数字电路（精选12篇）
数字电路 篇1
引言
各种千变万化的物理量存在于自然界中, 但就其规律变化不外乎两大类。其中在时间和数值上均作连续变化的一类物理量, 如收音机、电视机接收的视频信号, 音频信号, 处在正常情况下它们的电压信号都是随时间作连续变化一般不会发生突变。这种称为模拟量的物理量, 把表示模拟量的信号叫做模拟信号。语音信号、典型的模拟信号就是正弦波信号。产生、传送、变换和处理模拟信号的电路叫做模拟电路。
1 数字信号和数字电路
一类在时间和数值上均作为断续变化的物理量, 这就是说它们的变化在时间和数值上是不连续的, 离散的。如同工厂库房里的元器件的数量、或操场上的人数等, 它们的数量增减的变化和大小都是以最小单位“1”的整倍数, 如果小于“1”的这个最小单位的数值是没有物理意义的。象这种物理量称为数字量, 把代表数字量的信号称为数字信号。矩形波、最典型的数字信号就是方波信号。
数字信号通常被称为离散信号, 脉冲信号, 一般来说数字信号它有电位型和脉冲型两种, 它在两个稳定的状态之间作阶跃式变化, 用高低两个电位信号表示数字“1”和“0”是电位型表示法, 而脉中型表示法是用有无脉冲表示数字“1”和“0”。产生、传送、处理、变换、存储数字信号的电路叫做数字电路。数字电路包括数字电路脉冲电路两大部份, 因此, 数字电路又称为脉冲数字电路。其中脉冲电路主要研究脉冲信号的产生和变换及处理。
数字信号也是一种电信号, 但是这种电压的幅值只在两种情况之间跳动变化, 即高电压和低电压。那么, 这个高电压与低电压具体是多少呢?这要看每个电路的规定。一般来说, 高电压与电路的供电电压接近, 低电压与O就表示0。如果一个电路的信号满足以上特征, 则它就是一个数字电路[1]。
2 数字电路的分类及其特点
2.1 数字电路的分类
1) 按结构分, 分为立元件电路和集成电路两类;将每个基本元器件如电阻、电容、二极管、三极管、场效应管等用导线连接起来的电路为分立元电路。把各个基本元器件及它们之间的连线制作在一块基片上, 再按一定的包装形式进行封装, 提供给用户。用户在使用时, 通过外部管脚来利用芯片内部电路这种形式的电路称集成电路。集成电路按照一个基片上集成的基本元器件的数量多少可分为大小规模的集成电路, 如每块电路大约包含10~100个基本元器件, 则为小规模集成电路 (Small Scale Integraed Circuits, SSIC) , 如各种逻辑门电路、集成触发器等;如每块电路大约包含100~1000个基本元器件, 则可称为中规模集成电路 (Middle Scale Integraed Circuits, MSIC) , 如编码器、计数器、寄存器等;如其每块电路大约包含1 000~10 000个基本无器件, 则可称之为大规模集成电路 (Large Scale Integraed Circuits, LSIC) , 如存储器、串并接口电路、中央控制器等;如果每块电路大约包含10 000个以上的基本元器件, 则可称之为超大规模集成电 (Very Large Scale Integraed Circuits, VLSIC) 如各种微处理器等。
2) 按数字电路的半导体器件的构成来分, 可分为单极性电路和双极性电路两类, 工作时内部有两种载流子的二极管和三极管, 所以称为双极性半导体器件。靠导电沟道工作的场效应管, 称为单极性半导体器件。双极性集成电路是以双极性管为基本器件, 如TTL电路、ECL电路、I2L电路。单极性集成电路是以单极性管为基本器件的集成电路, 如NMOS电路、PMOS电路、CMOS电路。
3) 记忆工能的电路来分, 可分为时序逻辑电路和组合逻辑电路;时序逻辑电路在任意时刻的输出不仅取决于电路当前的输入, 而且与电路过去的状态有关, 如触发器、寄存器、计数器等, 这些集成电路都为时序电路, 它们可以“记忆”过去的输入。组合逻辑电路在任意时刻的输出仅取决于电路当前的输入, 而与电路的过去状态无关。如译码器、编码器、全加器、数据选择器等, 它们的特点是不能“记忆”过去的输入[2]。
2.2 数字电路的特点
数字电路相对模拟电路而言主要具有以下优点:
1) 数字电路不但能完成 (加、减、乘、除) 的运算, 而且还能够完成 (与、或、非等) 逻辑运算, 这在控制系统中是必不可少的, 所以人们常所数字电路也称为数字逻辑电路。2) 数字电路中, 不论是逻辑运算还是算术运算, 其们号代码只有“0”和“1”两种, 电路的基本单元比较简单, 也方便集成和批量生产和制造。随着工艺的飞速发展和半导体技术, 数字电路就是数字集成电路。集成电路的批量生产成本低, 使用方便。3) 由数字电路组成的数字系统, 只有高低两种电平的工作信号, 所以半导体的数字电路一般工作在导通和截止这两种开关状态, 功耗低, 搞干扰性强, 稳定性好, 可靠性高。4) 保密性好。可以对数字信号进行加密处理的数字电路, 在传输过程中不易被窃取信号。5) 通用性强。通常采用数字集成电路组成的数字电路系统, 它具有较强的通用性特点。
3 结语
在数字电路设计中, 信号反射的完整性问题往往对整个系统的性能造成许多难以预料的影响。因此对数字信号和数字电路的分析是个举足轻重的问题, 只有解决好这个问题, 系统才能准确、稳定地工作。
参考文献
[1]张建国.数字电子技术[M].北京:北京理工大学出版社, 2007.
[2]车驰.基于FOGA的数字电子系统学习板设计[D].重庆:重庆大学, 2013.
数字电路 篇2
《模拟电子技术课程设计》任务书
一、课题名称：数字钟的设计
二、技术指标：
（1）掌握数字钟的设计、组装和调试方法。（2）熟练使用proteus仿真软件。（3）熟悉各元件的作用以及注意事项。
三、要求：
（1）设画出总体设计框图，以说明数字钟由哪些相对独立的功能模块组成，标出各个模块之间互相联系。（2）设计各个功能模块的电路图，加上原理说明。（3）选择合适的元器件，设计、选择合适的输入信号和输出
方式，确保电路正确性。
指导教师：廖俊东 学生：蔡志荷
电子信息工程学院
2018年1月 10日
课程设计报告书评阅页
课题名称：数字钟的设计 班级：15级电子信息工程4班 姓名：蔡志荷
2018年1月 10日
指导教师评语：
考核成绩：指导教师签名： 年月
目录
摘要..................................................................................................................................................1 第1章设计任务与要求...................................................................................................................2
1.1 设计指标数字钟简介.....................................................................................................2 1.2 具体要求.........................................................................................................................2 1.3 设计要求.........................................................................................................................3 第2章元件清单及主要器件介绍...................................................................................................4
2.1 元件清单.........................................................................................................................4 2.2 主要器件介绍.................................................................................................................4
2.2.1 74LS90计数........................................................................................................4 2.2.2 74LS47.................................................................................................................5 2.2.3 七段数码显示器.................................................................................................7
第3章设计原理与电路...................................................................................................................8
3.1 计时电路.........................................................................................................................8
3.1.1 计秒、计分电路.................................................................................................8 3.1.2 计时电路.........................................................................................................10 3.2 校时电路.......................................................................................................................11 3.2.1 报时锁存信号...................................................................................................13 3.2.2 报时...................................................................................................................13 第4章仿真结果及误差分析.........................................................................................................15 4.1 实验结果.......................................................................................................................15 4.2 实时分析.......................................................................................................................15 第5章设计总结.............................................................................................................................16 参考文献.........................................................................................................................................17
四川工业科技学院数字电路课程设计
摘要
本次课程设计的主题是数字电子钟。干电路系统由秒信号发生器、“时、分、秒”计数器、显示器、整点报时电路组成。秒信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，这里用多谐振荡器加分频器来实现。将标准秒信号送入“秒计数器”，“秒计数器”采用60进制计数器，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。“分计数器”也采用60进制计数器，每累计60分钟，发出一个“时脉冲”信号，该信号将被送到“时计数器”。“时计数器”采用24进制计时器，可实现对一天24小时的累计。译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出状态送到七段显示译码器译码，通过七位LED七段显示器显示出来。整点报时电路时根据计时系统的输出状态产生一脉冲信号，然后去触发蜂鸣器实现报时。
数字电子时钟优先编码电路、译码电路将输入的信号在显示器上输出；用控制电路和调节开关对LED显示的时间进行调节，以上两部分组成主体电路。通过译码电路将秒脉冲产生的信号在报警电路上实现整点报时功能等，构成扩展电路。本次设计由震荡器、秒计数器、分计数器、时计数器、BCD-七段显示译码/驱动器、LED七段显示数码管设计了数字时钟电路，可以实现：计时、显示，时、分校时，整点报时等功能。
