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1、项目6简单逻辑门电路的安装与测试【项目目标】知道什么是数字信号及数字信号的基本特点。学会数制与编码的基本运算。能识读门电路符号。会分析基本门电路的逻辑功能。【参考学时】10学时任务1 数字信号的认识【教学目标】认识数字信号。了解数字信号的进制关系。学会数字信号的逻辑运算方法。【教学重点】数字信号的特点【教学难点】数字信号的逻辑运算方法【参考学时】 3学时【教学过程】一、任务导入以生活中电视机作为导入，比较现在的数字电视和传统的闭合电视的区别，让学生认识到数字电视的优势，激发学生学习兴趣。二、任务准备1、数字信号与模拟信号模拟信号是指：物理量的变化在时间上和幅度上都是连续的。把表示模拟量的信号称
2、为模拟信号。声音、温度、速度等都是模拟信号。 图6-2模拟信号 图6-3数字信号数字信号是指：物理量的变化在时间上和数值（幅度）上都是不连续（或称为离散）的。把表示数字量的信号称为数字信号。十字路口的交通信号灯控制电路、数字式电子仪表、自动生产线上产品数量的统计等都是数字信号。矩形波信号是典型的数字信号。数字信号的特点是：突变和不连续。数字电路中的波形都是这类不连续的波形，通常这类波形又称为脉冲。2数字电路的特点把工作在数字信号下的电路称为数字电路。数字电路具有以下特点：数字电路所研究的问题是输入的高、低电平与输出的高、低电平之间的因果关系，称为逻辑关系。 在数字电路中，输入信号也称为输入变量
3、，输出信号称为输出变量，输出变量取决于输入变量，这种关系也称逻辑函数，它们均为二值量，非“0”即“1”。由于数字电路的输入和输出变量都只有两种状态，因此组成数字电路的半导体器件绝大多数工作在开关状态。当它们导通时相当于开关闭合，当它们截止时相当于开关断开。3.数字信号的二进制数数字电路中经常使用的数是二进制数。二进制数的特点是： 仅有二个有效的数码：0、1。按照“逢二进一、借一当二”的规则计数。同一个数码在不同的位置时位权不同。 二进制数的位权从低位到高位分别为 1（20）、2（21）、4（22）对于第n位二进制数，位权为2n-14.数字信号的编码 在二进制数字系统中，每一位数只能用0或1表示
4、两个不同的信号。为了能用二进制数表示更多的信号，把若干个0和1按一定的规律编成“代码”，并赋予每个代码以固定的含义，这就叫做“编码”。用4位二进制数表示1位十进制数，这种用于表示十进制数的二进制代码称为二-十进制代码(Binary Coded Decimal)，简称为BCD码。 表6-1 几种常见的BCD码8421码2421码5421码余3码格雷码00000000000000011000010001000100010100000120010001000100101001130011001100110110001040100010001000111011050101101110001000011
5、1601101100100110010101701111101101010100100810001110101110111100910011111110011001101三、任务实施1把十进制数（143.8125）10转换成为二进制数 整数部分转换的方法：除2取余法。即把给定的十进制数用短除的方法除以2，取出余数（0或1），一直到商0为止。 小数部分转换的方法：乘2取整法，即把所给的小数乘以2，依次取出整数。 即（143.8125）10（10001111.1101）2 2把二进制数（1101010）2转换成为十进制数 方法：把1101010按权展开，然后相加（1101010）212612502
