电子线路实验_数字电路

《电子线路实验_数字电路》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子线路实验_数字电路（97页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、电子线路实验_数字电路,数字电路的主要元件是开关元件，早期的开关元件是电子管。20世纪40年 代末，体积小、重量轻、寿命长、耗电低的晶体管的出现，逐渐取代电子管， 并为集成电路的发展提供了工艺基础。20世纪50年代末，开始制造出集成电 路。今天已经由小规模、中规模发展到大规模和超大规模集成电路。其工作 速度也越来越高，耗电量越来越低。元件集成度的提高，减少了设备的焊点， 增强了整机工作的可靠性。总之，数字电路的发展与器件的改进密切相关， 集成电路的出现，促进了数字电路的发展。数字电路的应用范围十分广泛， 而且还在不断地发展。它不仅应用于计算机技术、雷达、电视、通讯、遥测 和遥控等方面，并且在核

2、物理技术、航空技术、激光技术、医药技术等各种 技术领域的控制设备和数字测量中，也发挥着重要的作用。可以预见，在国 民经济许多部门中将大量应用数字电路。,项目一 脉冲电路基础知识,脉冲电路就是脉冲波形的产生、整形和变换 的电路。脉冲电路是由两部分组成:惰性电路和开 关。开关的作用是破坏稳态,使电路出现暂态。在 数字电路中分别以“1”状态和“0”状态表示高 电平和低电平,此时电信号的波形是非正弦波。通 常，把瞬间突然变化、作用时间极短的电压或电流 称为脉冲信号，简称为脉冲。,教 学 要 点,1.掌握脉冲的基本概念及波形。2.掌握RC微分电路和积分电路的组成形式、形成条件、工作原理及功能。3.掌握微

3、分电路和积分电路的作用。,1.能正确选用测量仪器。2.会正确使用仪器进行测量。3.会根据要求连接电路完成实验并进行实验分析。,技 能 目 标,任务一 RC电路的应用,脉冲技术是现代技术中一个重要的方面， 已经广泛应用于电子计算机、自动控制、遥 控遥测、电视、广播、通讯等许多领域中。,1 脉冲基础知识,任务一 RC电路的应用,如图2-1-1所示，这种瞬间突然变化、 作用时间极短的电压或电流称为脉冲信号， 简称脉冲。在脉冲技术中最常使用的是 矩形脉冲波，简称矩形波，其主要参数 如图2-1-2所示：,图2-1-1常见的脉冲波形,任务一 RC电路的应用,任务一 RC电路的应用,图2-1-2矩形脉冲电压

4、参数,Vm：脉冲幅度tr: 脉冲上升时间tf: 脉冲下降时间 tP：脉冲宽度 T：脉冲周期,任务一 RC电路的应用,2 微分电路,微分电路是脉冲电路中常用的一种波形 变换电路，能够把矩形波变换成一对正、负 极性的尖峰脉冲波。,微分电路的形式，如图2-1-3和图2-1-4所示。 具体特点：,任务一 RC电路的应用,(1)输出信号取自RC电路中的电阻R两端，即 o= R 。 (2)电路的时间常数要远小于输入的矩形脉冲宽度 tP 。通常，当 tP时，即认为满足上述条件。,（3)能把矩形波变换成为正负相间的尖峰波。,任务一 RC电路的应用,图2-1-3 RC微分电路,图2-1-4 RC微分电路波形图,

5、3 积分电路,任务一 RC电路的应用,积分电路的形式如图2-1-5和2-1-6所示， 具体特点： (1)输出信号取自RC电路的电容两端。即 o= c 。 (2)电路的时间常数应远大于输入的矩形波脉冲宽度tP ，即tP。 通常，当3tP时，即认为满足上述条件。,(3)能把矩形波变换成为近似的三角波。,任务一 RC电路的应用,图2-1-5 RC积分电路图,图2-1-6 RC积分电路波形图,任务二 晶体管的开关特性,在脉冲电路中，利用二极管和三极管的开关 作用可以控制脉冲信号的产生、变换和传递。脉 冲信号的变化频率往往是很高的，可达每秒百万 次的数量级。因此，管子的导通和截止状态的相 互转换速度愈快

