《电子技能实训教程》课件第5章VIP

第5章数字电路的安装与调试5.1基本逻辑门电路5.2常用组合逻辑器件及其应用5.3时基集成电路的应用5.4时序逻辑电路5.5综合实训

(1)了解常用数字集成电路的特点和典型电路的应用；

(2)掌握基本逻辑门的符号、逻辑功能；

(3)学会分析数字电路的工作原理；

(4)熟练掌握数字电路的设计、安装与调试方法。本章学习内容与目标：

【基本知识与技能准备】

数字电路又叫逻辑电路，是指电路的输入/输出之间具有某种逻辑关系的电路。例如，照明电路中的灯泡是否能亮，取决于电路电源是否接通、灯泡的好坏。后两者是因，前者是果，这种因果关系一般称为逻辑关系。在分析和描述逻辑关系时，我们常用“1”和“0”表示电灯亮与暗、电源通与断、灯泡好与坏、信号有与无、命题真与假等。5.1基本逻辑门电路

5.1.1基本逻辑关系

在数字电路中，所谓“门”，就是实现一些基本逻辑关系的电路。最基本的逻辑关系可归结为“与”、“或”、“非”三种，详细概念见表5-1-1。

表5-1-1三种基本逻辑关系的概念5.1.2门电路

能够实现逻辑关系和逻辑运算的电路叫逻辑门电路，简称门电路。基本的门电路有“与门”、“或门”、“非门”；复合门电路有“与非门”、“或非门”、“与或非门”、“异或门”等。门电路可以由二极管、三极管等元件构成，也可以由集成电路构成，在实际中主要使用集成电路构成的门电路，因为在使用时不用理会集成门电路的内部电路的结构，而只需关心它有什么样的逻辑功能，把它看做一种逻辑部件。几种常用门电路的逻辑符号、逻辑表达式、真值表和逻辑功能如表5-1-2所示。与或非门电路的真值如表5-1-3所示。

表5-1-2几种常用门电路的比较续表5-1-3与或非门电路的真值表

一、技能训练目标

(1)加深对与非门电路的符号、逻辑功能理解。

(2)会分析与非门电子电路的工作原理。

(3)掌握数字电路设计、安装、调试方法。

【技能训练二十五】触摸延时开关的安装及调试

二、仪器、工具和材料

(1)仪器和工具：MF47型万用表、YB1719型稳压电源、电烙铁、镊子、剪线钳、焊锡。

(2)器件材料清单见表5-1-4。表5-1-4器件材料清单

三、电路和工作原理

触摸延时开关的电路原理图如图5-1-1所示。手未触摸金属片M时，与非门1(U1A)的输入端经R1接电源为高电平，其输出端为低电平，VD1截止，与非门2(U1B)的输入端为低电平，与非门3(U1C)的输出也为低电平，BG1、BG2均截止。同时，电源经R2向C1充电。

图5-1-1触摸延时开关的电路原理图用手触摸金属片M时，由于人体感应使与非门1(U1A)的输入端由高电平变为低电平，输出端由低电平变为高电平，VD1变为导通，此时，与非门2(U1B)的输入端由低电平变为高电平，与非门3(U1C)的输出端也由低电平变为高电平，BG1、BG2均导通，继电器K1线圈得电吸合，其触点K1闭合。同时，C1通过VD1放电。手离开金属片M后，与非门1(U1A)的输出端由高电平变为低电平，此时，电源经R2向C1再次充电，直到与非门2(U1B)的输入端的电位低于阈值电压时，与非门2(U1B)才翻转，其输出端才由低电平变为高电平，最终使BG1、BG2截止，继电器因失电停止工作，触点K1被释放并处于断开状态。延迟时间的长短取决于R2和C1的充放电时间常数。触摸延时开关采用金属片M作为传感器，只要用手触摸一下，电路便可接通；在手离开金属片后，电路仍保持接通，只有经过一段延迟时间后，电路才会断开。这种触摸延时开关特别适合对走廊照明灯的控制。