6、4123022121020 643282（106）103十进制数与8421码之间的互相转换将十进制数转换成8421码的方法是：将每一位十进制数用四位二进制代码表示，按位转换。例：（57）10（0101 0111）8421BCD将8421码转换成十进制数是：将8421码每四位分为一组，每一组对应一位十进制数。例：（1001 0110）8421BCD（96）10四、任务小结完成工作任务评价表你回答符合要求吗？A符合 B不符合你运算结果正确吗？A正确 B不正确你换算时所用的方法合理吗？A合理 B不合理你对数字信号了解吗？A有 B没有你在完成本次任务中最大的困难在哪里？你对完成本次任务的自我评价：五、
7、任务拓展在实际的数字电路中，图6-3的理想数字信号由于电路传输特性的影响是不存在的，实际的数字信号如图6-4所示，称为数字脉冲，可以用如下的五个参数来描述。 脉冲的幅度Um：脉冲的底部到脉冲的顶部之间的变化量。 脉冲的宽度tw：从脉冲前沿的0.5Um到脉冲后沿的0.5Um两点之间的时间间隔称为脉冲的宽度，又可以称为脉冲的持续时间。 脉冲的重复周期T：在重复的周期信号中两个相邻脉冲对应点之间的时间间隔称为脉冲的重复周期。 脉冲的上升时间tr：指脉冲的上升沿从0.1Um上升到0.9Um所用的时间。 脉冲的下降时间tf：指脉冲的下降沿从0.9Um下降到0.1Um所用的时间。图6-4 实际矩形脉冲的主
8、要参数任务2 74系列集成门电路逻辑功能的测试【教学目标】认识基本逻辑门电路及其原理。认识组合逻辑门电路及其原理。能够进行逻辑门电路的化简。掌握74系列集成门电路的逻辑功能测试方法。 【教学重点】掌握74系列集成门电路的逻辑功能测试方法。【教学难点】能够进行逻辑门电路的化简。【参考学时】 3学时【教学过程】一、任务导入以逻辑笔在测试时的作用作为导入，让学生认识逻辑笔的功能与重要性，激发学生学习兴趣。二、任务准备1基本逻辑门电路（1）“与”逻辑 与门以如图6-5（a）所示的串联开关电路引入，提问灯亮的条件：只有当开关A、B（条件）都闭合时，灯（结果）才亮。 图6-5 “与”逻辑只有决定某件事情的
9、所有条件都具备时，结果才会发生。这种结果与条件之间的关系称为“与”逻辑关系，简称“与”逻辑。与逻辑的逻辑符号如图6-5（b）所示。与运算符号为“ ”，与逻辑用表达式表示为Y AB或写成 YAB。与运算又称逻辑乘。（2）“或”逻辑或门以如图6-6（a）所示的并联开关电路引入，提问灯亮的条件：当开关A或B（条件）闭合时，灯（结果）就会亮。图6-6 “或”逻辑当决定事物结果的几个条件中，有一个或一个以上的条件得到满足时，结果就会发生，这种逻辑关系称为或逻辑。或逻辑的逻辑符号如图6-6（b）所示。或逻辑运算符号为“”。或逻辑用表达式可以表示为：YAB，或运算又称为逻辑加。（3）“非”逻辑非门以如图6-
10、7（a）所示电路引入，提问灯亮的条件：当开关A（条件）断开时，灯（结果）才会亮。图6-7 “非”逻辑条件具备时结果不发生，条件不具备时结果才发生。这种结果与条件之间的关系称为“非”逻辑关系，简称非逻辑。非逻辑的逻辑符号如图6-7（b）所示。非逻辑符号为变量上加“”。非逻辑用表达式可以表示为：，非逻辑也称为逻辑求“反”。（4）真值表在上面的三种基本逻辑关系中，如果用逻辑变量A、B表示两个开关，用“1”表示开关“闭合”，用“0”表示开关“断开”；用Y表示灯的状态，并且用“1”表示灯“亮”，用“0”表示灯“不亮”，则可以列出如下三个表格，这些表格称为真值表。 “与”逻辑真值表ABY000010100
11、111“或”逻辑真值表ABY001011101110“非”逻辑真值表AY01102组合逻辑门电路将与、或、非三种基本逻辑运算合理的组合起来使用，这就是组合逻辑运算。与之对应的门电路称为组合逻辑门电路。常用的组合逻辑运算有与非运算、或非运算、与或非运算、异或运算、同或运算等。（1）“与非”逻辑与非门表6-3 二变量“与非”逻辑真值表ABY001011101110二变量“与非”逻辑的逻辑符号为： “与非”逻辑的表达式可以写成：。（2）“或非”逻辑或非门表6-4 三变量“或非”逻辑真值表ABCY00010010010001101000101011001110 “或非”逻辑的逻辑符号为： “或非”逻辑