关键词：数字时钟，振荡器，计数器，报时电路
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第1章 设计任务与要求
1.1 设计指标数字钟简介
数字钟电路是一款经典的数字逻辑电路，它可以是一个简单的秒钟，也可以只计分和时，还可以计秒、分、时，分别为12进制或24进制，外加校时和整点报时电路。
数字钟已成为人们日常生活中必不可少的生活日用品。广泛用于个人家庭以及车站、码头、剧场、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使数字钟具有走时准确、性能稳定、集成电路有体积小、功耗小、功能多、携带方便等优点。
因此本次设计就用数字集成电路和一些简单的逻辑门电路来设计一个数字式电子钟，使其完成时间及星期的显示功能。多功能数字钟采用数字电路实现对“时”、“分”、“秒”数字显示的计时装置。具有时间显示、走时准确、显示直观、精度、稳定等优点，电路装置十分小巧,安装使用也方便而受广大消费的喜爱。
1.2 具体要求
1、掌握组合逻辑电路、时序逻辑电路及数字逻辑电路系统的设计、安装、测试方法；
2、进一步巩固所学的理论知识，提高运用所学知识分析和解决实际问题的能力；
3、提高电路布局，布线及检查和排除故障的能力。
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1.3设计要求
1、设计一个有“时”、“分”、“秒”（23小时59分59秒）显示，且有校时功能的电子钟。
2、用中小规模集成电路组成电子钟，并在实验箱上进行组装、调试
3、画出框图和逻辑电路图、写出设计、实验总结报告。
4、整点报时。在59分51秒时输出信号，音频持续10秒，在结束时刻为整点。
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第2章 元件清单及主要器件介绍
2.1 元件清单 1、74LS90（6个）2、74LS47（6个）3、74LS00（6个）4、74LS20（6个）5、74LS04（6个）
6、共阳七段数码显示器（6个）
7、蜂鸣器（1个）
8、快关若干，电阻若干
2.2 主要器件介绍
2.2.174LS90计数
本题目核心器件是计数器，常用的有同步十进制计数器74HC160以及异步二、五、十进制计数器74LS90.这里选用的是74LS90芯片。
74LS90的引脚图如图2-1表示。
图2-1 74LS90内部是由两部分电路组成的。一部分是由时钟CKA与一位触发器Q0组成的二进制计数器，可记一位二进制数；另外一部分是由时钟CKB与三个触发器Q1、Q2、Q3组成的五进制异步计数器，可记五个数000~111.如果把Q0和CKB连接起来，CKB从Q0取信号，外部时钟信号接到CKA上，那么由时钟CKA和Q0、Q1、Q2、Q3组成十进制计数器。
R0(1)和R0(2)是异步清零端，两个同时为高电平有效；R9(1)和R9(2)是置
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9端，两个同时为高电平时，Q3Q2Q1Q0=1001,；正常计数时，必须保证R0(1)和R0(2)中至少一个接低电平，R9(1)和R9(2)中至少一个接低电平。
74LS90的功能表如表2-1所示。
表2-1 2.2.274LS47 74LS47的引脚图如图2-3表示。
图2-3 译码为编码的逆过程。它将编码时赋予代码的含义“翻译”过来。实现译码的逻辑电路成为译码器。译码器输出与输入代码有唯一的对应关系。74LS47是输出低电平有效的七段字形译码器，它在这里与数码管配合使用。
表2-2列出了74LS47的真值表，表示出了它与数码管之间的关系。
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表2-2 H=高电平，L=低电平，×=不定 74LS47译码器原理如图2-4.图2-4
74LS47是BCD-7段数码管译码器/驱动器，74LS47的功能用于将BCD码转化成数码块中的数字,通过它解码，可以直接把数字转换为数码管的显示数字，从而简化了程序，节约了 单片机的IO开销。因此是一个非常好的芯片！但是由于目前从节约成本的角度考虑，此类芯片已较少用，大部份情况下都是用动态扫描数码管的形式来实现数码管显示。
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2.2.3 七段数码显示器
共阳极七段数码管引脚图如图2-5表示。
图2-5 LED数码管中的发光二极管共有两种连接方法：
1、共阴极接法：把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。使用时公共阴极接地，这样阳极端输入高电平的段发光二极管就导通点亮，而输入低电平的则不点亮。实验中使用的LED显示器为共阴极接法。
2、共阳极接法：把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。使用时公共阳极接＋5V。这样阴极端输入低电平的段发光二极管就导通点亮，而输入高电平的则不点亮，而输入高电平的则不点亮。
注：课设中使用的是共阳极数码管。
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第3章 设计原理与电路
3.1 计时电路
计时电路共分三部分：计秒、计分、计时。其中计秒和记分都是60进制，而计时为24进制。难点在于三者之间进位信号的实现。
3.1.1 计秒、计分电路
1、个位向十位的进位实现。
用两片74LS90异步计数器接成一个一步的60进制计数器。所谓异步60进制计数器，即两片74LS90的时钟不一致。各位时钟为1Hz方波来计秒，十位计数器的时钟信号需要从个位计数器来提供。
进位信号的要求是在十个秒脉冲中只产生一个下降沿，且与第十秒的下降沿对齐。只能从个位计数器的输出端来提供，不可能从其输入端来找。而计数器的输出端只有Q0、Q1、Q2、Q3四个信号，要么是其中一个，要么是它们之间的逻辑运算结果。
把个位的四个输出波形画出来，如图3-1所示。
图3-1 由于74LS90是在时钟的下降沿到来时计数，所以Q3正好符合要求，在10秒之内只给出一个下降沿，且与第19秒的下降沿对齐。Q2虽然也只产生一个下降沿，但产生的时刻不对。这样，个位和十位之间的进位信号就找到了，把个位的Q3（11端）连接到十位的CKA（14端）上。
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2、六十进制的实现
当几秒到59时，希望回00.此时个位正好计满十个数，不用清零即可自动从9回0；十位应接成六进制，即从0~5循环计数。用异步清零法，当6出现的瞬间，即Q3Q2Q1Q0=0110时，同时给R0(1)和R0(2)高电平，使这个状态变成0000，由于6出现时间很短，被0取代。接线如图3-2所示。
图3-2 当十位计数到6时，输出0110，其中正好有两个高电平，把这两个高电平Q2和Q1分别接到74LS90的R0(1)和R0(2)端，即可实现清零。一旦清零，Q2和Q1都为0，不能再继续清零，恢复正常计数，直到下次再同时为1。
计秒电路的仿真图如图3-2所示，计分电路和计秒电路是完全一致的，只是周期为1S的时钟信号改成了周期为60秒即1分钟的时钟信号。
3、秒向分的进位信号的实现
积分电路的关键问题是找到秒向分的进位信号。当秒电路计到59秒时，产生一个高电平，在计到60秒时变成低电平，来一个下降沿送给计分电路做时钟。计秒电路在计到59时的十位和个位的状态分别为0101和1001，把这四个1与起来即可，即十位的Q2和Q0，个位的Q3和Q0，与的结果作为进位信号。使用74LS20四入与非门串反相器构成与门，如图3-3所示。
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图3-3 计分电路与计秒电路一样，只是四输入与门产生的信号应标识为59分。
3.1.2 计时电路
用两片74LS90实现二十四进制计数器，首先把两片74LS90都接成十进制，并且两片之间连接成具有十的进位关系，即接成一百进制计数器，然后在计到24时，十位和个位同时清理。计到24时，十位的Q1=1，个位的Q2=1，应分别把这两个信号连接到双方芯片的R0（1）和R0(2)端。如个位的Q2接到两个74LS90的R0(1)清零端，十位的Q1接到两个74LS90的R0(2)清零端。
计时电路的个位时钟信号来自秒、分电路产生59分59秒两个信号相与的结果，如图3-4所示。
图3-4
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计分和计时电路可以先单独用秒脉冲调试，以节省时间。联调时，可把秒脉冲的频率加大。
图3-5是一个链接好的简单的没有校时和报时的数字时钟电路。
图3-5 图中为了把数显集中到一块，可以直接把时、分、秒的数码管拖动到一起。但为了仿真时使器件管件的逻辑状态显示不影响数显的效果，可以从主菜单中把逻辑显示去掉即可。
3.2 校时电路
接下来把校时电路加上，校时电路主要完成校分和校时。选择较分时，拨动一次开关，分自动加一；选择校时时，拨动一次开关，小时自动加一。校时校分应准确无误，能实现理想的时间校对。校时校分时应切断秒、分、时计数电路之间的进位连线。
如图3-6，红色线框内是校时电路，由去抖动电路和选择电路组成。
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图3-6 其中，计到59分的信号已有，如图3-6中所示。只需把它和计秒电路的十位中的Q2Q0相与作为开始报时的一个条件即可。见图3-7，U16:A和U10:D组成的与门输出即为报时开始信号。
图3-7
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3.2.1 报时锁存信号
用秒个位的计数器输出进行四高一低的报时锁存信号。现在来分析一下50~59秒之间秒个位的状态。
秒个位：Q3 Q2 Q1 Q0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1
结合题目要求，通过这些状态的观察发现，秒个位的Q3’和Q0逻辑与后，正好在秒个位计到1、3、5、7时产生高电平，0、2、4、6时产生低电平，可作低四声报时的锁存信号；秒个位的Q3和Q0逻辑与后，正好在秒个位为9时产生高电平，可做高音的报时锁存信号；这样就产生了两个报时锁存信号。
3.2.2 报时
把上述分析所得到的的报时开始信号分别和两个报时锁存信号相与，产生两路报时锁存信号，如图3-7，上面一路为高音报时锁存，下面一路为低音报时锁存。图中左面三个与非门实现的是与或逻辑，前面已介绍。
上下两路报时锁存信号分别与1kHz和500Hz的音频信号（20Hz~30kHz）相与或来驱动数字喇叭，实现整点报时功能。这里喇叭使用元件SOUNDER,它接收数字信号。
实验时，把59分50秒这个报时开始信号直接用高电平取代，这样比较省时。另外实际连接电路时，可用555定时器产生一个1kHz的方波，再经D触发器二
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分屏得到500Hz的方波信号。计时电路的1Hz方波也可由555定时器产生，但由于标准电阻和电容值的选择会带来一些积累误差，也可选用其他更精确的振荡电路来实现。
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第4章 仿真结果及误差分析
4.1 实验结果
成功设计一个有“时”、“分”、“秒”（23小时59分59秒）显示，有校时功能的电子钟。能够实现整点报时。在59分51秒时输出信号，音频持续10秒，在结束时刻为整点。且能够正常仿真。
如图4-1是完整的数字钟电路图。
图4-1 4.2 实时分析
本次课程设计电路完全按照仿真图所连的，在测试时，当开始进行时校时时，没有出现问题，但当进行到分校时时，发现计数电路的秒电路开始乱跳出错。因此，电路一定是有地方出错了，在反复对照后，发现是因为在接入校正电路时忘了把秒十位和分个位之间的连线拿掉而造成的，因此，在接线时一定要注意把不要的多余的线拿掉。
仿真时用的脉冲是用的软件里的时钟脉冲，没有使用555定时器，可能会造成一定的误差。
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第5章 设计总结
通过这次数字电子钟的课程设计，我们把学到的东西与实践相结合，深化了我对数字电路设计和模拟电路的设计，让我在设计的实践中获得了更多的知识，同时锻炼了我的动手能力。在这过程中对我们学的知识了更进一步的理解，而且更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法，也锻炼了自己独立思考问题的能力和通过查看相关资料来解决问题的习惯。
虽然这只是一次学期末的课程设计，但通过这次课程设计我们了解了课设计的一般步骤、方法和设计中应注意的一些问题。我觉得这次设计是很有重要意义的，它锻炼了同学们对待问题时的态度和处理事情的能力，了解了各个芯片能够完成什么样的功能，使用芯片时应该注意那些要点，同一个电路可以用那些芯片实现，各个芯片实现同一个功能的区别。
总之，这次课程设计让我学到了好多东西，这种课程设计对一个大学生是非常重要的。在此我要感谢我同组的搭档蔡西！然后，非常感谢廖老师的耐心指导！
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参考文献
数字电路的故障测试方法 篇3
【关键词】数字电路；故障；测试
1.常见的故障
1.1永久故障
1.1.1固体电平故障
如果电路某处逻辑电平始终保持不变，则该故障就是固体电平故障，例如，接地故障就是典型的固体电平故障，其故障点的电平始终保持为0。
1.1.2固定开路故障