四、技能训练内容与步骤

1．设计电路底板图

触摸延时开关的电路比较简单，适合在万能电路板上进行安装。电路图中的三个与非门可以选用一块CD4011来实现；传感器金属片M可用一条导线接到电路板外，也可在电路板上焊上一小片焊锡来代替。电路板图设计如图5-1-2及图5-1-3所示。注意事项：

(1)选择尺寸合适的万能板(可直接选购7cm

×

5cm的万能板)，元器件不能布满整个电路板，在板边缘最少要留出两行铜箔。

(2)为了布局美观，二极管、电阻最好统一设计成卧装或立装并且间距均匀，走线要成直角。

(3)注意集成电路的安装方向。

(4)集成电路的底部横向只能走两条平行线。

(5)在设计时要确定所用电磁继电器的外形，四脚的和五脚的要区别。

图5-1-2电路板元件面

图5-1-3电路板焊接面

2．元器件的检测及弯脚

元器件的检测和弯脚方法请参照第1章和第3章。

3．电路的安装

首先把集成插座安装好，注意不要装反。然后再把其他元器件按元件面的位置焊接好，最后按照设计底板图用电烙铁进行拖焊，把各元器件连接起来。

4．调试

1)调试准备——检查电路

组装好的电子电路在通电调试之前，必须认真检查电路连线是否有错误。检查的方法是：对照电路图，按一定的顺序逐级对应检查。特别要注意电源是否接错，电源与地是否有短接，二极管方向和电解电容的极性是否接反，集成电路和晶体管的引脚是否接错，轻轻拔一拔元器件，观察焊点是否牢固等等。

2)通电观察

调整好直流稳压电源输出12

V的直流电，按原理图正确连接电路板。电源一经接通，不要急于用仪器观测波形和数据，而是观察是否有异常现象，如冒烟、有异常气味、放电的声光、元器件发烫等。如果有，不要惊慌失措，而应立即关断电源，待排除故障后方可重新接通电源。然后再测量每个集成块的电源引脚电压是否正常，以确保集成电路是否正常工作。

3)静态调试

先不加输入信号(不触摸金属片)，测量电路有关的电位是否正常。对于数字电路则测量输入与输出的高、低电平值及逻辑关系。若有不正常现象，则应找出故障点和故障原因，并排除故障。一般应特别注意管子与集成电路是否正常工作，其次是所使用的电路元件参数是否有错，以及电路连线路有错等。在测试的同时将数据填入表5-1-5中。

表5-1-5IC各引脚的电压值测试表(不触摸金属片)4)动态调试

加上输入信号(触摸金属片)，观测电路输出信号是否符合要求。若输入信号为周期性的变化信号，可用示波器观察输出信号。对于数字电路，则观察输出信号波形、幅值、脉冲宽度、相位及动态逻辑关系是否符合要求。在数字电路调试中，常希望让电路状态发生一次性变化，而不是周期性的变化。因此，输入信号应为单阶跃信号(俗称开关信号)，用以观察电路状态的逻辑关系。在测试的同时将数据填入表5-1-6中。

5)效果测试

接通电源后，用手触摸一下金属片M后，红色发光二极管点亮，延时一段时间后，发光二极管自动熄灭。表5-1-6IC各引脚的电压值测试表(触摸金属片后)

5．常见故障及检修

(1)接上12

V直流电源，触摸M没任何反应。

检查内容：检查电源有没有接通；集成电路有没有插错方向(如没错则可换一块试试)。

(2)触摸M，听到“嗒”声，但灯不亮。

检查内容：继电器开关触点是否不良；R4是否开路；发光二极管LED有没有装错方向或损坏。

五、技能训练评分记录表续

六、拓展阅读

通过对本电路的安装与调试，我们可从中学到不少东西：如触摸延时开关的工作原理、拖焊技术的应用、电子元器件的测试方法、万能电路板的使用等。那么如果在电子类报刊或杂志上看到感兴趣或有用的电子电路，你能不能利用万能板把它安装出来呢？还有，如果把本电路用到楼梯照明上，应如何安装实现呢？请读者不妨试试。