12、的表达式可以写成： 。（3）“与或非”逻辑 与或非门表6-5 四变量“与或非”逻辑真值表ABCDY00001000110010100110010010101101101011101000110011101011011011000110101110011110 “与或非”逻辑的逻辑符号为： “与或非”逻辑的表达式可以写成：（4）“异或”逻辑异或门 “异或”逻辑的逻辑关系是：当A、B两个变量取值不相同时，输出Y为1；而A、B两个变量取值相同时，输出Y为0。表6-6“异或”逻辑真值表ABY000011101110“异或”逻辑的逻辑符号为： “异或”逻辑的表达式可以写成：，或写成：， （5）“同或”逻
13、辑 “同或”逻辑的逻辑关系是：当A、B两个变量取值相同时，输出Y为1；而A、B两个变量取值不相同时，输出Y为0。表6-7“同或”逻辑真值表ABY001010100111 “同或”逻辑的逻辑符号为：“同或”逻辑的表达式可以写成：，或写成。三、任务实施174系列集成芯片的管脚排列将这些芯片如图6-13这样放置，左下角为1号管脚。其管脚排列如图6-14所示，图中VCC接电源正极，GND接电源负极，A、B为每个逻辑门的输入端。 图 6-13 芯片实物图 图 6-14 管脚排列Y为逻辑门的输出端，前面的数字1、2、3、4表示几个不同的逻辑门。2.连接电路进行调试（1）准备元器件（2）将按钮、芯片、电阻和
14、发光二极管安装在面包板上（3）按学生工作页（2）中所示电路原理图接线（4）将直流稳压电源调至+5V输出（5）将电路接到电源输出端进行调试四、任务小结完成工作任务评价表你装接的线路符合要求吗？A符合 B不符合你连接的电源正确吗？A正确 B不正确你选用和量程与测试的数据合理吗？A合理 B不合理你对74系列的集成芯片有了解吗？A有 B没有你在完成本次任务中最大的困难在哪里？你对完成本次任务的自我评价：五、任务拓展1逻辑电路的数学工具逻辑代数（1）逻辑代数中的变量和常量的规定 逻辑代数中的变量用大写英文字母A、B、C表示，称为逻辑变量。每个逻辑变量的取值只有 “0”和“1”两种。逻辑代数中的常量，只有
15、两个“0”和“1”。 （2）正逻辑和负逻辑的规定 脉冲信号的高、低电平可以用“1”和“0”来表示。规定：如果高电平用“1”表示，低电平用“0”表示，则称这种表示方法为正逻辑。以后如果无特殊声明，均采用正逻辑 。（3）逻辑代数的公理、基本定律、三个基本规则公理： ， ；11=1；0+0=0 10=01=0；1+0=0+1=1 00=0；1+1=1 若A0，则A=1；若A1，则A=0。表6-10 逻辑代数的基本定律定律名称逻辑代数表达式交换律AB=BAA+B=B+A结合律A（BC）=（AB）CA+（B+C）=（A+B）+C分配律A（B+C）=AB+ACA+BC=（A+B）（A+C）01律1A=A0
16、A=00+A=A1+A=1互补律A=0A+=1重叠律AA=AA+A=A反演律（德摩根定律）还原律=A吸收律A+AB=AA+B=A+BA（A+B）=AA（+B）=AB还原律AB+A=A（A+B）（A+）=A冗余律AB+C+BC=AB+C三个基本规则：代入规则：利用此规则可以扩展公式。 对偶规则：利用此规则可使公式的证明减少一半。反演规则：利用此规则可以直接求某一函数的反函数。2TTL门电路常识随着技术的不断发展，我们在实际工作中已经很少使用分立元件的逻辑门电路，一般都采用集成逻辑门电路。最常用的是TTL和CMOS集成逻辑门电路。TTL门电路是晶体管-晶体管逻辑门电路的简称，这种电路由于输入级和输