该故障常常发生在CMOS电子线路中，当CMOS电子线路中的输入管没有连通其它路而引起悬空或者栅极引线而发生断开现象，此时CMOS门电路的输出端的电阻是非常大的，即会发生短路，这样的故障就是开路故障。因为在CMOS门电路中输入电阻和输出电阻都是相当大的，所以，输出电平在某段时间内是不会发生变化的，这是由于门电路输出与下级门电路之间的分布电容有存储电荷的作用。
1.1.3桥接故障
由两根或者两根以上的信号互相短路而引起的故障就叫做桥接故障，引发该类故障的原因有：印制电路的焊接不小心、裸线部分太长等等，一般而言 ，桥接故障分为如下几种类型：（1）由于输入信号线间的桥接引起的输入端桥接现象；（2）输入端和输出端相互连接引起的反馈桥接。桥接故障会使电子线路的逻辑功能发生很大的变化。
1.2间歇故障
间歇故障的发生具有偶然性，在故障发生的时候很容易引起电路相关功能的出错，但是故障一旦消失，功能就马上恢复了。时有时无是间歇故障的表现形式。如果是虚焊、引线松动等因素造成的间歇故障，则应该要通过人工修理来消除故障，如果是电磁干扰因素造成的间歇故障，则只要对其屏蔽就可以了。
2.出现故障的主要原因
2.1没有正确安装布线
若在集成电路芯片安置以及布线安置的时候不合理，那么就会带来较大的干扰。尤其是电子元件安装错误、漏断线以及安装时出现桥接、没有适当地处理闲置输入端、没有加入或者错误地加入使能端信号等，都是引发故障的重要因素。
2.2接触不良
接触不良在数字电路中普遍存在也是最容易发生的故障。例如接插件松动、接点氧化、虚焊等等，信号的时有时无是该故障的主要表现，故障的发生也带有一定的偶然性。选取质量较好的接插件，从工艺上确保焊接的质量能有效地减少这种故障的发生。
2.3在设计的过程中没有对电子线路的参数以及工作条件进行分析
2.3.1电子线路没有良好的负载能力
一般而言，一个与非门在输出低电平的情况下最多可以带 10个同类型的门电路，如果所带门电路数超过10，则很容易导致输出低电平快速增大，最终会造成电子线路功能的丧失，系统也将无法照常运转。同样，输出高电平如果外接负载也不能有此情况的发生。可以加强电子线路的负载能力。
2.3.2电子线路没有较高的工作速度
当对电子线路输入一组信号的时候，在电路内部的延时作用下在获得稳定的输出以后，才可以将第二组信号输入进去。若电子线路工作速度过低的话，会引起延时的加长，在输入很高的脉冲频率情况下，则会很容易出现输出不稳定的现象，这种故障是很难查出来的，所以，在设计电路时，要考虑到其工作速度。
2.3.3半导体器件没有良好的热稳定性
半导体元件的性质与温度有关，主要体现在如下两种情况：（1）在开机的时候设备的工作是正常的，由于温度在不断升高，会出现问题，关机冷却后再开机又可以正常地工作；（2）温度很低的情况下，出现问题，由于温度不断地升高，又可以正常地工作。因此，在进行设计的过程中可以选择具有良好热稳定性的电子元件来解决该问题。
3.数字电路故障测试方法
数字电路的故障测试基本分为以下三步：一是对故障进行测试和隔离；二是对故障进行定位；三是对故障进行诊断和排除。
（1）故障的测试和隔离：对任何电路进行故障诊断，首先应通过考察故障特征以尽可能地缩小故障范围，即进行故障隔离。在通常情况下，当电路的信号消失以后，我们可以借助测试探头在电路信号相互连接的路径上进行测试与诊断，这样一般就比较容易找到了电路消失的信号。而且一些测试探头上，都具有逻辑存储装置的。这样，我们就可以运用这一功能来测试和诊断数字电路上脉冲信号活动的具体情况。当信号出现时，就可以把信号存储起来，并在脉冲存储器上显示出来。可见，通过查找数字电路之间的脉冲信号，可以把故障进一步缩小在一定的范围内，进而测试出电路的故障所在。
（2）故障的定位：当把故障隔离到单元电路中，就可以用逻辑探头、逻辑脉冲发生器和电流跟踪器等来观察电路故障对工作的影响，并找到故障源。我们可以运用逻辑探头来检查数字电路上的脉冲活动情况，进而测试和观察电路的输出、输入信号的活动情况。以这些活动情况和信息为出发点，可以判断数字电路运行是否正常。
（3）数字电路的故障诊断和排除：实际上，相对于数字电路故障的测试而言，其诊断比较简单。这是因为除了三态电路以外，其输入、输出状态仅有高、低电平两种。在对数字电路故障进行诊断时，首先我们可以进行动态测试，逐步缩小故障的范围。然后，再进行静态测试，进一步查找故障的具体方位。这就要求我们在测试和诊断电路故障时，要有适当的信号源以及示波仪器，而且示波仪器的频带一般应当大于10MHZ，同时要仔细观察数字电路输入、输出的具体情况。
具体的测试方法通常有一下几种：
（1）直观检查：线路连接检查和集成器件的连接检查是直观检查两种常见的类型，线路接错引起的故障是很普遍的，甚至还可能导致元器件的损坏。因此，要正确的画出安装接线图，一旦出现故障，就可以对照接线图检查实际电路，看有没有漏线、断线、错线的现象，尤其要注意电源线和地线的接线有没有错误 ，在检查集成器件的连接情况时，首先要检查外引线和其它路的连接以及集成器件插的方向有没有错误，存不存在不允许悬空的输入端没有接入电路的现象。
（2）测量电容、电阻等分立元件：先将电源关闭，通过万用表“欧姆*10”档对电源线与地线端间的电阻值进行测量，以把电源输出端与地线端间可能存在开路或者短路的情况排除掉。接下来就要检查元件，在对电解电容器进行检查时，要先把电解电容对地短路，使电容器中的电荷全部释放出来，然后看电容有没有被击穿以及是否存在漏电严重现象，这样可以避免万用表的损坏。
（3）静态测试：静态测试一般是对电路以及电源电压进行测试。在测试电路时，首先要保证电路处于某一输入状态，对照真值表，对电路的功能进行分析。一旦发现问题，就要再次测量，接着调节电路使之处于某一故障状态，用万用表对各器件的输入电压和输出电压的逻辑关系进行测量，看符不符合要求，最终确定发生故障的点。测试电源电压时，要用万用表对电源的输出电压进行测量，看有没有错误，除此之外，还要对电路外引线的地线端和电源端的电压进行测量，看符不符合要求。
4.结束语
数字电路的广泛应用，提高了电器的使用和质量，（下转第168页）（上接第54页）促进了电器产品性能的进一步提高。但是，我们应该清醒地认识到，数字电路运行过程中存在这样那样的故障及问题。因此，我们必须高度重视故障的测试，积极探索行之有效的策略措施，全面提高数字电路的应用水平和运行质量，不断拓宽其使用范围。通过本文，对数字电路故障的测试方法有了比较详尽的了解。在实际的测试过程中，应根据电路故障的具体情况，选择恰当的测试方法。
【参考文献】
数字电路创新教学探究 篇4
1 加强实验教学的目的
数字电路是理工科很多专业的一门技术基础课, 也是学生以后从事科学技术研究和开发工作的一门重要课程, 其目的既要培养学生良好的基本实验素养和基本实验技能, 也要为学生在理论与应用之间架起一座桥梁, 使它成为培养应用复合型人才的一个重要教学环节。
2 数字电路教学现状
(1) 数字电路目前在很多学校仍然采用传统的教学方法, 教学的重点仍然是传统的基本教学内容。而随着信息时代的到来, 教育的重心由以往的注重传授知识向注重培养学生综合素质发生转变。该课程作为一门重要的专业基础课, 其教学内容应该适应科学技术的发展以及对人才培养的要求。如今教学改革应该遵循“理论够用, 实践为重”的原则, 将培养能力的思想作为核心。力求为社会培养基础扎实、具有创新意识和创新能力, 理论联系实际、综合素质高的新一代建设人才。
(2) 传统的数字电路实验是按课程的开设顺序逐一设置基本实验项目和课程设计实验, 也就是主要围绕相关的理论课程来设计的一种实验模式。实验以中小规模电路为主, 大规模数字电路实验较少, 也很少考虑各实验课内容相互之间的衔接与综合, 以至学生往往缺少大型数字电路实验的训练机会, 难以培养出综合电路设计的能力。这样的实验结构已落后于当代学生科学素质、实验技能和创新能力培养的要求。现在新型的实验结构不仅是实验内容的深化、 强化, 而且还需要体现实验的系统性综合性和创新性。
(3) 目前开设的数字电路实验内容, 大多是对理论教学的简单验证和基础实验的技能训练, 内容老化, 手段单一。传统的验证性实验虽然可以加深学生对理论知识的理解, 但仍属于获取间接知识的渠道。当学生进行传统的验证性实验时知识结论已先入为主地占据了学生的头脑, 当实验数据与理论不相符合时, 学生往往不去追求事实的真相, 而是违背认识以理论为本, 去修正实验数据, 重蹈理论第一的覆辙的规律。而高校人才的培养则应使学生通过实验亲身体验直接知识的获取, 并从中接受和理解间接知识, 真正懂得实践才是获取真知的主要渠道。所以应引导学生从实验中去发现、认识事物运用已学到的知识去进行解释、检验和总结, 有的客观规律效地调动学生的学习兴趣和热情。只有进行这样的实验教学才可以培养学生自我获取知识和探索未知新知识的能力, 为真正成为有用的人才打下良好的基础。
3 数字电路教改的思路
(1) 为了突出数字电路实验课的地位和作用, 在教学内容的改革中, 对学生在有关电子仪器的测试方法及测试技术的训练方面不但不能削弱, 还应该通过改进实验手段, 提高课时利用率, 深化教学要求等途径, 使这些基本训练得到加强。
(2) 为了使这门课程体现基础课的性质, 在保留和加强一些必要的基础实验技术训练的基础上, 新增加一些有关高新技术中常用电子器件的参数及性能的测试应用和综合性、设计性实验。
(3) 在实验方法和测试手段上, 提高实验测试仪器的档次, 并把计算机技术恰当地引入到有关实验中去, 使实验手段的改进和教学内容的深化能充分体现实验内容的先进性。
(4) 在对学生创新意识和创新能力的培养上, 加大综合性、设计性实验的比重, 开设开放实验室和创新实验室, 进行实验技术的创新。
(5) 改革现有的数字电路实验课程的考核评价制度。
4 教学创新改革具体方案
4.1 实验教学理念的转变
目前多数高校对实验教学的重要性认识不足, 受传统教育观念的影响, 高校人才培养中对实验教学还存在着一些认识误区。一些教师受应试教育的影响, 重视课堂教学, 轻视实验教学。认为课堂教学可以发挥自己的优势, 体现自己的水平, 而实验教学只是课堂教学的一种补充, 是一种事务性的工作。所以要改变陈旧观念, 充分认识到实验教学是培养人才的重要手段, 是学校创新体系建设、创新能力提高、创新人才培养的基础。培养创新型人才, 就要实施创新教育, 重视实验教学, 改变以教师为主导的教育模式, 充分发挥实验教学的作用, 使之成为引导学生从实践来获取和应用理论知识的主要渠道, 高校师生应牢固树立实践第一的正确思想。
4.2 数字电路实验教材的建设
根据数字电路实验教学内容的改革, 应该编写一套能体现现代教学思想和教学内容、体现数字电路实验教学特色的教材。以适用于不同的专业和不同层次的学生。在编写实验教材过程中, 应明确教材使用对象所处实验技能训练阶段, 引入新器件、新技术、新工艺和新方法, 实验中所选器件要有代表性。应用实例要理论联系实际, 尽量缩短与实际应用的距离。知识面要宽厚, 信息量要足够。所选实验内容的次序及所选实验, 教师都要反复验证过, 以达到真正培养学生实验能力的目的。
4.3 现代教育教学技术的使用
利用网络实施教学已经成为数字电路实验教学改革的内在需求。建立课程网站, 充分发挥现代教育技术的优势, 可以激发学生的学习兴趣和能动性。通过网站, 可以为学生提供全部课题的相关资料、参考文献、网络实验内容, 为学生的课前预习、课堂实验、课后总结和实验报告的撰写创造条件。学生还可以在网上进行虚拟实验 解决实验室空间和时间有限的问题, 将课堂进行有效的延伸。另外, 网站还为教学交流提供了良好的环境, 教师可及时发布教学信息, 包括教学资料、教学安排、教学内容等, 学生也可以及时反馈意见, 教师进行在线辅导, 拓宽了师生交流的平台。
4.4 加强实验和实践环节
加强实验环节, 培养学生分析、设计、组装及调试数字电路的基本技能。除了要求学生独立完成验证性实验和综合性、设计性实验外, 还要求学生掌握小型实用数字系统的设计方法, 能够独立的完成设计和调试过程, 提高学习横的科学素养, 增强创新意识, 为后续专业课的学习和今后的工作打下良好基础。
4.5 改革教学方法和教学手段
教学方法的改革是进一步深化教学改革的突破口和切入点。教学方法主要体现在整个课堂教学过程中, 为此, 课题组对传统的满堂灌、填鸭式等陈旧教学方法进行彻底改革, 积极倡导先进的教育理念, 全面推进讨论式、互动式、案例教学和学习研究式等教学方法。采用多媒体技术等现代教学手段, 克服以往课堂教学教师讲授为主, 学生被动听课, 缺乏积极性和主动性的局面, 创造宽松活跃的课堂气氛, 培养学生的学习能力, 教会学生学习方法, 从而有效提高课堂教学的质量。
在教学方法上, 可以尝试:
(1) 教师在教学方法上注意引导学生, 多用“自教式教学法”教学, 努力提高学生分析问题、解决问题的能力, 开阔学生的思路, 增强创新能力的培养。
(2) 积极引进EDA技术, 逐渐是吸纳多媒体和网络化教学, 使教学手段现代化。
(3) 设立创新实验室和开放实验室, 给学生创造一个可以自由发挥创造潜能的天地, 有意识的培养学生创新能力。
4.6 重视其他相关学科的衔接融合
作为专业基础课, 数字电路有一定的实际应用性, 但更多的是作为基础与其他学科交叉、结合, 产生更新、更广泛的应用。如单片机、计算机硬件部分、电气控制等电路都离不开数字电子技术。我国著名物理学家、教育学家王义道先生十分重视学科的交叉, 认为这是提高学生素质的重要途径。有鉴于此, 在教学中应尽可能地体现数字电路和其它课程的关系, 在教学中为后续课程打下基础。随着电子技术的不断发展, 数字电路的教学内容和模式也应不断的改革, 这就要求相关老师在总结经验的基础上大胆创新, 做到与时俱进, 并在今后的教学过程中还要不断深入研究和探索。
4.7 加强师资队伍建设
建设一支高水平的师资队伍不仅是搞好课程改革的前提, 也似乎整个高等教育改革发展的重点和难点。为此, 本课程在教学队伍组成上, 注意选拨治学严谨, 敬业奉献, 热爱教育的教师承担教学任务。同时, 定期开展教学研究活动, 加强教学研究交流, 为年轻教师制定切实可行的培养计划, 配备教学经验丰富的指导教师。
5 结语
总之, 数字电路教学过程中, 充分的加强实验教学, 可以大大提高同学们的学习兴趣, 使学习的效果得到质的飞跃, 从而达到这门课程教学的真正目的。
参考文献
[1]谭飚.电子线路实验教学的改革与实践[J].科技信息, 2008, (26) .
