数字电子技术基础实验

1第一篇数字电子技术基础实验实验一数制及半导体器件的基本知识一、实验目的1、熟悉二进制、十进制、十六进制的表示方法。2、掌握二极管、三极管、MOS场效应管的开关特性。3、学会分立元件门电路逻辑功能的测试方法。二、实验原理和电路1、数制十进制是人们在日常生活及生产中昀熟悉、应用昀广泛的计数方法。它由0、1、2、3、4、5、6、7、8、9十个不同的数字符号组成，是以10为基数的计数体制。其中，低位和相邻高位之间的关系是“逢十进一”，故称为十进制。任意一个十进制数D均可展开为D=∑kix10i其中ki是第i位的系数，它可以是0—9这十个数码中的任何一个。若整数部分的位数是n，小数部分的位数是m，则i包含从n-1到0的所有正整数和从-1到-m的所有负整数。二进制是数字电路和计算机中采用昀广的一种数制，它由0、1两个符号组成，是以2为基数的计数体制。其中，低位和相邻高位之间的关系是“逢二进一”，故称为二进制。任意一个二进制数D均可展开为D=∑kix2i二进制由于只有两个数字符号0和1，因此很容易用电路元件的状态来表示。例如，三极管的截止和饱和，继电器的接通和断开，灯泡的亮和灭，电平的高和低等，都可以将其中一个状态定为0，另一个状态定为1。此外，二进制数字运算比较简单，存储和传送也十分可靠。同样表示一个数，二进制数所表示的数与十进制所表示的数位数不一样。例如十进制数25表示为二进制数为11001，需5位。在计算机中进行的各种操作，通常先进行“十翻二”运算，待结果出来后，在进行“二翻十”操作。由于二进制数比十进制数位数多，不便于书写和记忆，因此在计算机应用中，经常用十六进制数来表示。十六进制是以16为基数的计数体制，共有0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A(10)、B(11)、C(12)、D(13)、E(14)、F(15)16个数字符号。任意一个十六进制数D均可展开为D=∑kix16i十进制、二进制、十六进制数制对照表如表1.1.1所示。二进制、十进制、十六进制数制的表示见表1.1.2。我们应熟记。2表1.1.1数制对照表对照内容十进制二进制十六进制数字符号0，1，2，3，4，5，6，7，8，90,10，1，2，3，4，5，6，7，8，9,A,B,C,D,E,F进位规律逢十进一逢二进一逢十六进一基数R10216权10i2i16i任意整数、小数表达式D=∑kix10iD=∑kix2iD=∑kix16i数制之间是可以相互转换的。把二进制数转换为等值的十进制数称为二—十转换。转换时，只要将二进制数按二进制数的表达式展开，然后把所有各项的数值按十进制数相加，就可以得到等值的十进制数了。所谓十—二转换，就是把十进制数转换为等值的二进制数。那么把相应的十进制整数除2，商再除2，如此反复，得到的余数作为二进制数的每一位即可；十进制小数则相反，将十进制小数乘以2，所得的乘积的小数部分再乘以2，如此反复，乘积的整数部分作为二进制数的每一位即可。表1.1.20—15数制对照表二进制十进制十六进制000000010010001101000101011001111000100110101011110011011110111101234567891011121314150123456789ABCDEF把二进制数转换为等值的十六进制数称为二—十六转换。由于4位二进制数恰3好有16个状态，而把这4位二进制数看作一个整体时，它的进位输出又正好是逢十六进一，所以只要从低位到高位将每4位二进制数分为一组并代之以等值的十六进制数，即可得到对应的十六进制数。十六—二转换是指把十六进制数转换为等值的二进制数。转换时只需将十六进制数的每一位用等值的4位二进制数代替就行了。在将十六进制数转换为十进制数时，可根据十六进制数的表达式将各位按权展开后相加即可求得；在将十进制数转换为十六进制数时，可以先转换成二进制数，然后再将得到的二进制数转换为等值的十六进制数。