17、出级均采用晶体三极管而得名。按照国际通用标准，根据工作温度不同，TTL电路分为54系列和74系列；根据速度和功耗的不同，TTL电路又分为标准系列、高速（H）系列、肖特基（S）系列和低功耗肖特基（LS）系列。我们这里所要用到的74LS04反相器集成电路就属于低功耗肖特基系列TTL电路。这个系列与标准型相比较，不仅速度较高而且功耗也很低，现已成为整个TTL的发展方向。门电路的主要参数有输出高电平VOH、输出低电平VOL、输入短路电流Iis、扇出系数N0等。3.面包板简介面包板是专为电子电路的无焊接实验设计制造的。由于各种电子元器件可根据需要随意插入或拔出，免去了焊接，节省了电路的组装时间，而且元件
18、可以重复使用，所以非常适合电子电路的组装、调试和训练。整板使用热固性酚醛树脂制造，板底有金属条，在板上对应位置打孔使得元件插入孔中时能够与金属条接触，从而达到导电目的。一般将每5个孔板用一条金属条连接。板子中央一般有一条凹槽，这是针对需要集成电路、芯片试验而设计的。板子两侧有两排竖着的插孔，也是5个一组。这两组插孔是用于给板子上的元件提供电源。任务3 逻辑笔的制作与测试【任务目标】掌握电子元器件的成型标准，并能对元器件成型与插装。掌握手工焊接工艺要求，并能进行手工焊接。 会分析逻辑笔电路的工作原理。 能够完成逻辑笔的制作和调试。【任务描述】数字电路中的逻辑状态最常见分两种：即高电平“l”、低电
19、平“0”。本任务利用常用的TTL集成电路芯片（74LS04）和发光二极管制作出能显示高、低电平的逻辑笔。【知识准备】1.原理分析如图6-20，当测试端Vi为高电平时，与它直接相连的1号管脚也是高电平，根据反相器（非门）的原理，2号管脚为低电平，4号管脚为高电平，6号管脚为低电平，8号管脚为高电平，12号管脚为高电平，10号管脚为低电平，因此，B点的电位高于C点的电位，LED2红色发光二极管被点亮。提问：当测试端Vi为低电平时，各管脚的电平高低如何？图6-20 用TTL逻辑门制作的逻辑笔原理图2认识74LS04 图6-21 74LS04集成块与管脚排列74LS04是一块集成了六个反相器的TTL逻
20、辑门集成块，如图6-21所示，它的14号管脚（VCC）接5V电源，7号管脚（GND）接地，1、3、5、9、11、13号管脚为输入端，2、4、6、8、10、12号管脚为对应的输出端。三、任务实施连接电路进行调试步骤：（1） 准备好所需元器件。（2） 按照学生工作页（2）中所示电路图，在合适的位置装好14脚管座和发光二极管，并进行焊接。（3） 连接好电源线，装上探针和芯片。（4） 连接好5V电源，用金属探针分别接触电源的正、负极，观察发光二极管亮灭情况。（5） 同学之间相互使用逻辑笔测试74LS04各管脚的逻辑状态记录在学生工作页（2）中表格，并与理论值进行对照。四、任务小结完成工作任务评价表你装
21、接的线路符合要求吗？A符合 B不符合你连接的电源正确吗？A正确 B不正确你选用和量程与测试的数据合理吗？A合理 B不合理你对逻辑笔的工作原理有了解吗？A有 B没有你在完成本次任务中最大的困难在哪里？你对完成本次任务的自我评价：五、任务拓展发光型逻辑笔的测试结果需要用眼来观察。由于现代电子制作技术的高度发展，所制作的电路板上布置的焊点十分密集。所以测试时必须全神贯注，目光时刻不能离开测点。因此制作一个能够发声的测试器，使我们的耳朵也能在测试中派上用场，将会大大提高测试效率。另外，74LS04集成块制作的逻辑笔有一个明显的缺陷，就是芯片的电源电压一定要5V，在实际工作中每次使用逻辑笔都要携带电源比较麻烦，而CMOS集成逻辑门的电源电压范围比较宽，可以直接使用电路中的电源，所以现在很多制作逻辑笔的电路都是使用CMOS集成逻辑门电路。图6-26就是一个用两块CD4011与非门制作的会发声的逻辑笔的电路。图6-26 用CMOS逻辑门制作的会发声的逻辑笔【项目总结】通过本项目的学习我们知道逻辑代数是分析和研究数字逻辑电路的基本工具，逻辑门电路是构成数字电路的基本逻辑单元。掌握各种门电路的逻辑功能和电气特性，对于正确使用数字集成电路是十分必要的。