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[3]蓝良生.浅谈数字电路实验教学改革[J].科技信息 (学术研究) , 2008, (36) .
数字电路课程设计 篇5
UDC
单位代码
10644
密 级 公 开 学 号
课程设计（题目）
课程名称：
数字电子技术基础 作
者：
指导教师：
易
鸿
系
别：
物理与工程技术系 专
业：
电子科学与技术 提交论文日期：
****年**月**日
论文答辩日期：
****年**月**日
中 国 达 州
年
月
报告书写要求：
一、任务书
二、目录
三、内容
1、设计任务及目的（黑体，小号）内容为小四，宋体
2、设计方案论证（黑体，三号）（可进行扩展或是创新设计）内容为小四，宋体
3、设计方案选取与实现（黑体，三号）（提出选择所选方案的理由、指出方案的可行性、优缺点，画出部分电路原理图）内容为小四，宋体
4、整机调试与仿真（黑体，三号）
（给出整体电路及调试参数，进行必要的误差分析，给出仿真分析结果）内容为小四，宋体
5、总结（心得体会）（黑体，三号）内容为小四，宋体
四、参考文献
数电课程设计题目选
1、抢答器
2、交通灯
3、彩灯控制
4、数字时钟
5、信号发生器 题目实例：
一、设计并制作一数字式温度计 〖基本要求〗采用电桥法，利用PT~100热电阻对0~200℃测温范围进行测量并送LED数码管显示，要求测量分辨率为0.1℃数据测量间隔时间为5秒
〖提高要求〗1）针对不同的铂热电阻讨论不同的温度信号测量办法
2）电路对测温电路进行非线性校正，提高测温精度（电路非线性校正和EPROM查表法非线性校正两种方法）
3）讨论误差的形成因素和减少误差的措施 4）进行简单的温度开关控制 参考原理图如图
〖主要参考元器件〗MCl4433(1)，LM324(1)，七段数码管(4)，CD4511(1),MC1413(1),铂热电阻使用普通精密电位器代替。
二、十二小时电子钟
〖基本要求〗利用基本数字电路制作小时电子钟，要求显示时分秒，并能实现校时的功能。
〖提高要求〗1）针对影响电子钟走时精度的因素提出改进方案 2）增加日期显示 3）实现倒计时功能 4）整点报时功能 5）定时功能 参考原理图如图
三、电平感觉检测仪
〖基本要求〗：采用光电式摇晃传感器，其检测范围为±90℃，每摇晃一度传感器就输出一个脉冲信号，给计数单元，在给定时间内测量到的脉冲数目就能表明该人的电平感觉，没试采用头戴式传感器，闭上双目，单脚立地，保持静止，开始测试。定时时间为1分钟。
〖提高要求〗： 参考电路图
〖主要参考元器件〗CD4060，555，74LS74
四、便携式快速心律计 〖基本要求〗利用数字电路制作一便携式快速心律计，用于在较短时间内测量脉博跳动速率，并使用LED 〖提高要求〗：1）提高测量精度的方法 2）设计比较准确测量1S同心跳的电路 参考电路图
五、数字式定时开关
〖基本要求〗：设计并制作一数字式定时开关，此开关采用BCD拨盘预置开关时间，其最大定时时间为9秒通过别一按钮控制并进行倒计时开始，计时间到驱动扬声器报警。〖提高要求〗：1）输出部分加远距离100米继电器进行控制 2）延时定时时间
3）探讨提高定时精度的方法 参考电路图
六、数字式电容测试仪
〖基本要求〗1）设计一个能测量电容容量在100Pf~100UF之间的测试仪 2）用3位数码管显示 3）多测量量程 〖提高要求〗
1）超量程判断及显示 2）击穿电容测试保护 参考电路图
七、多路防盗报警电路的设计
〖基本要求〗设计一多路防盗报警电路
多路报警器采用多路输入、同一报警输出方式实现，输入端带延时触发功能。参考电路图
〖主要参考元器件〗NE555八、八路抢答器
〖基本要求〗利用数字电路设计一八路抢答器，要求
1）允许八路参加，并具有锁定功能，用LED实现最先抢答的队号码，系统设置处部清除键，按动清除键，LED显示器自动清零灭灯。
2）数字显示功能：数字抢答器定时为30S，启动开启键以后要求
（1）定时开始（2）扬声器要短暂报警（3）发光二极管灯亮；如果在30S内抢答有效，计时就结束，30S内抢答无效，系统短暂报警，发光二极管灯灭。
〖提高要求〗1）按钮到控制中心距离为20米 参考电路图
九、篮球30S计时牌的设计 〖基本要求〗：
1）具有显示30S计时功能
2）设置外部操作开关，控制计数器的直接清零，启动和暂停连续功能 3）在直接清零时，要求数码显示器灭灯 4）计时器为30S递减时，间隔为1S
5）计时器递减讲时到零时，数码显示器不能灭灯，同时发出光电报警信号
〖主要参考元器〗：NE555(1)，74ls161(1)，74LSl92(2)〖提高要求〗
1）计分显示，可以进行加/减分
十、峰值检波系统
〖基本要求〗：设计一峰值检波系统测量某个建筑物的最大受力，设计要求用技术指标如下
1）其输出信号为0~5mV（400Kg/mV）2）测量用数字显示，显示范围为0000~1999 3）峰值电压保持稳定
〖提高要求〗1）传感器的输出信号为4档1~10μ V，1~10μV，10~100μ V，100~1000μ，要求能够自动切换量程。参考电路图
十一、交通红绿灯控制器
十二、可编程函数发生器 〖基本要求〗
1）用开关输入8位二进制数，要求输出50Hz ~1Kz的方波 2）要求使用D/A转换方式
3）要求频率按照由小到大自动变化。参考原理图
十三、红外线互锁开关
〖基本要求〗租用红外线发躲和接收的方式遥控十路开关，发射端有10个按钮，开关1路使用继电器，9路使用LED 〖提高要求〗
参考原理图：采用CD4017进行编码，然后驱动发光二极管发出定按键相对应的脉冲数，在接收端使用光敏三三极管和CX20106接收脉冲，用CD4017解码，控制相应的开关。主要参考元件：CD4017，CX20106，555。
十四、数字血压计
〖基本要求〗采用半导体压阻式传感器测量0~40Kap人体血压，用三位半A/D转换，数码显示
〖提高要求〗 参考电路原理图
主要元件：CD4040、CD4553、CD4511、NE555
十五、简易数字频率计 〖基本要求〗采用基本数字集成电路设计制作一简易数字频率计，要求测量频率范围为0~9999Hz 测量幅值范围为1v~10v，测量分辨为10Hz，并使用LED数码管显示。〖提高要求〗1）讨论测量误差的形成原因并提出改进方案 2）提高测频范围的方案 3）输入保护
4）输入信号为正弦波、三角波、方波的情况 5）与集成信号发生器的合成 参考电路原理图
主要元件：74LS390，74LS247，CD4060，74LS00，74LS74
十七、带报警器的密码电子锁和门铃电路 〖基本要求〗1）按钮分别为1，2….9个 2）用发光二极管作为输出指示灯
3）设计门铃电路，按动门铃按钮，发生500Hz的频率信号，并可使编码电路清零，同时可解除报警。
〖提高要求〗1）将指示灯换成继电器进行控制
2）密码顺序不对或密码有误码时系统主动复位，当开锁时间超过5Minjf ,则蜂鸣器发出1KHz的信号报警。参考电路原理图
十八、多路数据采集系统
〖基本要求〗1）实现4路温度信号的采集 2）温度范围为0~20℃，采用PT-100电阻 3）采用31/2AD转换器，LED数码管理显示 〖提高要求〗1）系统的输入为差动输入 2）讨论非线性校正方法
3）讨论提高测试精度的方法 4）讨论多路开关对测试的影响
参考电路原理图
主要元件：CD4051,LM324,ICL7107
十九、家用电风扇控制逻辑电路设计
〖基本要求〗1）实现风速的强、中、弱控制（一个按钮控制，循环）2）实现睡眠风、自然风。正常风三种风态（一个按钮控制，循环）3）LED显示状态
〖提高要求〗1）按键提示音 2）定时关机功能（以小时为单位）参考电路图
电路分成下面三大部分1）状态锁存器电路 2）、触发脉冲电路 3）、风种控制电路
主要元件：74LS00，74LS175，74LSl51，74LS08 二十、四花样彩灯控制器
〖基本要求〗设计一四花样自动切换的彩灯控制器，要求实现 1）彩灯一亮一灭从从左向右移动 2）彩灯两两亮两灭，从左向右移动 3）四亮四灭，从左向右移动
4）从1~8从左到右逐次点亮，然后逐次熄灭 5）四种花样自动变换 〖提高要求〗
参考电路图
主要参考元件：555，74LS74，74LS93，74LS153，74LS164 二
十一、光电式报警器
〖基本要求〗1）采用双光路结构，当任一被遮挡时，报警器发出间歇式声光报警 2）采用LED显示被遮挡的路数，无报警显示0，1路显示1，2路显示2，同时遮挡路显示3
3）采用5V供电
主要参考元件：光耦，555，74LS08，74L247 二
十二、电子节拍器
〖基本要求〗要求本节拍器具有声光显示功能，设有2/4,3/4,4/4三档节拍转 换开关，音响有强弱之分。节拍速度连续可调。〖提高要求〗 参考电路图
二十三、定时排气扇
〖基本要求〗实现总定时时间为8小时（可以调节，用发光二极管显示），占空比可调的间歇排气 〖提高要求〗 参才电路图
主要参考元件：555，CD4001，CD4017 二
十四、投弹游戏机
〖基本要求〗10个LED顺序点亮（移动速度可变），如果能够在点亮的同时将小球投中目标，则发出1000Hz庆贺声。〖提高要求〗
参考电路图：系统由多谐振荡器、十进制计数器、RS触发器，喇叭 主要元件：555，CD4017,CD4001 二
十五、数字式电容测试仪
〖基本要求〗同16题，采用A/D转换方式 〖提高要求〗
主要参考元件：7107，555，LM324 二
十六、宽范围可编程定时器
〖基本要求〗定时范围从几分钏到几个小时，由拨码开关预置 〖提高要求〗输出驱动继电器
系统主要电路图：分钟脉冲发生器，可预置计数器，分频器，驱动器以及报警器组成 二
十七、电阻在线测量仪 〖基本要求〗本仪器用于在不从电路板上焊下电阻的情况下检测电阻的阻值，测量的阻值分成4档，X1,X10,X100.X1K ,阻值采用31/2数字显示 〖提高要求〗 参考电路图
电阻测量部分+显示部分
主要元件：UA741,MC1403,MC14433,CC4511,MC1413,LED数码管 二
十八、新型数字温度温度计
〖基本要求〗1）利用555实现温度/脉宽转换 2）测量范围为0~50摄氏度，精度为0.1 3）用AD590温度传感器 4）数字化显示
〖提高要求〗提高测量精度的方法 参考电路图