【基本知识与技能准备】

将基本的逻辑门电路组合起来使用实现一定的逻辑控制功能的电路叫做组合逻辑电路，简称组合电路。它的特点是：任一时刻输出信号的稳态值，仅取决于该时刻各输入信号取值的组合，而与电路过去各时刻的输入组合无关。属于组合电路的逻辑器件主要有加法器、编码器、译码器等。5.2常用组合逻辑器件及其应用5.2.1加法器

在计算机系统中，最基本的运算器就是加法器。计算机在进行数学运算时，加、减、乘、除等运算都要分解为加法运算来进行。能实现加法运算的电路称为加法器。

1．半加器

能对两个一位二进制数进行相加，不考虑低位来的进位数，只考虑本位数相加的逻辑电路称为半加器。

1)逻辑图及符号

半加器逻辑图及逻辑符号分别如图5-2-1和图5-2-2所示。

图中A、B为输入数，S为相加结果，即S = A+B，C为进位数。

图5-2-1半加器逻辑图图5-2-2半加器逻辑符号

2)真值表

半加器的真值表如表5-2-1所示。

表5-2-1半加器的真值表3)逻辑表达式

由以上真值表可推导出相加结果和进位数的逻辑表达式为：

2．全加器

全加器也是两个一位二进制数的加法电路，但它还能实现低位的进位数进行加法运算。

1)逻辑图及符号

全加器逻辑图及逻辑符号如图5-2-3和图5-2-4所示。

Ai、Bi为本位相加的两个数，Ci-1为低位进位数，Si为本位和数，Ci为向高位的进位数。

图5-2-3全加器逻辑图图5-2-4全加器逻辑符号

2)真值表

全加器真值表如表5-2-2所示。

表5-2-2全加器真值表3)逻辑表达式

由以上真值表可推导出相加结果和进位数的逻辑表达式为：

3．常用的加法器集成电路

常用的加法器件有CD4008、CD4032B、CD4038、CC4560、5G642、74LS283、74LS83等。5.2.2编码器

用某种数码表示特定对象的过程叫做编码。实现编码操作的电路就叫做编码器，如彩色电视机遥控器上数字按键、功能按键都进行了编码，一旦某个按键被按下，则内部的编码电路就将该键的电平信号转换成红外光信号发射出去被电视机中的红外接收器接收。

常用的编码器有二进制编码器、二—十进制编码器、集成编码器等。

1．二进制编码器

将信号或对象编为二进制代码的电路称为二进制编码器。图5-2-5就是用2位二进制数码输出实现对4位二进制数码输入的编码器。表5-2-3是2位二进制的编码器真值表。

图5-2-52位二进制编码器逻辑图(a)用或门实现编码器逻辑图；(b)用与非门实现编码器逻辑图

表5-2-32位二进制编码器真值表

2．二—十进制编码器

将十进制数的10个数字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9编成二进制代码的电路叫做二—十进制编码器。二—十进制代码简称BCD代码，又称8421码。电路的输出只有0000～1001十种组合，正好反映输入0～9十个十进制数，实现从十进制到二进制数的转换。图5-2-6、图5-2-7、表5-2-4分别是二—十进制编码器的框图、逻辑图和编码表。

图5-2-68421BCD编码器框图图5-2-78421BCD编码器逻辑图

表5-2-48421BCD编码器的真值表根据以上两种编码器可以看出，编码器的输入信号比输出信号多，即编码后的位数比编码前的位数少，有N个输出端，2N个输入端(BCD编码器除外)。5.2.2译码器

