数字逻辑电路实验基本知识

6．1　数字逻辑电路实验基本知识

1）数字集成电路封装

中、小规模数字IC中最常用的是TTL电路和CMOS电路。TTL器件型号以74（或54）作前缀，称为74／54系列，如74LS10、74F181、54S86等。中、小规模CMOS数字集成电路主要是4XXX／45XX（X代表0～9的数字）系列，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CMOS电路各有优缺点，TTL速度高，CMOS电路功耗小、电源范围大、抗干扰能力强。由于TTL在世界范围内应用极广，在数字电路教学实验中，我们主要使用TTL74系列电路作为实验用器件。

数字IC器件有多种封装形式。为了教学实验方便，实验中所用的74系列器件封装选用双列直插式。双列直插式封装有以下特点：

（1）正面（上面）看，器件一端有一个半园的缺口，这是正方向的标志。缺口左边的引脚号为1，引脚号按逆时针方向增加。双列直插式封装IC引脚数有8、14、16、20、24、28等若干种。

（2）双列直插器件有两列引脚。引脚之间的间距是2．54毫米。两列引脚之间的距离能够稍作改变，引脚间距不能改变。将器件插入实验台上的插座中去或者从插座中拔出时要小心，不要将器件引脚扭弯或折断。

（3）74系列器件一般右下角的最后一个引脚是GND，左上角的引脚是V_CC。例如，14引脚器件引脚7是GND，引脚14是V_CC；20引脚器件引脚10是GND，引脚20是V_CC。但也有一些例外，例如16引脚的双JK触发器74LS76，引脚13（不是引脚8）是GND，引脚5（不是引脚16）是V_CC。所以使用集成电路器件时要先看清楚它的引脚图，找对电源和地，避免因接线错误造成器件损坏。

本实验箱上的接线采用自锁紧插头、插孔（插座）。使用自锁紧插头、插孔接线时，首先把插头插进插孔中，然后将插头按顺时针方向轻轻一拧则锁紧。拔出插头时，首先按逆时针方向轻轻拧一下插头，使插头与插孔之间松开，然后将插头从插孔中拔出。不要使劲拔插头，以免损坏插头和连线。

必须注意，不能带电插、拔器件。插、拔器件只能在关断电源的情况下进行。

2）数字电路测试及故障查找、排除

设计好一个数字电路后，要对其进行测试，以验证设计是否正确。测试过程中，发现问题要分析原因，找出故障所在并解决它。数字电路实验遵循以下几点原则。

（1）数字电路测试

数字电路测试大体上分为静态测试和动态测试两部分。静态测试指的是，给定数字电路若干组静态输入值，测试数字电路的输出值是否正确。数字电路设计好后，在实验台上连接成一个完整的线路。把线路的输入接电平开关输出，线路的输出接电平指示灯，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。静态测试是检查设计是否正确，接线是否无误的重要一步。

在静态测试基础上，按设计要求在输入端加上动态脉冲信号，观察输出端波形是否符合设计要求，这是动态测试。有些数字电路只需要进行静态测试即可，有些数字电路则必须进行动态测试，一般地说，时序电路应进行动态测试。

（2）数字电路的故障查找和排除

在数字电路实验中，出现问题是难免的。重要的是分析问题，找出问题出现的原因，以便解决它。一般地说，有四个方面的原因产生问题（故障）：器件故障、接线错误、设计错误和测试方法不准确。在查找故障过程中，首先要熟悉经常发生的典型故障。

①器件故障

器件故障是器件失效或器件接插问题引起的故障，表现为器件工作不正常。不言而喻，器件失效肯定会引起工作不正常，这需要更换一个好器件。器件接插问题，如管脚折断或者器件的某个（或某些）引脚没插到插座中等，也会使器件工作不正常。对于器件接插错误有时不易发现，需仔细检查。判断器件失效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查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。

②接线错误

接线错误是最常见的错误。据统计，在教学实验中，70%以上的故障是由接线错误引起的。常见的接线错误包括忘记接器件的电源和地；连接线和插孔接触不良（连线经多次使用后，有可能外面的塑料包皮完好，但内部线断）；连线多接、漏接、错接；连线过长、过乱造成干扰。接线错误造成的现象多种多样，例如器件的某个功能模块不工作或者工作不正常，器件不工作或发热，电路中一部分工作状态不稳定等。解决方法大致包括：熟悉所用器件的功能及其引脚号，知道器件每个引脚的功能；器件的电源和地一定要接对、接好；检查连线和插孔是否接触良好；检查连线有无错接、多接、漏接；检查连线中有无断线。最重要的是接线前要画出接线图，按图接线，不要凭记忆随想随接；接线要规范、整齐，尽量走直线、短线，以免引起干扰。

③设计错误

设计错误自然会造成与预想的结果不一致。原因是对实验要求没有吃透，或者是对所用器件的原理没有掌握。因此实验前一定要理解实验要求，掌握实验线路原理，精心设计。初始设计完成后一般应对设计进行优化。最后画好逻辑图以及接线图。

④测试方法不正确

如果不发生前面所述三种错误，实验一般会成功。但有时测试方法不正确也会引起观测错误。例如，一个稳定的波形，如果用示波器观测，而示波器没有同步，则会造成波形不稳的假象。因此要学会正确使用所用仪器、仪表。在数字电路实验中，尤其要学会正确使用示波器。在对数字电路测试过程中，由于测试仪器、仪表加到被测电路上后，对于被测电路相当于一个负载，因此测试过程中也有可能引起电路本身工作状态的改变，这点应引起足够的注意。不过，在数字电路实验中，这种现象很少发生。

当实验中发现结果与预期不一致时，千万不要慌乱。应仔细观测现象，冷静思考问题所在。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，按逻辑图和接线图逐级查找问题出现在何处。通常从发现问题的地方，一级一级地向前测试，直到找出故障的初始发生位置。在故障的初始位置处，首先检查连线是否正确。确认接线无误后，接着检查器件引脚是否全部正确插入插座中，有无引脚折断、弯曲、错插问题。确认无上述问题后，取下器件测试，检查器件的好坏，或者直接换一个好器件。如果器件和接线都正确，则需要考虑设计问题。