：

（1）集成芯片的插接

插接集成芯片前，应首先安排好主要芯片位置，画出芯片排列图，以避免布局的不合理或互连线过长、过乱。

插接芯片时首先认清方向，不要倒插。安装时应对准面包板插孔的位置，将芯片插牢，并防止芯片管脚弯曲或折断。

（2）导线的选用

布线用的导线不宜太粗，以免损坏面包板的插孔；也不宜太细，以免与插孔接触不良。导线的剥口不宜太长或太短以免与插孔接触不良，大约5～7mm为合适。

为了检查电路方便，导线最好用多种颜色，以区别不同用处，如用红色导线接电源，用黑色导线接地线等。

（3）布线的顺序

布线时应先将固定电平的端点接好，如电源线、地线、门电路的多余输入端以及实验过程中始终不改变电平的输入端（如触发器的清零端R或置位端S等）。然后按信号的流向顺序对所划分的子系统逐一布线。布线时注意导线不宜太长，最好贴近面包板并在芯片周围走线，应尽量避免导线重叠，切忌导线跨越芯片的上空，杂乱地在空中搭成网状。正确布线的实验板，电路清晰，整齐美观，既提高了电路工作的可靠性，又便于修正电路或更换器件，也便于检查和排除故障。

每一部分电路安装完毕后，不要急于通电。应先认真检查电路接线是否正确，包括错线、少线和多线。查线时，最好用万用表来测试，而且应尽量直接测量元器件引脚，这样可以同时发现接触不良的地方。

3.数字系统的调试

调试就是对安装后的电路进行参数和工作状态测试。一般来说，数字系统的调试分为两步进行。首先进行分调（即按逻辑划分的模块进行调试），然后进行整机调试（即总调）。

（1）调试的要求

①应吃透调试对象的工作原理和电路结构，明确调试的任务。即搞清楚调试的是什么电路，电路输入输出间的关系如何，正确情况下输入和输出信号的幅度、频率、波形怎样，做到心中有数。

②应在电路实际工作状态下（如接上负载，输入额定高、低电平等）进行测量。

③从实际出发选用仪表，尽量使用简便的测量方法，并注意设备和人身安全。

④养成边测量、边记录、边分析的良好习惯，培养认真、求实的科学态度和工作作风。

（2）测试的基本内容

数字电路测试的基本项目是静态测量和动态测量。通常是按先静态后动态进行测试。

静态测量是测量电路在没有输入信号或加固定电平信号时各点的电位。一般采用内阻较高的万用表或示波器进行测量。

动态测量是测量电路输入端引入合适输入脉冲信号时，各处的工作状态。测量时包括输入输出脉冲波形、幅度、脉宽、占空比等脉冲参数或其他技术指标。一般选用合适的脉冲信号发生器、双踪示波器或逻辑分析仪进行测量。

（3）调试方法

数字电路的调试工作包括测量和调整。通过测量可以掌握大量的数据、波形等，然后对电路进行分析和判断，把实际观察到的现象和理论预计的结果加以定量比较，从中发现电路在设计和安装上的问题，从而提出调整和改进的措施。

通常调试工作是按信号的流程逐级进行。可以从输入端向输出端推进，也可以从输出端向输入端倒推，直到使电路达到预定的设计要求为止。

4.数字系统中的噪声

所谓电子电路中的噪声，就是对信号进行干扰，对信息传递进行阻碍和扰乱。

数字系统设计完成时画出的逻辑图，并未考虑元件间的距离、寄生电阻、寄生电容和寄生电感，而实物是组装成一体的具体电路。因此，数字系统在安装设计时，都要通过多种途径来克服噪声。

噪声侵入数字系统的途径可以是天线（不用的TTL系列的输入端悬空就相当于一根天线）、电源线、接地线、输入输出线。噪声源与电路之间以有线或无线方式形成的无用耦合，就会造成干扰。抑制噪声的一般原理是切断噪声源、减小噪声耦合、提高线路抗干扰容限。下面就数字系统中常见的噪声源及其抑制方法做一简要介绍。

（1）常见噪声源

①外部辐射噪声

这些噪声源一般是高电压、快速上升的脉冲信号、大电流，它们都是以无线方式，通过静电耦合（寄生电容）或电磁耦合（线圈、变压器）形成干扰。这类噪声都可以采用屏蔽技术来消除。而数字系统中主要是静电耦合形成干扰，抑制的方法是采用同轴屏蔽电缆做连线。