2、二极管的开关特性二极管的主要特点是单向导电性，即外加正向电压时导通，外加反向电压时截止，所以它相当于一个受外加电压极性控制的开关。图1.1.1是我们在数字电路中常用的硅二极管伏安特性曲线。由图可见，当加在二极管上的正向电压VD大于死区电压VO时，管子开始导通，此后电流ID已经很小，而且基本不变。因此，我们常在实际应用时，把二极管当作一个理想的开关元件，即VD≥0.7V时，二极管导通；VD＜0.7V时，二极管截止。图1.1.1二极管的特性3、三极管的开关特性三极管是数字电路中昀基本的开关元件，多数工作在饱和导通或截止这两种工作状态下，并在这两种工作状态之间进行快速转换。在图1.1.2所示电路中，当输入端加电压VI=0V时，三极管截止；当VI变化到+3V时，三极管饱和导通。通常我们把三极管的基极电流iB大于临界饱和时的数值IBS(饱和基极电流)称为饱和导通条件。而把基极电压VBE小于0.5V作为三极管截止的条件。也就是说，只要合理地选择电路参数，保证当VI为低电平VIL时VBE＜VON（VON为开启电压，硅三极管的VON为0.5V—0.7V，锗三极管的VON为0.2V—0.3V）,三极管工作在截止状态；而VI为高电平VIH时iBIBS,三极管工作在深度饱和状态，则三极管的c—e间就相当于一个受VI控制的开关。三极管截止时相当于开关断开，在开关电路的输出端给出高电平；三极管饱和导通时相当于开关接通，在开关电路的输出端给4出低电平。图1.1.2三极管的基本开关电路4、MOS场效应管的开关特性MOS场效应管也是一种具有PN结的半导体器件，它是利用电场的效应来控制电流的，是属于电压控制类型的器件。它有N型和P型两种导电沟道，并且还有结型和绝缘栅型两种结构。图1.1.3MOS场效应管的基本开关电路由N、P沟道增强型MOS管构成的简单电路如图1.1.3所示。对于N沟道增强型MOS管来说，其启动电压VT典型值为4V左右。当VGS＞VT时，MOS管导通；当VGS＜VT时，MOS管截止。对于P沟道增强型MOS管来说，其启动电压VT典型值为-4V左右。当VGS＞VT时，MOS管截止；当VGS＜VT时，MOS管导通。具体地说，当输入电压VI=VGS（VGS为MOS管的开启电压）时，MOS管工作在截止区。只要负载电阻RD远远小于MOS管的截止内阻ROFF，在输出端即为高5电平VOH，且VOH≈VDD。这时MOS管的D—S间就相当于一个断开的开关。当VI＞VGS并且在VDS较高的情况下，MOS管工作在恒流区，随着VI的升高iD增加，而VO随之下降。这时电路工作在放大状态。当VI继续升高以后，MOS管的导通内阻RON变得很小（通常在1kΩ以内），只要RD远远大于RON，则开关电路的输出端将为低电平VOL，且VOL≈0。这时MOS管的D—S间就相当于一个闭合的开关一样MOS管的D—S间就相当于一个断开的开关。5、分立元件门电路在数字电路中，门电路大多是集成的，只有少量的（或大功率电路中）用到分立元件门电路。这些分立元件门电路就是由二极管、三极管及电阻等组成的。昀简单的与门可以用二极管和电阻组成，具有两个输入端的与门电路如图1.1.4所示，图中A、B为两个输入变量，Y为输出变量。设VCC=5V，A、B两个输入端的高、低电平分别为VIH=3V,VIL=0V，二极管D1、D2的正向导通压降VDF=0.7V。由图可见，A、B当中只要有一个是低电平0V，图1.1.4二极管与门表1.1.3二极管与门电路的逻辑电平表1.1.4二极管与门的真值表A/VB/VY/VABY003303030.70.70.73.7001101010001则必有一个二极管导通，使Y为.07V。只有A、B同时为高电平3V时，Y才为3.7V。输出与输入逻辑电平的关系见表1.1.3。如果规定3V以上为高电平，用逻辑1状态表示；0.7V以下为低电平，用逻辑0状态表示，则表1.1.3可以改写成真值表见表1.1.4，显然，Y和A、B是逻辑与的关系。