温度由数字式温度传感器、单稳态定时电路、计数电路、译码驱动电路组成 主要元件：LM741,555,MC14553 二
十九、多功能流水灯
〖基本要求〗设计一个彩灯流水控制电路，其主要部分实现定时功能，即在预定时时间到来时，如何产生一个控制信号控制彩灯的流向、间歇等，可通过利用组合电路实现自控、手控、流向控制等功能。〖提高要求〗（1）用8个发光二极管作为彩灯显示，设计一个彩灯控制电路，能使彩灯控制电路，能使彩灯的流向可以变化，具有彩灯亮点的右移、左移、全移、全亮及全灭等功能。灯流动的方向可以手控也可自控，自控往返时间为10秒。
（2）彩灯可以间歇流动，10秒间歇1次，间歇时间为1秒。
三
十、基于CD4011红外线对射报警器的设计与实现 〖基本要求〗设计一款利用红外线进行布防的防盗报警系统，利用多谐振荡器作为红外线发射器的驱动电路，驱动红外发射管，向布防区内发射红外线，接收端利用专用的红外线接收器件对发射的红外线信号进行接收，红放大大电路进行信号放大及整形，以CD4011作为逻辑处理器，控制报警电路及复位，电路中设计报警信号锁定功能，即使现场的入侵人员离开，报警电路也将一直报警，直到人为解除方可取消报警。〖提高要求〗
三
十、基于555定时器的“叮咚”门铃的设计与实现
数字电路实验教学改革方案探讨 篇6
摘 要：文章主要探讨了学院在数字电路实验课程教学中存在的一些问题，然后从实验内容、教学方法及手段等方面提出了改进意见，以此提高教师的教学水平和学生的综合能力水平。
关键词：数字电路；实验教学；教学改革
数字电路实验是数字电子技术课程的重要实践环节，进一步培养学生工程能力的一门专业技术基础课，是一门实践性很强的课程。学生通过验证、自行设计电路，安装，调试电路，排除电路故障，初步掌握数字电子技术的原理，并能根据需要合理选用所需集成电路，设计并制作出实际电路，培养学生的工程实践能力，提高动手操作能力和创新能力，为后续专业学习打下坚实的基础。但目前学院的数字电子技术实验教学从教学内容的设置到教学方法的运用都存在一些影响学生基本操作技能形成的不利因素，必要进行改革。
1 实验内容的改革
数字电路实验是一门理论性和实践性都很强的课程，但是目前学院所使用的教材多为验证性实验，而且偏重理论和实践性的内容较少，实验内容相对简单。内容老化，手段单一，造成大部分学生动手能力得不到加强，不利于培养学生的综合分析设计的能力，不能适应当今社会对应用性、创新型人才的要求。
根据学生知识、能力培养的总体要求，合理编排实验内容。在实验内容的选定上，既有一定量的验证型实验，也有适量的设计型、综合型实验。两者缺一不可，各自起作用，比如：集成逻辑门电路的功能测试。属于验证型实验，该实验主要是帮助学生认识基本的逻辑芯片，验证基本逻辑芯片的功能，与此同时，在单纯依靠实验台时，可以适当结合计算机仿真软件，增加适量仿真型实验内容。在实验的操作过程中，把每个实验都分成两部分，第一部分是基础实验，通过实验是学生进一步巩固和加深对相关课程基本理论的理解，巩固基本概念、提高综合运用所学知识的能力；第二部分是延伸实验，目的是进一步提高学生对教学系统的理解、培养学生独立分析问题和解决问题的能力、综合设计及创新能力，培养学生进行科学研究的独立工作能力，取得工程设计与组装调试的实践经验。
2 实验教学方法的改革
实验过程机械化。实验过程一般是在实验箱上，学生按照老师的要求进行实验。每个实验分两节课。从实验内容、所用仪器，到实验步骤的安排，学生都没有选择的机会，处于一种相对被动的地位。因此，实验给学生的印象较肤浅。
实验设备比较陈旧、易损。 学院对实验室的资金投入不足，仪器质量不佳、易损。在实验过程中，元器件老化、损坏不可避免，但需要及时更新。检查芯片的好坏和线路相当复杂，每周的实验课时又多，严重影响教师和学生的学习。鉴于上述等等原因，笔者提出一些改进措施如下：
2.1 增加实验学时
基础实验、综合设计性实验、仿真实验学时分别按 3∶4∶3分配 ，以全面提高学生理论联系实际的能力、知识综合能力、创新设计能力。实行实验单独设课与实验成绩单独计算 ，极大地提高了实验环节在整个教学中的地位，改变过去实验教学只是从属于理论教学，实验学时不足，综合性实验偏少，创新性实验缺乏，实验质量的好坏对成绩影响不大的弊端。
2.2 改革考核方式
为了做到对学生的全面评价，实验成绩应标准化、定量化。实验课程的最后一次实验课程内容为实验考试，实验考试内容以考查学生完成综合性和设计性实验的实际能力为主旨，按A、B、C、D、E 评定成绩，该成绩占总成绩40 %。其中，实验报告占总成绩20%，平时的实验表现，特别是综合设计性实验的实验操作及完成情况占总成绩40% ，作为判断学生能力和全面发展的一个重要依据，这样提高广大学生的实验热情，变被动为主动。
3 改革实验教学手段
3.1 实施开放实验室
由于以往实验室横向定时开放，学生不能长时间的在实验室进行实验设计。横向定时开放指的是实验室只是根据课程表的安排，在规定的上课时间内开放。但是综合设计性实验不同于一般的验证性实验，需要的时间相对较长。为了能让学生学到更多的实验技术和科学的实验方法，从而也很难提高其实验技能和动手能力，必须开放实验室。开放实验室，首先，要求学生熟悉并已经掌握了简单的实验设备的使用。其次，要求学生在前一个星期就必须选择实验内容或者补做上课的实验内容。第三，要求学生必须严格遵守开放实验室管理条例进行实验操作。
3.2 仿真软件的使用
Multisim仿真软件具有丰富的元件库、虚拟仪器与仪表功能以及强大的仿真功能。教师可以借助该软件对数字电子技术中的部分设计型、综合型实验进行教学，引导学生使用Multisim设计数字电路，是学生能够通过反复修改设计，最终完成实验教学任务。在理论教学环节中，教师通过使用Multisim仿真软件，能够在理论教学过程中对数字电路进行现场演示并分析，用Multisim仿真软件进行仿真教学，教师可以在多媒体教室中深入浅出地分析各种集成逻辑芯片的特性。演示小规模集成电路的工作情况。
4 结语
在数字电路实验工作中，我们不仅注重实践动手能力的培养，更注重逻辑思维能力、综合运用知识能力、创新意识的培养，更要学生掌握工程设计的主要程序和方法，树立正确的设计思想。此外，如何将硬件和软件有机结合起来，如何利用现有的实验条件，对于实验室系统的运行和管理进一步完善，这些都还需要继续探讨。
参考文献：
[1]阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，1998.
[2]余魅.论实验教学改革与创新能力培养[J].实验科学与技术，2004，9（3）：45-46.
[3]朱孝钦，杨明，胡明辅.实验教学与改革初探[J].实验室研究与探索，2004，23（5）：84-85.
[4]周亚俊.全面改革实验教学，培养学生创新能力[J].实验室研究与探索，2004，23（7）：78-80.
如何引导学生学好数字电路 篇7
关键词：数字电路,学习,策略
职校的学生普遍存在着许多学习上的心理问题, 如, 对学习的动机和认识不正确;对学习的态度不端正, 没有良好的学习心理;缺少良好的学习习惯, 也没有获取正确的学习方法。数字电路课程是在物理、电工、模拟电路课程的基础上开设的, 是一门重要的专业基础课。如何引导学生学好数字电路这门课, 对学生以后的学习、工作起着至关重要的作用。
一、重新调整课堂教学结构
数字电路是一门强调应用的实践课程, 教材在内容设计上考虑到了这一点, 从学生掌握技能的实际出发, 设置了一定的梯度, 不但重视学生掌握课程基础知识, 更加突出培养学生运用知识解决具体问题的能力, 提高学生的动手能力。刚开学的第一次课我就会带着学生把数电这本书的目录浏览一遍, 让学生做到心中有数。告诉学生数电中其实主要讲了了两大类电路即组合逻辑电路 (无记忆功能) 和时序逻辑电路 (有记忆功能) 。就像模电里学习基本放大电路一样, 电路又是由一个一个小元器件组成, 所以在学电路之前先学习了三极管、二极管。同样数字电路里在学逻辑电路相关知识之前, 必须事先了解其主要的组成部分。逻辑门电路是构成组合逻辑电路的基本单元。教材开头已经安排了数字电路的基础知识, 其中讲解了基本逻辑门电路, 为后面学习数电打下了基础。第一章里还讲了数制转换、逻辑函数的化简 (公式化简、卡诺图化简) , 要求学生熟练掌握。逻辑门电路是数字电路的基本单元电路, 所以第二章逻辑门电路重点介绍了TTL和CMOS集成逻辑门电路的基本原理和外特性。要求学生重点了解它们的外特性及特点。第三章组合逻辑电路, 要求学生会对小规模集成电路 (SSI) 进行分析和设计。第四章讲了触发器, 教师要将其基本原理、基本功能和逻辑功能等基础性知识讲解到位, 不同的触发器如何切换这应该是教材的重点, 要及时关注。第五章主要讲解时序逻辑电路, 教师要帮助学生掌握时序逻辑电路的基本分裂、常见功能和结构特点。在教学重点的选择时, 关注计数器, 以此来让学生了解时序电路的基本设计策略和分析路径。能做到这些就可以说做到了对所学知识的拓展和延伸。经过分析, 学生对这门课有了基本的了解。
二、注重课堂教学的趣昧性
学生对学习内容是否感兴趣, 积极性高不高, 这些都是影响学习效果的重要因素, 教师在具体教学中不得不考虑这些问题。教师要精心创设各种问题情景, 用生动的情景把学生的心牢牢锁定在课堂上。如:数电里的逻辑“0”和逻辑“1”, 并不表示数的大小, 而是表示客观事物存在一种客观状态。有的学生课上睡觉这种状态, 我们就可以用“0”表示, 有的学生课上不睡觉, 认真听讲的这种状态, 我们就可以用“1”表示;在讲三种基本的逻辑关系的时候, 为了让学生理解什么是与逻辑, 可以举一个密码锁的例子, 假设设了六位密码, 只有六位数全输对, 锁才能开。密码与锁之间反映的就是与逻辑关系。就地取材, 举一个现实生活中的例子, 学生在欢笑中, 把知识在理解的基础上牢牢记住了。
三、尊重学生的主体地位
教师对学生的具体情况, 包括知识水平、能力状况等, 都要有详细的了解, 这一点可以通过多种形式实现。在讲解具体题目时, 要注重精练, 突出重点, 解决学生共同的难点, 让学生有所收获。例如, 有个别学生会发现教材上有的地方有错误, 很难得, 作为一名教师可以表扬学生, 由此树立其学习自信心;触发器这一章节, 讲了RS触发器逻辑功能的几种描述方法以后, 再讲JK、D触发器的时候, 告诉学生它们的逻辑功能以后, 可以让学生自己写出状态转换表、推出特性方程、状态转换图等。还可以尝试把学生分成几个小组讨论, 最后每组推出一个代表, 到讲台上边讲边解, 充分发挥学生的重要作用, 这样就能让所有的学生都把心思聚焦到课堂学习中来。