译码是编码的反过程，是将给定的代码“翻译”成特定的信号或另一种形式的代码。

1．二进制译码器

二进制译码器又称全译码器，它有N个输入端，有M

=

2N个输出端。如2位二进制译码器，N

=

2，M

=

22

=

4，即有2个输入端，4个输出端。图5-2-8是二进制译码器的示意图。

图5-2-8二进制译码器的示意图

2．2位二进制译码器

把2位二进制代码的4种状态(00、01、10、11)，按其原意“翻译”成对应输出信号的电路称为2位二进制译码器。

1)示意图

2位二进制译码器的示意图如图5-2-9所示。

2)逻辑图

2位二进制译码器的逻辑图如图5-2-10所示。

图5-2-92位二进制译码器的示意图

图5-2-102位二进制译码器的逻辑图图中， 为使能端，低电平有效。它既可控制电路的工作，也可用于扩展逻辑功能。 =

0时，译码器工作； =

1时，电路被禁止， 输出全部为高电平，

输出状态与输入数据无关。

3)真值表

2位二进制译码器的真值表如表5-2-5所示。表5-2-52位二进制译码器的真值表4)逻辑表达式

2位二进制译码器的逻辑表达式为：

3．二—十进制译码器

将二—十进制代码“翻译”成0～9十个二进制数字信号的电路，称为二—十进制译码器，又叫BCD译码器。BCD译码器有4个输入端，10个输出端。

在数字显示电路中应用非常广泛的七段译码器属于二—十进制译码器(即BCD译码器)，七段译码器也有4个输入端，用A、B、C、D表示，但只有7个输出端，用a、b、c、d、e、f、g表示，利用这七个输出信号去驱动相应的发光体LED发光，使译码器的结果直接以十进制数0～9显示出来，如表5-2-6所示。图5-2-11和图5-2-12分别是七段数码管的分段示意图和发光显示图。

表5-2-6七段字型译码器的真值表

图5-2-11七段数码管分段示意图图5-2-12七段数码管发光示意图

LED七段数码发光管多数情况用于显示十进制数字，要将0～9的数字用7段显示，必须将数字转换为LED七段数码发光管对应七段码的信息，比如，要显示“0”，就是a、b、c、d、e和f段发光，显示“1”，就是b和c段发光等等，如表5-2-7所示。表5-2-7七段数码管显示数字及发光段对应表七段译码器有输出低电平有效和高电平有效的多种型号。当选用的LED七段数码发光管是共阳极接法时，应使用低电平输出有效的七段译码器，如7446和7447等；当选用的LED七段数码发光管是共阴极接法时，应使用高电平输出有效的七段译码器，如7448和7449(OC输出)等。共阳极型与共阴极型数码管的接法如图5-2-13所示。

图5-2-13LED内部接法图图5-2-14为LED的使用举例，图中的LED为共阳极接法，因此，COM端接5V电压，其他引脚端通过限流电阻接到锁存器74LS373的输出，当各段输入端为逻辑“1”时，对应的LED不亮；各段输入端为逻辑“0”时，对应LED才发亮。使用时要根据LED正常发光需要的电流参数估算限流电阻取值。电阻取值越小，电流大，LED会更亮，但要注意长时间过热使用烧坏LED。

图5-2-14LED数码管的应用图

一、技能训练目标

(1)加深对编码器、译码器工作原理的理解。

(2)掌握编码器与译码器的组合运用。

【技能训练二十六】0～9数码显示电路的安装及调试

二、仪器、工具和材料

(1)仪器和工具：MF47型万用表、电烙铁、剪线钳、镊子、焊锡、YB1719型稳压电源。

(2)器件材料清单见表5-2-8。

表5-2-8器件材料清单

三、电路和工作原理

0～9数码显示电路是一个用10线-4线BCD编码器74LS147、7段译码器74LS48、四非门以及七段发光数码管(共阴极)组成的数码显示电路，如图5-2-15所示，当S1～S9中任一个开关闭合时，即相当于编码器74LS147中相应的输入端接地(低电平有效)，经74LS147编码后从⑨、⑦、⑥、④脚输出，经反相器74LS04反相后送入七段译码器74LS48进行译码，输出a～f七个信号驱动数码显示器发光，显示相应的数字；当S1～S9都断开时，数码显示器显示为“0”。

图5-2-150～9数码显示电路原理图

四、技能训练内容与步骤

(1)利用Protel软件绘制出电路原理图，生成PCB线路板，如图5-2-16所示(方法见第6章)。

(2)利用敷铜板制作PCB线路板。(详细方法见第3章)