昀简单的或门电路如图1.1.5所示，它也是由二极管和电阻组成的，图中A、B为两个输入变量，Y为输出变量。若输入端的高、低电平分别为VIH=3V,VIL=0V，6二极管D1、D2的正向导通压降VDF=0.7V，则只要A、B当中有一个是高电平输出就是2.3V。只有当A、B同时为低电平时，输出才是0V。因此，可以列出表1.1.5的电平关系图。如果规定高于2.3V为高电平，用逻辑1状态表示；而低于0V为低电平，用逻辑0状态表示，则表1.1.5可以改写成真值表见表1.1.6，显然，Y和A、B是逻辑或的关系。图1.1.5二极管或门表1.1.5二极管或门电路的逻辑电平表1.1.6二极管或门的真值表A/VB/VY/VABY0033030302.32.32.3001101010111由三极管和电阻构成的非门电路图如图1.1.6所示，由图可见，当输入信号为高电平时输出等于低电平，而输入信号为低电平时，由于接入了电阻R2和负电源图1.1.6三极管非门7VEE，即使输入的低电平信号稍大于零，也能使三极管的基极为负电位，从而使三极管能可靠地截止，输出等于高电平，因此，输出与输入的电平之间是反相关系，既符合非逻辑关系。三、实验内容和步骤1、二进制的认识实验将NET系列数字电子技术实验系统上的四只逻辑开关分别接四只发光二极管，如图1.1.7所示。分别拨动逻辑开关K1、K2、K3、K4为表1.1.2十六种二进制状态，通过LED显示，熟记它所对应的十进制、十六进制所表示的数。图1.1.7二进制数制实验接线图2、二极管的开关特性测试按图1.1.8（a）接线，输入VI接逻辑开关K，输出VO接LED发光二极管，电阻一端接二极管D的负极，一端接实验系统地。检查无误后，接通实验系统电源+5V，拨动逻辑开关，使之输入逻辑1（＞3V）或逻辑0（0V）电平，用万用表测（a）正偏（b）反偏图1.1.8二极管的开关特性测试电路量电压VD和VO，并分别将结果填入表1.1.7中。改变D的方向，按图1.1.8（b）8接线，重复上面实验步骤，记录结果并填表。表1.1.7二极管的开关特性测试记录表D的状态VI(V)VD(V)VO(V)逻辑1正偏逻辑0逻辑1反偏逻辑03、三极管的开关特性测试按图1.1.9所示，在实验系统上接好线，其中RC=3kΩ，Rb=2kΩ，VCC=5V,T为3DG6（或9011）。输入端VI接逻辑开关，（若自选参数，则要求输入分别为高、低电平时，T分别能可靠地饱和、截止）。检查无误后，接通实验系统电源+5V，拨动逻辑开关，在输入端分别加入高（逻辑1）或低（逻辑0）电平时，按表1.1.8要求测量和记录有关电压，电流值。测量电流时，断开电路，将万用表串入电路中。将VO接实验箱上的LED发光二极管，拨动逻辑开关，观察输入与输出的逻辑关系。图1.1.9三极管的开关特性测试电路表1.1.8三极管的开关特性测试记录表VI(V)IB(mA)IC(mA)VBVOT的状态用双踪示波器观察输入与输出信号的相位关系。按图1.1.9，把输入端VI改接到实验系统连续脉冲输出端（频率调至1kHz左右），同时接双踪示波器YA输入；电路输出端VO接示波器YB输入，示波器显示9方式置交替，适当调节“幅值”和“频率”旋钮，观察输入、输出信号的相位关系。4、MOS场效应管的开关特性测试按图1.1.3接线，其中RD=100kΩ，VDD=10V，MOS场效应管为3DO6。检查无误后，接通实验系统电源+5V，VGS加VDD=10V，用表测量VDS、ID的值并记录。VGS为0V，用表测量VDS、ID的值并记录，填入表1.1.9中。表1.1.9MOS场效应管开关特性测试记录表VI(V)ID(mA)VDS(V)T的状态5、分立元件门电路逻辑功能测试与门逻辑功能测试：在实验系统上，按图1.1.10所示电路接线。输入端A、B接逻辑开关，输出端接发光二极管和万用表，按表1.10要求测试并记录输出端的逻辑状态，写出Y的逻辑表达式。图1.1.10二极管与门逻辑功能测试电路表1.1.10与逻辑功能状态表ABVO(V)Y状态00110101或门逻辑功能