四、注意教学的差异性
数字电路的EMC研讨 篇8
近些年来,随着半导体技术及电路技术的提高,数字电路得到了快速发展,并在各种设备上得到广泛应用。但另一方面,随着数字电路的快速发展,信号传递中的畸变,电源接地等内部噪声的增大而导致的误动作或EMI(Elcctro M agneric Interference电磁干扰)问题,以及来自外部的侵入干扰造成的误动作问题也日益明显,使得EMC-电磁兼容越来越多地出现在我们的生活和工作中,所以,如何减少数字电路各部分的电磁干扰,使其能够安全有效的工作,越来越引起人们的重视。
1 电磁干扰与电磁兼容
1.1 电磁干扰
1888年德国物理学家赫兹首创了天线,第一次把电磁波辐射到自由空间,同时又成功地接受到电磁波,用实验证实了电磁波的存在,从而开始了对电磁干扰问题的实验研究。从那时至今的研究表明,电磁干扰源分为两大类:自然干扰源和人为干扰源。自然干扰源主要来源于大气层的天电噪声、地球外层空间的宇宙噪声;人为干扰源是由机电或其他人工装置产生的电磁能量干扰。随着电子设备和计算机等设备应用的日益广泛,大量设备采用的是会产生脉冲的开关电路和数字电路。由于数字脉冲电流和电压波形的上升前沿很陡,包含丰富的高次谐波分量,不仅传导到电源线,而且还向周围空间辐射,是一种频谱较宽的干扰源。因而如果在计算机或是大型脉冲数字电路附近测试电路的话,测试的结果往往是很不准确的。这并不是电路本身的问题,而是干扰源的问题,只要远离这些干扰源,电路测试就会显示出在误差范围内的结果,这是电磁干扰的明显示例[1]。
其次,不管是复杂系统还是简单系统,任何一个电磁干扰必须有三个基本条件:首先应该具有干扰源;其次有传播干扰能量的途径;第三还有被干扰对象的响应(被干扰对象称为敏感设备或敏感器)。
1.2 电磁兼容
由以上原因,从40年代提出EMC电磁兼容性。电磁兼容是指设备或系统在所处的电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何其它事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。各种设备电磁兼容的主要内容包括抗干扰和电磁发射控制两个方面。抗干扰是指系统和设备抵抗电磁干扰的能力;电磁发射控制指设备和系统发射的电磁能量的控制。设备的抗干扰性决定于该设备的工作原理、电子线路布置、工作信号电平,以及所采取的抗干扰措施。对于敏感设备来说,完全避免电磁干扰是不可能的,研究有效、经济和适用的抗干扰措施是未来电磁兼容领域的重要任务。
电子设备在接收目标信号时,也不可避免地接收到非目标信号和杂散电磁波动,轻则不能正常工作,重则可能遭致毁损。同时也必须意识到,工作中的电子设备自身所存在的电信号,也必将成为骚扰别的电子设备的“外来”骚扰源,这是一个共存现象。当然,这也不排除电子设备自身内部的各组件间、元器件间的骚扰现象。为此,提出所谓“电磁兼容”概念。
数字电路是电磁干扰的主要产生源之一,数字电路已经被广泛地使用到广播接收设备、通信设备和信息技术设备。但随着频谱分布密集化、输出功率的加大、电路运算速度的加快,使人们赖以生活的电磁环境越来越复杂。数字电路越向着高速度方向发展,就越需要考虑电磁兼容(EMC)。因此,如何减小数字电路里的干扰,使其能够安全有效的工作,越来越引起人们的重视。
2 数字电路中的常见干扰
对于一个数字电路来说,常见的干扰有以下四种情况:
(1)电源线干扰
在数字电路中,主要由于CPU、动态存储器和其它数字逻辑电路在工作过程中逻辑状态高速变换,造成电源线供电电流产生很大的瞬态变化。由于瞬态变化的电流具有很陡的上升和下降时间,因此包含丰富的高频分量,电源线的电感较大,会在电源线上产生电压降并且产生干扰(辐射),还有温度变化时的直流干扰以及供电电源本身产生的干扰等等。
(2)地线干扰
在数字电路中,如果在各部分的地线之间出现电位差或者存在接地阻抗便会引起接地干扰。地线上的干扰不仅会引起电路的误动作,还会造成传导和辐射。为了减小这些干扰,应尽量减小地线的阻抗。对于数字电路,地线阻抗决不是地线电阻。例如:宽O.5mm的印制线,每英寸的电阻为12mΩ,电感为15nH,对于160MHz的信号,其阻抗为9.24Ω,远远大于直流电阻。因此对于数字电路,减小地线电感是十分重要的。
(3)反射干扰
在数字电路中,要进行很多时钟信号和数字信号的传输,传输线路各部分的特性阻抗不同或与负载阻抗不匹配时,所传输的信号会在阻抗不连续处发生反射,使传输的信号波形出现上冲、下降和振荡,使信号波形发生畸变或产生震荡。反射还会降低器件噪声容限,加大延迟时间。而且如果当传输线、传输时间与传输的延迟时间大致相同时,反射会带来严重的后果,有的使传输的信息产生错误,有的使电压超过电路的极限值影响电路的正常工作。
(4)串扰
所谓串扰是指信号传输线在传输信号的过程中,在其相邻信号线上引起干扰,大多发生在扁平电缆、束捆导线或印制板电路上平行的印制导线之间。串扰的强弱与相邻两信号之间的互阻抗和信号本身的阻抗有关。产生的原因是在数字电路中,扁平电缆、束捆电线或PCB内平行印制导线之间的电磁感应,以及高速开关电流通过分布电容等寄生参数把无用信号成分叠加在有用信号上[21。
造成数字电路中的这些干扰,大体是以下两种原因所致:第一种是数字电路引起的电磁干扰;第二种是数字电路内部的电子器件引起电磁干扰。因此,要减小数字电路中的干扰,就要从这两个方面出发,来论述一些具体的降低干扰的措施。
3 数字电路中降低干扰的技术
在研究数字电路中降低干扰的技术,重点是研究构成数字电路PCB的降低干扰技术。PCB即印制电路板,是构成数字电路的基础,是使设备达到电磁兼容要求的关键部分,干扰抑制措施的最终都要体现在PCB上。正确的布线既能提高PCB的抗干扰能力,又能减少PCB本身的噪声发射,有效地抑制PCB电磁辐射的设计难度并不亚于逻辑电路本身的设计,所以应把印制电路板的电磁兼容设计作为整个设计过程的重要一环。
3.1 数字电路中电源线干扰的抑制
为了减小电源线干扰,最有效的措施是封装旁路电容。旁路电容的容量实际上使用的是O.01-O.luF的片型层积陶瓷电容等高频特性良好的电容。几个电容要封装在IC(集成电路)附近,并直接与多层板内的电源层或接地层相连,不要经过印制板的布线。最近的IC更加高速化,旁路电容的个数有增加的趋势,即使集成度低的场合也要每个IC封装一个以上电容,同时开关电路多的IC或过渡电流大的IC,每个IC上要封装两个以上的电容。LSI (大规模集成电路)或存储器等一个IC上要封装多个电容,并且在电源上接有上拉终端电阻的情况下,终端电阻也必须有充足个数的旁路电容。为了抑制电源层和接地层的谐振,在PC板上应封装无感旁路电容。PC板内层的电源层和接地层间的电容也可以作为旁路电容。要想在更宽的频率范围降低电源阻抗,就要预先在基板上或衬板上接入l00uF以上的电容,以使低频的阻抗也足够低[3]。
3.2 数字电路中地线干扰的抑制
地线作为电路基准点的等电位体,实际上它的电位并不是恒定的。地线中的电流是流动的,因为地线的阻抗总不会为零,当一个电流通过有限阻抗时,就会产生电压降。
3.2.1 地线干扰机理
(1)地环路干扰
在图一中是两个接地的电路。由于地线阻抗的存在,当电流流过地线时,就会在地线上产生电压。当电流较大时,这个电压就很大。例如附近有大功率电器启动时,会在地线中流过很强的电流。这个电流会在两个设备的连接电缆上产生电压。由于电路的不平衡性,每根导线上的电流不同,因此会产生差模电压,对电路造成影响。由于这种干扰是由电缆与地线构成的环路电流产生的,因此成为地环路干扰。地环路中的电流还可以由外界电磁感应场感应出来。
(2)公共阻抗干扰
当两个电路共用一段地线时,由于地线的阻抗,一个电路的地电位会受另一个电路工作电流的调制。这样,一个电路中的信号会耦合进另一个电路,这种偶合称为公共阻抗耦合,如图二所示。
公共阻抗耦合,在数字电路中,由于信号的频率较高,地线往往呈现较大的阻抗。这时,如果存在不同的电路共用一段地线,就可能出现公共阻抗耦合的问题,图二的例子说明了这种干扰现象。
3.2.2 地线干扰对策
3.2.2. 1 地环路对策
从地环线干扰的机理可知,只要减少地环路中的电流,就能减少地环路干扰。如果能彻底消除地环路中的电流,则可以彻底解决地环路干扰的问题。因此,有以下几种解决地环路干扰的方案。
(1)将一端的设备浮地
如果将一端的电路浮地,就切断了地环路,因此可以消除地环路电流。但有两个问题需要注意,一个是出于安全的考虑,往往不允许电路浮地。这时可以考虑将设备通过一个电感接地,但这样做只能减小高频干扰的地环路干扰。
(2)使用变压器实现设备之间的连接
利用磁路将两个设备连接起来,可以切断地环路的电流。但要注意,变压器初次级之间的寄生电容仍然能够为频率较高的地环路电流提供通路,因此变压器隔离的方法对高频地环路电流的抑制效果较差。提高变压器高频隔离效果的一个办法是在变压器的初次级之间设置屏蔽层。但一定要注意隔离变压器屏蔽层的接地端必须在接受电路一端;否则,不仅不能改善高频隔离效果,还可能使高频耦合更加严重。因此,变压器要安装在信号接受设备的一侧。
(3)使用光隔离器
另一个切断地环路的方法是用光实现信号的传输,这可以说是解决地环路的最理想的方法。用光连接有两种方法,一种是用光耦器件,另一种是用光纤连接。
(4)使用共模扼流圈
在连接电缆上使用共模扼流圈相当于增加了地环路的阻抗,这样在一定的地线电压作用下,地环路电流会减小。但要注意控制共模扼流圈的寄生电容,否则对高频干扰的隔离效果很差。共模扼流圈的匝数越多,则寄生电容越大,高频隔离的效果就很差。
3.2.2. 2 消除公共阻抗耦合
消除公共阻抗耦合的途径有两种,一是减小公共地线部分的阻抗,这样公共地线上的电压也随之减小,从而控制公共阻抗耦合。另一种方法是通过适当的接地方式避免互相干扰的电路共用地线,一般要避免强电电路和弱电电路共用地线,数字电路和模拟电路共用地线。
通过适当的接地方式避免公共阻抗的接地方法是并联单点接地,如图三所示。解决公共阻抗耦合的方法是减小公共地线部分的阻抗,或采用并联单点接地,彻底消除公共阻抗[4]。并联接地的缺点是接地的导线过多。因在实际中,没有必要所有电路都并联单点接地,对于互相干扰较少的电路,可以采用串联单点接地。