6、愈好。,任务二 晶体管的开关特性,1. 二极管的开关特性,由于二极管具有单向导电性，故其开关特性表现在正向导通与反向截止两种状态的转换过程。如图2-1-7所示，输入端加一方波激励信号Vi，由于二极管结电容的存在，因而有充电、放电和存贮电荷的建立与消散的过程。因此当加在二极管上的电压突然由正向偏置变为反向偏置时，二极管并不立即截止，而是出现一个较大的反向电流-V2/R，并维持一段时间ts后,电流才开始减小,再经tr后，反向电流才等于静态特性上的反向电,o,将trr=ts+tf叫做反向恢复时间，trr与二极管的结构有关，PN结面积小，结电容小，存 贮电荷就少，ts就短，同时与正向导通电流和反向电流

7、无关。当管子选定后，减小正向导通电流和增大反向驱动电流，可加速电路的转换过程。,任务二 晶体管的开关特性,图2-1-7 二极管的开关特性波形图,2.三极管的开关特性,晶体三极管的开关特性是指它从截止到饱和导通，或从饱和导通到截止的转换过程，而且这种转换都需要一定的时间才能完成如图2-1-8所示。,任务二 晶体管的开关特性,(a) (b),(c),图 2-1-8三极管开关特性图,任务二 晶体管的开关特性,图2-1-8是说明三极管开关时间的示意图。如果 在图（a）所示三极管的输入端加入如图（b）所 示的理想矩形波，其幅度在-VG1和+VG2之间变 化，则输出电流ic的波形将如图c不再是理想矩形 波

8、，ic的波形与输入波形vi相比，其上升沿、平 顶部分和下降沿都延迟了一段时间。,由图c波形示意图，对三极管的开关时间规定如下： 1.开通时间ton:是指三极管输入开通信号瞬间开始至ic上升到0.9ICS所需的时间 。 2.关闭时间toff：是指三极管输入关闭信号瞬间开始至ic降到0.1ICS所需的时间。,上图中的开通信号是从-VG1跳升到+VG2的跳变； 关闭信号是从+VG2调降到-VG1的跳变。三极管 的开通时间ton和关闭时间toff，也是纳秒数量级。 例如，对于3DK2C开关三极管，ton=15ns、 toff=30ns；对于3DK4C开关三极管，ton50ns、 toff100ns。

9、综上所述，二极管和三极管作为开关器件使用时， 都有“开关时间”，使得开关速度受到限制。,任务二 晶体管的开关特性,任务二 晶体管的开关特性,3. 晶体管开关特性的应用,利用二极管与三极管的非线性特性，可构成限幅器和箝位器。它们均是一种波形变换电路，在实际中均有广泛的应用。二极管限幅器是利用二极管导通时和截止时呈现的阻抗不同来实现限幅，其限幅电平由外接偏压决定。三极管则是利用其截止和饱和特性实现限幅。箝位的目的是将脉冲波形的顶部箝制在一定的电平上。,知识梳理本项目中的实验主要完成了波形变换电路微分 电路和积分电路的测试以及晶体管开关特性的检验， 在学习过程和实验过程中，要求学生在掌握基本理 论的

10、同时，能动手实践，并能设计出相应的实验， 进行知识的综合运用。,问题与思考 1.什么是脉冲信号？ 2.什么是二极管的开通时间和反向恢复时间？ 影响二极管开关速度的主要是哪一个？,3.什么是三极管的开通时间和关闭时间？ 4.微分电路的作用是什么？ 5.积分电路的作用是什么？ 6.晶体管的开关特性有什么具体应用？,问题与思考,知识与能力拓展,模拟仿真软件是能完成实验过程的一种实验 室，能通过其中的仪器较逼真的显示信号波形。 如图微分和积分电路的仿真结果。,微分电路的仿真电路如图,示波器波形,积分电路的仿真电路如图,示波器波形,项目二 逻辑门电路,数字电路的基本部分是各种开关电路。这些 电路象门一样

11、依一定的条件“开”或“关”，所以又称 为“门”电路。一般，门电路有一个输出端，但可以 有多个输入端。输出端的状态是由输入端状态决定 的，如果把门电路的输入状态称为“因”，输出端的 状态称为“果”，则输入端和输出端状态间有一定的 逻辑关系。通常用“逻辑”表示因果的规律性。,教 学 要 点,1.掌握基本逻辑门电路的逻辑功能、图形符号、真值表、逻辑函数表达式。2.掌握简单组合逻辑门电路的逻辑功能、图形符号，了解数字集成电路的特点及参数。3.理解逻辑代数的基本定律，并能用逻辑代数将组合逻辑电路进行化简。,技 能 目 标,1.能正确使用数字仪器仪表。2.会正确操作仪器仪表。3.学会简单数字电路的设计。,