②内部噪声

a.当数字系统中各集成电路共用一个电源时，电源内阻和接线阻抗所形成的公共阻抗，可能使一个集成芯片产生的噪声到达另一个集成芯片，引起噪声干扰，而这类噪声是普遍存在的。为此，建议在电源和地之间直接跨接一个去耦电容C_d。此去耦电容C_d一般用几十或几百微法的电解电容。在高频或开关速度较高的数字系统中，还应有一个0.1μF的小电容与电解电容并联。

b.精心设计的接地系统，能在系统设计中消除许多噪声引起的干扰。尤其是模拟电路、数字电路，甚至机电系统的混合体更是如此。因此，在设计接地时，模拟和数字系统都应尽量有自己的电源。模拟地和数字地只有一点接到公共地上，数字电路内部的接地方式尽量采用并联方式一点接地，否则会形成公共阻抗，引起干扰。

③传输线的反射

如果在一段导线上传播延迟比所传送的脉冲转移时间长的话，此段导线就可作为传输线来考虑。当传输线的阻抗不匹配时，就会产生反射。实际上，数字组件的输入、输出阻抗常常是变化的，只要导线较长且较细时，就可能产生反射，导致寄生振荡或形成波形过冲以及降低抗干扰容限。

④串扰噪声

当很多导线平行走线时，由于多支电流在相应的导线同时发生急剧变化，通过寄生耦合将产生线间串扰。串扰噪声与信号电平的大小、脉冲宽度、传输时间、上升时间及线长等均有关系，如长时钟线最容易因串扰而形成误动作。对于时钟速度较慢的电路，可以用加0.01μF的滤波电容来克服这种串扰影响。

（2）抑制噪声的方法

一个精心设计的数字系统，如果组装方法不好，也会成为抗干扰能力差的不稳定电路。所以，应尽量减小上述噪声影响。为此应注意以下几点：

①集成芯片不用的输入端悬空会起天线的作用。对于时序电路来说，即使有暂态噪声也会使电路产生误动作，故不用的集成芯片输入端不允许悬空，必须按逻辑功能接电源或地，或与信号端并联使用。

②TTL、CMOS器件开关动作时的电源电流变化非常大，是公共阻抗产生较大噪声的原因之一，所以必须使公共阻抗低。

③数字系统中的串扰、反射、公共阻抗噪声，都是由于集成电路电压、电流波形的陡峭前（后）沿引起的，因此，只要是超过所需速度的前（后）沿，便是噪声源。所以，在不损坏系统特性的范围内，适当加大上升（或下降）时间，也是减小噪声干扰的一种有效措施。

④三态输出电路在高阻态时电位不稳定，只要有一点外来干扰，就会产生频率非常高的振荡，并通过电磁耦合传给低电平电路，变成意料不到的噪声故障。为此，可在电源和三态电路的输出之间，接入一个不致形成明显负载的电阻。

⑤在使用CMOS电路时，其额定电压不可用到极限，并避免U_iH＞V_DD，U_iL＜V_SS。

5.数字系统中的故障

实践证明，数字系统出现故障的原因是多方面的，它包括接线错误、接点接触不良、元器件性能不稳或损坏、电路参数选择不合理、信号源或电源不合要求以及外部和内部噪声的影响等。其中接线错误占故障的一半以上。

排除任何故障的第一步，就是对可以观察到的故障现象进行分析，首先缩小故障范围，把故障缩小到一个电路或一个集成芯片内，再确定故障原因。

数字电路除三态电路以外，输出不是高电平就是低电平，不允许出现不高不低的状态。在数字系统中，一个IC的输入一般由若干个IC提供，而它的输出又经常带动多个IC电路的输入。同一故障一般由不同的原因引起。检查时可把故障块的输出和其他负载断开，测试其无负载电平，则可判断故障是来自负载，还是IC本身。

在电路中，当某个器件B静态电位正常，而动态波形有问题时，不一定是器件B本身有问题，而可能与为它提供输入信号的器件A的负载能力有关。当把器件A的负载断开，检查后边的电路，若它们的工作是正常的，说明器件A负载能力有问题，可以更换它。如果断开负载电路后仍存在问题，则要检查提供给器件B的输入信号波形是否符合要求。当输入信号经过施密特电路整形后再加入到IC输入端，检查输出波形是否还存在问题，若仍存在，则也必须更换器件B。