3.3 数字电路中反射干扰的抑制
数字电路信号传递中的反射越大波形畸变越显著,这会引起误动作或产生干扰极限下降的问题。以下是作为减少反射干扰的措施。
(1)利用终端防止反射
远端终端的方法是把收信方的最远端作为终端,使终端阻抗值和传送线路的阻抗一致时反射最小;两端终端的方法是在传送线路的两端用电阻作为终端,使终端阻抗值和传送线路的阻抗一致时反射最小;发信端终端的方法是在发信的输出部分插入串联电阻;二极管终端的方法是在受信方的输入部分和接地间并联插入肖特基二极管。当上升沿的反射也大时,电源线间也插入肖特基二极管。
(2)低阻抗驱动
为了在最短时间内提升发送端的信号,必须增大驱动器的驱动能力,使之比配线的特性阻抗大,即必须采用低阻抗驱动。与信号线连接的元件增多,元件的输入电容使实际有效的特性阻抗降低,因此必须使驱动器的驱动能力更高。
(3)使接受器远离驱动器
一般来说,离传送线路上的驱动器越近的部分,波形畸变越大。接受器的位置尽量远离驱动器。驱动器和接受器一对一的连接,波形畸变可以做得最小。
(4)协调配线的特性阻抗
PC板的特性阻抗,随着微型带状线路或带状线路的信号布线的宽度及绝缘层的厚度而变化。通过PC板表面层及内层的信号布线,必须有相同的特性阻抗,以减小反射。用电缆传送信号时,要使电缆的阻抗和信号布线的阻抗相匹配。
(5)缩短分支布线
在信号布线上如果有分支布线,在分支部分会产生特性阻抗的变化。越是高速信号越要缩短分支布线长度。
3.4 数字电路中串扰的抑制
(1)布置元器件时,所有的连接器最好都放在PCB的一侧;输入输出(I/O)驱动器应放在紧靠连接器处,I/0信号不要在印制版上传输过长的距离;当高速数字集成芯片与连接器之间没有直接的信号交换时,高速数字集成芯片应远离连接器;当高速数字集成芯片的信号线必须与连接器连接时,高速数字集成芯片应靠近连接器,尽可能缩短信号线的传输长度;多个晶体震荡器的谐波间脉冲可能引起一些问题,可能的话,在同一PCB上只同时使用一个晶体震荡器,或者使所需各种频率来自单个晶体震荡器。
(2)像高频与低频、大电流与小电流这些不相容的信号线,在布置时应注意把它们隔开,不要平行,分布在不同层上的信号线走向应互相垂直,这样可以减少线间的电场和磁场的耦合干扰。信号线的布置最好根据信号的流向顺序安排,一个电路的输出信号线不要再折回输入信号线的区域。
(3)在多种电平的信号传输时,应尽量把前后沿时间相近的同级电平信号划为一组传输,减小串扰和辐射。在系统中通常有CS、RD、WD、RESET、STB等控制线,CPU与其控制器件的传输距离较远且控制线路阻抗较高,易受脉冲噪声干扰,对RD、WR、STB等控制信号在被控制器件的输入端并接一个20pF电容能消除干扰。对控制线加缓冲驱动器,使控制线的阻抗变低,也具有抑制干扰的作用。
(4)对于空着不用的IC端子一定要妥善处理,否则噪声很容易通过分布电容而进入这些端子,对电路造成干扰。如TTL、CMOS电路不用的输入端加1-10千欧的上拉电阻,触发器不用的输出端并一个小容量陶瓷电容等等,就近接回流地也是一种办法。另外尽可能不用IC插座。
4 结束语
电磁兼容是电子设备系统工程的重要指标。当今电子产品的数量越来越多,各种电子设备发射功率越来越大,电子设备系统的灵敏度越来越高,并且接收微弱信号能力越来越强,同时电子产品频带越来越宽,尺寸越来越小,相互影响也越来越大,以上种种情况带来了电磁兼容的问题,因而在技术上,要求电子设备抗干扰能力要越来越强。
目前国际上十分重视电子产品的EMC设计,欧美、日本等国电子产品的电磁兼容标准是强制执行的。因此,在数字产品设计、试制过程中,应把EMC设计作为设计过程的重要一环,从元件选购、电路板设计及整机整体布局等方面严格按照数字电路相关抗干扰技术的设计要求,就可以设计、开发出具备良好电磁兼容性能和优良音视频性能的数字电路的电子产品。
参考文献
[1]李刚．电磁兼容及抗干扰技术[J]．琼州大学学报，2003，(5)．
[2]高照辉．数字电路PCB的电磁兼容设计[J]．无限电通信技术，2001，(27)：3．
[3]陈建．数字系统中的电磁兼容与电磁干扰抑制[J]．现代电子，1998，(2)．
数字电路教学之我见 篇9
一、掌握框架, 填充知识
《数字电路》相对于其它专业课而言相对简单, 书本各章节之间排列也很有规律。第一章介绍数制和码制, 数电的基本信息就是0和1, 这一章就是介绍如何用0和1来表示各种不同的信息。第二章门电路, 这一章就是介绍门电路的构成, 里面就要有模电作为基础。对于基础没打好的同学来说, 这一章的学习比较难, 为了不打击学生的学习积极性, 这一章节可以简要介绍, 毕竟后面的芯片不会讨论门电路的内部是怎么工作的。第三章是数电的重点之一——组合逻辑电路, 这一章的思路也很清晰, 先介绍组合逻辑电路的分析和设计, 然后以设计的思路来介绍几种常见的组合逻辑电路。例如:编码器、译码器、数据选择器、加法器等。第四章触发器, 介绍各种功能不同的触发器的工作特点, 以及他们不同的触发方式下动作特点不同。介绍了组合逻辑以及触发器, 下面就是由这两部分构成的时序逻辑电路, 同样是对这种电路进行分析和设计。后面是555芯片的应用, 如何通过这块芯片获得方波, 属于简单芯片的应用。最后一部分就是模拟信号和数字信号的相互转换, 这一章就是给学生一个概念, 不同的设备传输的信号不同。然而有的时候一个简单的应用里面就要把传输不同信号的设备连接起来, 这时候就必须有这个转换设备——ADC/DAC。
数电的章节设计很紧密, 前面是后面的基础, 这也就要求学生在学习的时候必须认真学好每个章节。知道这个框架之后再不断去充实它, 中间不能有任何的遗漏, 就像盖房子地基要牢固。知道要学什么的情况下, 再有目的的去听, 去看, 去问, 针对性更强, 学习效率更高。
《数字电路》虽然简单, 但是每个学生的基础不一样, 相同的问题, 有的学生认为简单, 其他的可能会觉得难, 这也是在教学过程中不可避免的问题, 针对这一问题, 只能是采取相应的教学方法, 听懂了的同学做相关的练习, 没懂的同学再讲解一遍, 尽量简单易懂, 练习只能让他们自己课外完成。
二、理论要用实验来辅助
实验室是大学生增强实践能力的重要场所, 实验又是检验学生实践能力的主要途径。实验室也是学生课外进行电子制作、开展实际操作的地方, 有了电子制作实验室, 学生就可以把在实验室中的数字电路设计、模拟电路设计和单片机设计等转化成产品, 同时也增加了学生的成就感。所以, 要想使学生达到理论和实践相结合, 培养出符合高职教育培养目标的合格毕业生, 就必须重视实验这个环节, 增加应用性实验室和实验设备, 为学生创造充分的条件, 使学生“学有所用”。
在理论课上我们可以用前面的基础得到一些结论, 总结一些规律。但是这些结论这些规律未免有些空洞, 它毕竟是建立在前面理论知识的基础之上, 对于一直在听讲的同学来说是一个结论, 一个记忆的捷径。而对于一直听的模糊、开小差的同学来说根本都算不上是结论, 只是一句简单的话, 过了就忘。这时候做一些验证性的实验就很关键, 用现象来巩固理论课得出来的结论, 同样也可以通过结论来验证实验现象是否属实, 有没有接错线之类的错误。这样理论指导实验, 实验验证理论, 可以加深学生对知识的理解以及对结论的记忆。
还要指出的就是在理论和实验课的开设先后顺序上面, 最好的方式是在讲完理论之后紧接着做相关实验, 这样巩固和记忆的效果可以达到最佳状态。
三、加强知识的应用性
理论有了, 实验也有了, 似乎还缺点什么, 那就是综合应用, 如何将我们所学的数字电路与实际应用联系起来是学生关心的问题, 以后我们工作的时候不可能单独讨论某块触发器, 或者某块芯片, 而是要用我们所学的星星点点的知识来实现某个功能。比如设计一个电子秒表就是数电知识的综合应用, 要用到基本的RS触发器、集成门电路构成的微分型单稳态触发器、555定时器构成的多谐振荡器、计数器和译码显示器。从而可见一个简单的电子秒表设计就必须要理解它里面各个组成部件的工作原理, 然后再系统的把实现单个功能的部件组合起来, 这样才是我们实际生活中用得上的数字电路。
由一个这样的简单例子, 我们可以看出要学好数电、用好数电, 必须是由分到总, 先要把数字电路的各个章节的知识学好, 然后再系统的把分支有效的组成一个实际应用的整体。然而数电教学也存在它的问题, 往往是分别介绍完各个单元之后, 整个数电的教学也就结束了, 少了“总”的环节, 而且是最重要的一个环节, 它把知识系统化, 给学生介绍一种设计理念, 教会学生如何把这些知识连贯起来, 把书本上的知识变成实际生活中可以应用的知识。所以如果可以的话, 我们的数电教材后面应该加上平时可以用得上的简单系统设计与制作。
在系统设计实验中, 对于实践能力强的学生可以采取以个人为单位选择实验题目, 通过自学、查阅资料后, 自行设计、制作、调试, 最终以汇报、答辩、作品的形式提交实验结果。而部分基础比较薄弱, 实践动手能力较差的学生可以在老师的指导下完成。教师主要在方案和方法上给予指导, 使学生学会“在做中学, 在学中做”, 引导学生如何发现问题、分析问题、解决问题, 培养学生获取新知识的能力、再学习的能力和创新的能力。
如果能够做好上面这些, 数字电路可以学好, 知识也可以系统化, 而且还可以让学生不那么盲目, 不再认为我们所学的理论和实践是脱节的、理论是没有用武之地的。同时可以使学习变得更有趣味, 提高学生的学习积极性。
摘要：数字电路的学习要以模电为基础, 除了基础知识, 还要学好课本各章节的知识, 用实验验证理论, 应用系统的设计将各知识点连贯起来, 理论实践相结合提高学习积极性。
《数字电路》实践教学探讨 篇10
1《电子技术基础》数字电路部分的课程地位与教学难度
当今世界,科学技术突飞猛进,21世纪人类社会的发展进入了信息化时代,而信息时代的“三大支柱”便是“微电子技术”、“计算机及网络技术”和“可编程控制技术”。《电子技术基础》尤其“数字电路”部分的学习正是为进一步学习和掌握这“三大技术”打下基础、铺平道路的。可见《电子技术基础》(数字电路部分)课程内容学习的重要地位和作用。
然而,《电子技术基础》作为电工电子类专业的一门专业技术基础课程,历届学生普遍反映在所有专业技术课程中是最难学的,作为担任过《电子技术基础》授课的教师们也都有同感。那么,《电子技术基础》数字电路部分教学难、学习难,难在哪里呢?