12、任务一 基本逻辑门电路,基本门电路有与门、或门和非门三种， 是构成其他门电路和组合逻辑电路的基本单元。,任务一 基本逻辑门电路,1 .与门电路,如表所示,表2-2-1与门电路的逻辑真值表、符号及表达式,提示：与逻辑的逻辑表达式中“ ”为逻辑运算符，AB读作“AB”，逻辑运算符可以省略，因此与逻辑表达式可写成Y=AB。,任务一 基本逻辑门电路,2 .或门电路,如表所示,表2-2-2 或门电路的逻辑真值表、符号及表达式,提示：或逻辑的逻辑表达式中“+ ”为逻辑运算符，A+B读作“A或B”。,任务一 基本逻辑门电路,3 .非门电路,表2-2-3 非门电路的逻辑真值表、符号及表达式,提示： Y=A 中

13、的 A 读作A非，逻辑符号中输出端的小圆圈表示“非”的意思。,任务二 复合门,在三种基本门电路的基础上，可以组成各种复合门电路，这也是以后设计电路的基础。,1 .与非门电路,如表所示 表2-2-4与非门的逻辑真值表、逻辑符号及表达式,任务二 复合门,2. 或非门电路,如表所示 表2-2-5 或非门的逻辑真值表、逻辑符号及表达式,(a) (b) (c) (d)图2-2-1 集成电路封装图,图(a)双列直插式集成电路，其宽度有两种，引脚数在24以下的为0.3in（7.62mm）,引脚数在24以上的一般为0.6in（15.24mm）,有的集成块两种封装都有。 图(b)SOP封装元件的两面有对称的引脚

14、，脚向外张开。 图(c)SOJ封装元件的两面都有引脚，而且引脚向元件底部弯曲。 图(d)BGA封装元件结构比较特殊，元件表面无引脚，其引脚成球状矩阵式排列于元件底部，引脚多集成度高。,任务三 组合逻辑电路,1.如图所示：集成电路封装图,2. 基本门的逻辑符号,任务三 组合逻辑电路,对于逻辑符号，除了前面介绍的国标符号外，在一些旧的教材和文献中 还曾经使用过一些其他的逻辑符号，另外，有些公司和工厂非常流行的一外 国符号，如著名的电子线路CAD软件Protel 中绘制原理时使用的就是国 外符号。因此为了在今后的工作中快速上手、提高识图能力，有必要了解其 他逻辑符号。如表2-2-6所示,表2-2-6

15、 逻辑门符号表,任务三 组合逻辑电路,任务三 组合逻辑电路,知识梳理,任务三 组合逻辑电路,本项目完成了基本门电路和组合门电路的 测试，我们要在掌握基本门功能的基础上学会 组合门的设计和功能测试，学会根据已知情况 设计相应的逻辑电路。,问题与思考,任务三 组合逻辑电路,1.基本逻辑门有哪几种?它们的逻辑功能如何？ 2.三极管反相器是否可以做非门使用?在电路参数上如何保证非门的逻辑功能？ 3.有哪些手段用于描述逻辑门的功能？ 4.有哪些组合门?它们的逻辑功能如何？ 5.逻辑门的符号是什么样的?逻辑门符号中的特征标注符的含义是什么?,任务三 组合逻辑电路,知识与能力拓展,OC门电路能通过输出线并联实现“线与”功能；外接负载接不同的电源时，可以实现电平转移的功能，一般用作接口电路来驱动不同的负载。如图 2-2-2所示 OC门电路采用+5V电源供电，而继电器K1的线圈采用+12V 电源供电。如果采用普通TTL门电路，由于其输出高低电平只有3.6V， 是无法直接驱动继电器的。因此，只有OC门集电极负载接不同的电源， 便可实现电平转换，该特性使OC门在点平转换接口电路中广泛应用。 “线与”电路中OC门输出高电平的情况如图2-2-3（a）所示，三态与 非门电路如图2-2-4所示。,图2-2-2 OC门输出并联的接法及逻辑图,