数字电路制作与调试项目化教程（活页式）教案 10 简易逻辑测试笔电路的制作与调试

《数字电路制作与调试》教案课程名称数字电子技术课程代码M01F28D10总学时64任课教师

南京信息职业技术学院单元教案授课日期授课地点根据实际情况填写，有几个填写几个。授课班级班级人数教学单元教学单元、教学目标、教学方式、评价方式与课程大纲的相应内容保持一致。项目1简易逻辑测试笔电路的制作与调试教学时数按单元的教学时数填写。6教学目标教学目标应是此单元的教学目标结合实际授课内容的具体化，其描述参见文中举例。AOB2：了解基本门电路逻辑功能；掌握逻辑函数的表示方法以及卡诺图化简；AOB3：学会组合逻辑电路的设计方法，能够进行简单的组合逻辑电路的设计；掌握组合逻辑电路的分析与测试方法；AOB4：掌握常用与或非门集成逻辑电路的使用和测试方法；AOB5：能熟练使用Multisim仿真软件对所设计的电路进行调试和仿真；利用数电实验箱搭建硬件电路。BOB4：电子设计小项目制作培养学生严谨、踏实、精益求精的大国工匠精神、专业荣誉感和职业使命感。BOB4：通过课程思政的微课视频：青春汗水炼匠心，纤微毫末筑国防中国电科十四所微电路总装师顾春燕，培养学生严谨、踏实、精益求精的大国工匠精神。教学方式一体化教学评价方式课堂表现（30%）作业完成（30%）项目完成（40%）教学资源教学资源包含理论上使用的纸质或网络教学资源，实践课使用的设备、工具和耗材等资源。任课教师需保证所有资源可用。1.《数字电子技术》，杨志忠编著；2.数字电路实验箱25套，Multisima9.0仿真软件；3.网络学习资源：职教云，钉钉在线测试：第二单元单元测试

微视频：视频2组合逻辑电路逻辑功能仿真、视频4逻辑函数化简、视频5与非门逻辑功能验证等等：/design/process/edit.html?courseOpenId=9boyamcro69oaawrvqbbkw行业网站推荐：/单元教学设计第一次课（2学时根据根据实际教学时数填写。教学内容教学内容部分的详略可以根据实际情况调整。对于新教师、新课程，要求详细填写；其余填写内容要点即可。任务1.1门电路逻辑功能的测试1.1.1逻辑代数与逻辑变量逻辑指事物因果关系的规律。逻辑代数(Logicalgebra)又叫布尔(Boolean)代数或开关(Switching)代数，是一种描述客观事物逻辑关系的数学方法，是由英国数学家乔治•布尔于1849年首先提出的。逻辑代数研究的内容是逻辑函数与逻辑变量之间的关系，而数字电路主要研究输入和输出之间的逻辑关系。逻辑代数是研究数字电路的数学工具，是分析和设计逻辑电路的理论基础。1.1.2基本逻辑运算课程思政：5G时代新模式开启与智能手机的发展；新时代的四大发明。引入“科学思维与创新意识”。在二值逻辑函数中，最基本的逻辑运算有与（AND）、或（OR）、非（NOT）三种逻辑运算。1、与运算逻辑关系如图1.1，与逻辑式为：Y＝真值表如表1.1所示。图1.2表示逻辑门或逻辑符号，实现与逻辑运算的门电路称为与门。2、或运算逻辑关系如图1.3，其真值表如表1.2所示，其逻辑式为：Y=A+B其逻辑门符号如图1.4所示，实现或逻辑运算的门电路称为或门。3.非逻辑运算逻辑关系如图1.3，其真值表如表1.3所示：其逻辑式为：Y=A其逻辑门符号如图1.6所示，实现非逻辑运算的门电路称为非门。4. 复合逻辑函数利用与、或、非三种基本逻辑运算和基本逻辑门，可以构成各种复合逻辑运算和复合逻辑门，最常用的有与非门、或非门、与或非门、异或门、同或门（异或非）等。（1）与非逻辑运算（NAND）与非逻辑运算的特点是“先与后非”，以两个输入变量的与非门为例，与非门逻辑符号如图1.7所示，与非逻辑真值表如表1.4所示，运算结果表现为“输入有0，输出为1；输入全1，输出为0”。与非逻辑的表达式为（2）或非逻辑运算（NOR）或非逻辑运算的特点是“先或后非”，以两个输入的或非门为例，或非逻辑符号如图1.8所示，或非逻辑真值表如表1.5所示，运算结果表现为“输入有1，输出为0；输入全0，输出为1”。或非逻辑表达式为（3）与或非逻辑运算（AND–OR–INVERT）与或非逻辑运算的特点是“先与后或再非”，以A、B、C、D输入变量为例，与或非逻辑符号如图1.9所示，与或非逻辑真值表如表1.6所示。与或非逻辑表达式为（4）异或逻辑运算（Exclusive–OR，XOR）异或逻辑（XOR）运算的特点是当A、B两个变量取值不同时，输出为1；当A、B两个变量的取值相同时，输出为0。