(1)抽象的理论知识
“电”本身就是一个十分抽象的概念,作为难度很大的《电子技术基础》(数字电路部分)课程,主要讲述了脉冲信号、开关元件、逻辑代数、门电路、触发器、振荡器以及基本数字电路单元和基本的单元数字电路等知识。这些知识,一开始就是相当抽象复杂、难以理解的。而职业学校的学生已有的知识结构和他们的心理发展特点,便决定了他们难以理解如此抽象复杂的理论知识,更反感于平淡泛味的课堂说教。他们乐于接受的是直观实际的现象演示和实验操作。他们偏重于动手能力和操作能力的训练,对枯燥的理论不感兴趣。
(2)复杂的电路结构
《电子技术基础》(数字电路部分)课程在介绍数字电路基本知识、基本分析方法和基本门电路后,重点介绍了基本数字电路单元和基本的单元数字电路。前者有维阻D触发器、主从JK触发器,后者有编程器、译码器和计数器等。这些电路都是一些中、小规模集成电路,电路结构相当复杂,例如:维阻D触发器从结构上讲,就是一个由六个与非门电路组成的六门触发器,其电路之复杂,使学生几乎无法接受。另一方面讲,学生也完全没有必要对如此复杂的电路结构和工作原理进行细研深究。对于维阻D触发器这一数字电路单元,实验室有74LS74型小规模集成块。只要让学生认识实物,搞懂集成块管脚排布,知道其逻辑功能,会筛选、应用、检测便足够了。如果任课教师在教学过程中,不能正视这一现实,充分挖掘实验室潜力,加强实践教学环节,而一味照本宣科的实施“填鸭”式教学,那势必造成“教师讲课云天雾地,学生听讲雾里看花”的尴尬局面,教学效果也将是事倍功半。
可见,《电子技术基础》(数字电路部分)教学难、学习难的主要原因可归结为实践教学环节的匮乏。如果我们的教师能够加强学习,与时俱进,树立现代教育新观念,不断探索教学改革新路子,充分利用实验室现有条件,不断开发实验新课题,多做演示,多开实验,强化《电子技术基础》(数字电路部分)实践教学环节,寻找理论和实践的结合点,少一些枯燥、抽象的理论课堂说教,多一点有趣、具体的动手实践,必将取得良好的教学效果。
2电子技术基础中数字电路部分实践教学的途径与思考
在总结以往教学经验的基础上,针对新一轮《电子技术基础》课程中数字电路部分的教学,我偿试理论讲授与实验操作一体化教学的探讨与实践,取得了宝贵的经验,初步形成了《数电》实践教学的新模式。具体做法是:
(1)吃透教材体系,重建知识构架
《电子技术基础》(数字电路部分)是一门极为复杂抽象而又相当重要的电工电子类专业基础课程。要取得良好的教学效果,就需要任课教师吃透教材体系,弄清结构模块,搞懂课程特点,重建知识构架。针对职业教育培养目标,我在教学过程中,把整本教材分为两大体系,即理论基础知识部分和基本操作技能部分。并采取灵活多样的教学方法和手段,进行了理论与操作融会贯通的探究式教学新模式,收到了良好的教学效果。
(2)理论课堂讲授,侧重知识点学习
理论基础知识部分包括了将各章节理论知识归纳概括出若干知识点。每一知识点又包含若干概念、原理、特征及应用等内容。根据职业教育培养目标,教学活动应讲求三个“基本”、一个“原则”,即讲清基本原理,掌握基本方法,强调基本操作技术;理论知识要求“必须够用”的原则,不刻意追求系统性而强调基本知识。因此,课堂教学中,教师要紧紧抓住各个知识点,深入浅出或简明扼要的讲解阐述,类比分析,以期学生理解掌握。实践证明,有了学科知识点,教师的教目的明确,便于有的放矢;学生的学重点突出,易于触类旁通,达到了预期的教学目的。
(3)实验操作训练,立足能力培养
基本操作技能部分,为便于学生实验技能的提高,针对教材知识体系,结合学生实际以及实验室现有条件,整理编写了《数字电路实验操作指导》,它包括了十二个基本技能训练课题。这些课题是在学生掌握相应知识点后,站在“学以致用,在用中学”的高度,结合我校实际开发整理出来的。它是数字电路课程教学中进行实验操作训练的蓝本和依托。
在进行课题训练时,要采取灵活多样的一体化教学方式,首先让学生明确训练目的,实验原理,搞清实验操作的理论依据,注意安全操作规范,做到心中有数,有备而来,用理论指导实践。操作过程中,要引导学生注意观察,勤于思考,善于发现问题,提出问题,寻求解决问题的方法和途径,使理论和实践融为一体。实验结束后,要求学生按照建议的报告格式,严肃认真的写出实验报告。通过书写报告,一方面回忆实习全过程,巩固所学。另一方面还可以总结训练过程的得失,看到收获与成绩,明确努力方向。实践证明,通过实验操作训练这一重要的教学环节,学生能够变被动学习为主动求知,激发了学习兴趣,改变了思维方式,提高了动手能力,促进了知识点的学习,同时也培养了学生的共处意识和团队精神,学生整体素质得到全面提高。
总之,数字电路是一门实践性很强的课程,而增强实践性教学环节,提高学生动手能力和操作技能,正是《电子技术基础》(数字电路部分)课程教学改革的有效途径,也符合职业教育的培养目标。时代在发展,技术在进步,为适应社会需要,扩大教改成果,我认为在进行教学改革探索中,还应注意以下几点:
(1)转变教学观念,树立“以学生为本”的现代教育新理念;
(2)明确培养目标,正确处理知识学习与技能培养的关系;
(3)把握实验操作和技能训练的各个环节,废弃传统的实验与实习教学方式,积极创建专业课一体化教学新模式;
论数字电路系统的测试与实验分析 篇11
掌握数字系统的分析和设计方法。
能够熟练地、合理地选用集成电路器件。
提高电路布局、布线及检查和排除故障的能力。
培养书写综合实验报告的能力。
（二）实验要求
1.根据设计任务要求，掌握数字系统的分析和设计方法。首先按单元电路进行设计，然后选择合适的元器件，最后画出总原理图。
2.安装调试电路直至实现任务要求的全部功能。对电路要求布局合理、走线清楚、工作可靠。
3.写出完整的实验报告，包括调试中出现异常现象的分析和讨论。
（三）实验说明
1.数字系统的设计方法。数字电路通常是由组合逻辑和时序逻辑功能部件组成的，这些功能部件可以由各种各样的SSI（小规模）、MSI（中规模）、LSI（大规模）器件组成。数字电路系统的设计方法有试凑法和自上而下法。下面对这两种方法进行简要介绍。
试凑法的基本思想是把系统的总体方案分成若干个相对独立的功能部件，然后用组合逻辑电路、时序逻辑电路的设计方法，分别设计并构成这些功能部件；或者直接选择合适的SSI、MSI、LSI器件实现上述功能，最后把已经确定的部件按要求拼接组合起来，构成完整的数字系统。
近年来，随着中、大规模集成电路的迅猛发展，许多功能部件的读数据选择器、译码器、计数器和移位寄存器已经大量生产和广泛使用，不需按照组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计方法来设计，可直接用这些部件来构成完整的数字系统。对于一些规模不大，功能不太复杂的数字系统，选用中、大规模器件，采用试凑法设计，具有设计过程简单，电路调试方便，性能稳定可靠等优点，因此，仍被广泛使用。
自上而下（或自顶向下）的设计方法适合于规模较大的数字系统。由于系统的输入变量、状态变量和输出变量的数目较多，很难用真值表、卡诺图、状态表和状态转换图来完整、清晰地描述系统的逻辑功能，需要借助某些工具对所设计的系统功能进行描述。通常采用的工具有：逻辑流程图、算法状态机流程图、助记文件状态图等。
这种方法的基本思想是，把规模较大的数字系统从逻辑上划分为控制器和受控制器电路（受控电路）两大部分，采用逻辑流程图或ASM图或MDS图来描述控制器的控制过程，并根据控制器及受控制器电路的逻辑功能，选择适当的SSI、MSI功能器件来实现。控制器或受控器可分别看成一个子系统，所以，逻辑划分的工作还可以在控制器或受控器内部多重进行。按照这种设计思想，一个大的数字系统，首先被分割成不同层次的许多子系统，再用具体的硬件实现这些子系统，最后把它们连接起来得到完整的数字系统。自上而下设计方法的步骤如下：
（1）明确设计系统的逻辑功能。
（2）拟定数字系统的总体方案。
（3）逻辑划分，即把系统划分成控制器和受控电路两大部分，规定具体的逻辑要求，不涉及具体的硬件电路，如下图所示。
（4）设计受控电路及控制器。受控电路可以根据其逻辑功能选择SSI、MSI、LSI功能部件来实现，由于控制器是个复杂的时序逻辑系统，很难用传统的状态图来描述其逻辑功能，如果采用ASM图或MDS图来描述控制器的逻辑功能，再通过程序设计反复比较判断各种方案，则可不受条件限制地导出控制器的最佳方案。
现代数字系统的设计，可以用EDA工具，选择PLD器件来实现电路设计，可以将上面的描述直接转换成EDA工具使用的硬件描述语言送入计算机，由EDA完成逻辑描述、逻辑综合及仿真等工作，完成电路设计。
自上而下的设计过程，并非是一个线性过程，在下一级定义和描述中往往会发现上一级定义和描述中的缺陷或错漏。因此，必须对上一级的定义和描述加以修正，使其更真实地反映系统的要求和客观可能性。整个设计过程是一个反复修改和补充的过程，是设计者追求自己的设计目标日臻完善的积极努力的过程。
2.试验电路的故障检查和排除。在实验中，当电路不能完成预期的逻辑功能时，就称电路有故障。典型故障有三类：设计错误导致的故障，布线错误导致的故障，器件与底板故障。其中大量的故障是由于接触不良造成的，其次是布线错误（漏线和错线），因集成器件本身问题导致的故障是较少的。
数字电路老化失效预测与防护 篇12
现在电子技术发展很快, 电子产品的集成度也越来越高, 工艺相对来说比较复杂, 在制造的过程中, 会因为使用的材料、设计和工艺程序不合理导致产品不符合要求, 在使用过程中就会出现产品老化很快, 结构组织不稳定。电路的老化也很容易受温度、湿度等外在环境的影响, 电路在长期工作状态下, 就会因为温度过高而出现老化现象。
数字电路老化在不同的层次有不同的表现特征。在器件级, 电路的老化会使逻辑门翻转的速度逐渐减慢;在电路级, 老化会增大电路的整体时延, 引起时序违例, 最终会导致电路的失效;在晶体管级, 电路老化会使晶体管发生饱和, 漏极电源逐渐减小, 电压升高。电路老化会使数字电路的性能大幅度下降, 因此, 只有对数字电路老化进行失效预测和防护才能提高电子产品的性能, 也能减少后期的维护成本, 延长电路寿命。
2 数字电路老化失效预测方法
2.1 建立相关数字老化模型
建立老化电路模型可以更好地分析电路中比较敏感的通路, 能有效预测电路的老化现象。数字电路的基本组成元件是晶体管, 所以建立晶体管级的老化模型受到越来越多的关注。在现代纳米工艺中, 电路老化的主要因素就是NBTI效应, 所以晶体管老化模型的研究目标就是NBTI效应。在该效应中, 由于表面硅氢键断裂, 晶体管中就会有氢气溢出, 这样就会引起阙值电压的升高。反应晶体管老化的主要参数就是阙值电压, 通过电压变化和时延变化值进行整合, 来进行电路老化失效的预测。
2.2 对数字电路老化进行在线测试
在数字电路中采用aging sensor的老化测试方法, 通过判断时钟采样沿和逻辑信号的跳变来判断电路是否存在问题。Aging sensor的在线监测是检测电路老化比较常用的方法, 电路老化主要表现在路径时延的增加, 图1就是基于aging sensor的老化在线测试结构。
它的测试方式可分为老化检测和预测两种, 检测的目的主要是发现数字电路中存在的问题和故障, 如果电路存在问题时, 会发出预警信号;老化测试的目的是在电路要发生故障时, 发出预示信号, 图2、图3揭示了预测和检测之间的区别。检测窗口在时钟采沿之后叫做Detection Slack, 预测窗口采沿之前叫作Guardband[1]。
在预兆单元的基础上进行老化测试, 首先在电路中插入一条功能电路做参考。在测试中, 要采集预兆单元上的数据和正常标准的数据相比较, 通过比较数据来看电路的老化情况。
3 数字电路老化的防护
第一, 调整工作参数。调整工作参数就是通过调整电路工作中的相关电气参数来防止物理器件的快速老化。目前主要通过调整电路的频率和动态电压来实现。阙值电压的不断升高, 会导致器件的翻转速度下降, 将电压调小, 就可以减少阙值升高带来的问题。
第二, 输入向量控制。输入向量控制是指在电路静止状态下, 向电路输入向量, 使老化的晶体管栅级保持高电平, 使晶体管处于恢复时期, 用来减缓电路的老化现象。
采用时序拆借的老化容忍方法也能在一定程度上延缓电路老化, 主要针对的是流水电路, 利用的是不同的路径时序量不同的原理, 在路径增大时, 挪用其他路径上的时序量增大本路径的时间, 从而防止时序违例情况的发生。但是这种方法只适用于流水电路的防护[2]。
第三, 合理控制受压时间来延缓电路老化。晶体管的受压时间越长, 就会导致电路老化情况越来越严重。控制晶体管的受压时间能有效减缓电路老化, 如果不是非常必要的情况下, 尽量让它保持空载状态, 这样就可以减缓晶体管的老化速度。其中最常用的方法就是控制冗余电路分流工作和控制逻辑门带电时间。
4 结语
纳米技术下数字电路的应用虽然给人们的生活带来了很多方便, 但是它也存在老化严重这一问题, 应该加强数字电路的预测和防护, 减缓电路的老化, 延长电路的使用寿命。
摘要：随着半导体工艺的发展, 数字电路的性能得到很大的提高, 但是电路老化现象变得异常严重。本文针对电路老化现象进行了预测, 并提出了相应的防护措施。
关键词：数字电路老化,失效预测,防护
参考文献
[1]徐辉.集成电路老化预测与容忍[D].合肥:合肥工业大学, 2013.
[2]史冬霞.数字集成电路老化预测及单粒子效应研究[D].合肥:合肥工业大学, 2013.