异或逻辑符号如图1.10所示，真值表如表1.7所示，异或逻辑表达式为（5）同或逻辑运算（Exclusive–NOR，XNOR）同或逻辑（XNOR）运算的特点是当A、B两个变量的取值相同时，输出为1；当A、B两个变量的取值不同时，输出为0。同或逻辑符号如图1.11所示，真值表如表1.8所示，同或逻辑表达式为1.1.3数字集成电路1．TTL与CMOS集成电路 用来实现逻辑运算的电子电路称为逻辑门电路。逻辑门电路是组成各种数字电路的基单元电路。将构成门电路的元器件制作在一块半导体芯片上，再封装起来，便构成了集成门电路。按着制造门电路所用晶体管（制造工艺）的不同，门电路主要有MOS型（内部有MOS管组成）、双极型（内部由双极型晶体管组成）和混合型（内部有MOS管和双极型晶体管混合组成）3种类型。MOS型主要由CMOS型、NMOS型和PMOS型3种，双极型主要由TTL和ECL，混合型主要有BiCMOS。CMOS逻辑门电路是目前使用最广泛、占主导地位的集成电路。早期的CMOS与TTL逻辑门相比，CMOS速度慢、功耗低，而TTL主要是速度快、功耗大。后来随着制造工艺的不断改进，CMOS电路的集成度、工作速度、功耗和抗干扰能力远优于TTL。因此，几乎所有的超大规模集成电路，如存储器、CPU、PLD器件和专用集成电路（ASIC）都采用CMOS工艺制造，且费用较低。到目前为止，已经生产出的标准化、系列化的CMOS集成电路产品有4000系列、HC/FCT系列、AHC/AHCT系列、LVC系类、ALVC系列等。（1）4000系列4000系列是早期生产的CMOS电路，其工作速度较慢（延迟时间达100ns左右），带负载能力弱，与TTL不兼容。但它的功耗低、工作电压范围宽、抗干扰能力强。由于受当时制造工艺水平的限，因此，目前它已经基本上被后来出现的HC/HCT系列产品所取代。（2）74HC/HCT系列74HC/HCT系列是高速CMOS系列。与4000系列相比，其工作速度快（传输延迟时间缩短到了10ns左右，仅为4000系列的1/10）、带负载能力强，与TTL兼容，可与TTL器件互换使用。（3）74AHC/AHCT系列74AHC/AHCT系列是改进的告诉CMOS系列。改进后的这两种系列产品其工作速度能达到了74HC和74HCT系列的两倍多，而且带负载能力也提高了近一倍。同时，AHC/AHCT系列产品又能与HC/HCT系列产品兼容，这就为系统的器件更新带来了很大的方便。因此，AHC/AHCT系列是目前比较受欢迎、应用最广泛的CMOS器件。（4）74LVC/ALVC系列是抵押CMOS系列。LVC系列不仅能工作在1.65～3.6V的低电压下，而且传输延迟时间也缩短到了3.8ns。同时，它又能提供更大负载电流。2．数字集成电路命名方法（1）国产集成电路的型号命名方法我国集成电路的型号是按照国家标准（国标）的规定命名的，遵照国标GB3430-1989《半导体集成电路型号命名方法》，规定了我国集成电路各个品种和系列的命名方法。集成电路国标命名方法见表1.10。表1.10集成电路国标命名方法（2）国外集成电路的型号命名方法目前电子市场上除了国产的集成电路外，还有世界各大半导体器件公司生产的大量产品。由于集成电路的命名国际上还没有一个统一的标准，各制造公司都有自己的一套命名方法，给我们识别集成电路带来了很大的困难，但各制造公司对集成电路的命名总是还存在一些的类似。下面列出一些常见的集成电路生产公司的命名方法供参考。=1\*GB3①NationalSemiconductorCorp.（国家半导体公司）。AD：A/D转换器，DA：D/A转换器，CD：CMOS数字电路，LF：线性场效应，LH：线性电路（混合），LM：线性电路（单块），LP：线性低功耗电路。=2\*GB3②RCACorp.（美国无线电公司）。CA、LM：线性电路，CD：CMOS数字电路，CDM：CMOS大规模电路。=3\*GB3③MotorolaSemiconductorProducts,Ins.（摩托罗拉半导体公司）。MC：密封集成电路，MMS：存储器电路，MLM：引线于国家半导体公司相同的线性电路。=4\*GB3④NECElectronics,Ins.（日本电气电子公司）uP：微型产品，A：组合元件，B：双极型数字电路，C：双极型模拟电路，D：单机型数字电路。例如，uPC、uPA等。=5\*GB3⑤SANYOElectricCo.,Ltd.（三洋电机有限公司）。LA:双极型线性电路，LB：双极型数字电路，LC：CMOS电路，STK：厚膜电路。=6\*GB3⑥ToshibaCorp.（东芝公司）。TA：双极型线性电路，TC：CMOS电路，TD：双极型数字电路，TM：MOS电路。=7\*GB3⑦Hitachi,Ltd.（日立公司）。HA：模拟电路，HD：数字电路，HM：RAM电路，HN：ROM电路。=8\*GB3⑧SGSSemiconductorCorp.（SGS半导体公司）。TA、TB、TC、TD：线性电路，H：高电平逻辑电路，HB、HC：CMOS电路。表1.11列出了国外一些有影响公司的名称和产品型号、前缀字母及网站，供参考。表1.11国外集成电路型号前缀字母与生产公司对照一览表图1.14所示为数字集成电路型号举例。3．集成逻辑门电路与基本逻辑运算和复合运算相对应，常用的逻辑没呢电力在逻辑功能上有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门、异或非门（同或门）等。实际上，对于各种不用功能的逻辑门，一般都是将多个门电路封装在一个集成芯片上，构成集成电路来使用。图1.15～图1.18分别给出了几种常用的典型门电路芯片的引脚配置、封装外形和逻辑符号。1.1.4逻辑函数及其表示方法描述输出变量和输入变量之间的因果关系称为逻辑函数，如与、或、非、与非、或非、异或都是逻辑函数。逻辑函数是从生活和生产实践中抽象出来的，但只有那些能明确地用“是”或“否”做出回答的事物，才能定义为逻辑函数。逻辑函数有真值表、逻辑函数式、逻辑图、波形图和卡诺图等五种表示形式。只要已知其中一种表示形式，就可转换为其它几种表示形式。（1）真值表真值表是由变量的所有可能取值组合及其对应的函数值所构成的表格。（2）逻辑函数式逻辑函数式是由逻辑变量和与、或、非三种运算符连接起来所构成的式子。（3）逻辑图逻辑图是指将逻辑表达式中的与、或、非等逻辑关系用对应的逻辑符号表示得到的图形。（4）波形图波形图是由输入变量的所有可能取值组合的高、低电平及其对应的输出函数值的高、低电平所构成的图形。【实验仿真1】函数式、真值表与逻辑图之间的相互转化课程思政：逻辑函数的五种描述。引入“辩证法中事物的多样性”。教学重点基本与或非门逻辑符号及真值表；基于Multisim软件的函数式、真值表与逻辑图之间的相互转化；教学难点基本与或非门逻辑符号及真值表；基于Multisim软件的函数式、真值表与逻辑图之间的相互转化；教学流程教学环节“教学环节”根据教学课前、课中、课后的具体设计填写，如预习、引入新课、具体学习任务、课堂小结、作业等等，表格自行增删。教师活动教师对学生学习活动的把控及观察、评价等信息应在此处有体现，也可以在具体活动的前面描写设计意图或者在具体活动后面增加设计总结。学生活动学生在这个环节中要需要做的事情，包含是否采用分组学习以及如何分组、组内分工等信息。课程引入课程思政：由5G时代新模式开启与智能手机的发展和新时代的四大发明。引入“科学思维与创新意识。”1.使用学习通APP抢答；2.思考哪些新时代的四大发明。讲授1.讲授基本与或非门逻辑符号及真值表；2.介绍基于Multisim软件的使用和应用软件进行函数式、真值表与逻辑图之间的相互转化；1.学生积极参与APP抢答；2.积极回答教师提问；3.认真思考、记录关键内容；4.熟悉Multisim软件的使用。总结与课后任务1.总结本次课程内容；2.布置作业：课后书面习题；观看微课视频3和微课视频4，写一篇观后感。思考教师总结，记录教师的作业要求并完成。第二次课（2学时根据根据实际教学时数填写。教学内容教学内容部分的详略可以根据实际情况调整。对于新教师、新课程，要求详细填写；其余填写内容要点即可。1.2.1TTL特殊门电路OC门（OpenCollector）――TTL集电极开路门（1）基本电路结构及工作原理图1.26（a）所示为OC与非门的电路结构，图1.26（b）所示为OC与非门的逻辑符号。由OC与非门的电路结构可见，OC门的电路特点是输出管T5的集电极开路。因此使用OC门时，为保证电路正常工作，必须外接负载电阻RL（又称上拉电阻）与电源VCC相连如图1.27所示。只要上拉电阻和电源电压的数值选择取得当，就可以保证输出的高、低电平符合要求，并且不会使三极管的负载电流过大而烧毁。如图1.28所示，多个OC门输出端相连时，可以共用一个上拉电阻。此时输出Y为Y=Y1（2）OC门的应用实现线与－与或非逻辑电平转换2.三态TTL与非门（TSL－ThreeStateLogicGate）三态TTL与非门又叫三态门，它是在普通与非门电路的基础上附加控制电路构成的。其特点是除了输出高、低电平两个状态外，还有第三种状态，即高阻状态。（1）基本电路结构及工作原理三态TTL与非门的典型电路结构和逻辑符号如图1.33所示，它与普通与非门电路的主要差别是输入级多了一个使能端EN和一个二极管，且使能端有低电平有效和高电平有效两种控制方式，图1.33（b）所示为EN为低电平有效，图1.33（c）所示为EN为高电平有效。（2）三态门的用途TTL三态门除了电平转换，也可以构成数据的单向传输和双向传输1.2.2CMOS特殊门电路OD门（OpenDrain）――漏极开路门为了满足输出电平的变换，输出大负载电流，以及实现“线与”功能，将CMOS门电路的输出级做成漏极开路的形式，称为漏极开路输出的门电路，简称OD（Open－DrainOutput）门。OD门与OC门相似，常用作驱动器、电平转换器和实现线与等，在这里不在赘述。CMOS传输门（1）基本电路结构及逻辑符号CMOS传输门的电路图及逻辑符号如图1.38所示，其中T1为PMOS管，T2为NMOS管，C和C为一对互补控制信号，TG即TransmissionGate的缩写。教学重点TTL与CMOS集成电路；数字集成电路命名方法；门电路逻辑功能测试。教学难点TTL与CMOS集成电路；数字集成电路命名方法；门电路逻辑功能测试。教学流程教学环节“教学环节”根据教学课前、课中、课后的具体设计填写，如预习、引入新课、具体学习任务、课堂小结、作业等等，表格自行增删。教师活动教师对学生学习活动的把控及观察、评价等信息应在此处有体现，也可以在具体活动的前面描写设计意图或者在具体活动后面增加设计总结。学生活动学生在这个环节中要需要做的事情，包含是否采用分组学习以及如何分组、组内分工等信息。课程引入课程思政：由鳍式晶体管变“平房为高楼”，可使晶体管缩小至1纳米。引入“辩证法否定观；量变与质变相统一。”1.使用学习通APP抢答；讲解自己对预习知识点的理解。讲授1.介绍TTL与CMOS集成电路和数字集成电路命名方法；2.实操技能训练：门电路逻辑功能测试。1.学生分组：每组3人。组长1名：负责器材领取、保管、方案确定、数据记录；硬件1名：负责审核实验中硬件搭建、设备更换等工作；软件1名：负责软件仿真电路设计，以检验硬件电路设计方案的可行性。每次实验轮流更换任务。2.学生积极参与学习通APP课堂互动；3.积极回答教师提问；4.认真思考、记录关键内容。分组实操练习安排学生分组完成：1.简易任务：《基本门电路逻辑功能测试》；2.学生操作时注意巡视；对于提前完成的同学，安排一人对一组帮扶任务，确保每组都能及时完成，不打击任何学生的学习积极性。分组完成：1.硬件连接；2.软件仿真预检验硬件电路方案设计可行性；3.操作演示。总结与课后任务1.总结本次课程内容；2.布置作业：课后书面习题。观看微视频5：与非门逻辑功能验证思考教师总结，记录教师的作业要求并完成。第三次课（2学时根据根据实际教学时数填写。教学内容教学内容部分的详略可以根据实际情况调整。对于新教师、新课程，要求详细填写；其余填写内容要点即可。项目描述：数字电路主要研究的是输出信号状态（“0”或“1”）与输入信号状态（“0”或“1”）之间的关系，这是一种因果关系，也就是所谓的逻辑关系，即电路的逻辑功能。在数字电路和仪器的维修过程中，经常需要检测电路的输入与输出是否符合逻辑关系，需要对电路板的逻辑电路输出状态进行判断，以便了解电路的工作情况和故障所在，以往通常使用万用表来测试，但是弊端较多：一方面管脚多时使用万用表测试非常不便，另一方面是万用表无法测试电路的高阻态。本项目就此设计简易逻辑测试笔，又称逻辑探针，它是数字电路设计、故障诊断和维修中最简单且实用的工具。1.实训目的（1）掌握门电路逻辑功能的测试方法。

（2）了解集成逻辑门电路的外形及引脚排列。

（3）初步掌握数字电路实验仪器的使用方法。（4）通过测试论证设计的正确性。（5）训练正确接线与排除故障的能力。2.实训要求（1）设计逻辑测试笔电路，画出仿真电路图。（2）仿真并调试被测点为逻辑低电平、高电平、高阻态、脉冲信号等逻辑状态的情况。（3）