(3)检测元器件，在这里主要用万用表检测开关、电阻和发光数码管(检测方法见第1章)，而集成电路没有条件进行测试，只能安装集成座，在出现故障时使用代换法检查。

(4)电路安装，所有元器件全部贴板安装，所有电阻的色环方向一致。

图5-2-160～9数码显示电路PCB板图

(5)电路设试，在检查电路安装无误后，可接通电源(直流12

V)依次按下开关对集成电路的相关引脚进行测试，并填写表5-2-9，然后将U1的输入与输出状态与表5-2-4(编码)进行比较，U3的输入输出和表5-2-6(译码)进行比较，以加深对编码器和译码器的理解。

(6)检测电路效果：在所有开关没有按下时，发光数码管显示为“0”，当按下开关S1，发光数码管显示“1”，按下开关S2，发光数码管显示“2”，以此类推。

表5-2-9各集成电路主要引脚的电平变化表

(7)常见故障及检修：

①接通电源，没有显示任何数字。

检查方法：用万用表直流电压挡测量电源供电是否正常。如不正常，检查电源电路；如正常，测量各集成电路74LS48的七个输出端，是否有输出电压。如有，则是数码显示器故障，换一个试试；如无，则逐个拔下三块集成电路用代替法试验。②数码管缺笔少划。

检查方法：数码管显示缺笔少划时，应重点检查74LS147到数码管的对应段连线是否存在假焊、漏焊、虚焊时(如数码管b段不亮，应重点检查数码管b段与集成电路74LS48⑿脚之间的连线)，如无发现问题，可更换数码管或74LS147试试。③乱码。

检查方法：所谓乱码就是显示的数字不成数字(如本来显示“1”时，数码管应该b、c段发光，乱码时则可能g、c段不发光)，应重点检查74LS147的BCD二进制编码输入线与74LS48的BCD二进制编码输出线的对应关系，看看是否接错，或存在漏焊、虚焊等情况，如有必要，可更换74LS147或74LS48试试。

五、技能训练评分记录表

六、拓展阅读

通过对“0～9数码显示电路”的安装与调试，读者应该知道在各类家电面板中、公路上的红绿灯计时等的数字是如何显示出来的。你能否利用本节学得的知识设计制作两位数或三位数的数码显示电路呢？

【基本知识与技能准备】

时基集成电路结构简单、功能多，具有精度高、驱动电流大、负载能力强、温度漂移小、速度快的特点，可直接与数字电路相连，是一种应用非常广泛的模拟-数字集成电路，可用于单稳态触发器、双稳态触发器、无稳态振荡器和各种开关电路。常用的时基集成电路有NE555、LM555、UA555、LC555、SL555等，它们的内部功能结构和管脚序号都相同，因此可以相互直接代换。5.3时基集成电路的应用5.3.1555时基集成电路的结构

555时基集成电路内部一共集成了21个晶体三极管、4个晶体二极管和16个电阻器，组成了两个电压比较器、一个RS触发器、一个放电晶体管和一个由3只全等电阻组成的分压器，如图5-3-1所示。图5-3-2为555时基集成电路的引脚功能图。

图5-3-1555时基电路内部结构图

图5-3-2555时基集成电路的引脚功能图5.3.2555时基集成电路的工作原理

图5-3-1中的C1称为上比较器，C2称为下比较器。图中阻值为5

kΩ的三个电阻从上而下分别为R1、R2、R3，由于R1、R2、R3阻值相等，因此555的⑤脚电位固定在2/3VCC(VCC为集成电路的电源电压)，⑥脚是阈值输入端。同理，下比较器C2的反相较入端电位被固定在1/3VCC上，同相输入端②脚作为触发输入端。由于C1的基准电压设在同相输入端，所以当阀值端即⑥脚电压高于或等于2/3VCC时，C1输出低电平，使基本RS触发器置0，经G3、G4后令输出端③脚为0。而C2的基准电压是设在反相输入端，因此只有当触发器②脚电平小于或等于1/3VCC时，C2输出低电平，触发器被置1，经G3、G4后令输出端③脚为1。

555时基集成电路的最基本特性可以归结为：当触发端②脚电位高于1/3VCC时，集成块③脚就输出高电位；当触发端⑥电位高于2/3VCC(有一个先决条件：②脚电位必须大于1/3VCC)集成块时③脚就输出低电位(这一点说明当②、⑥脚电位发生矛盾时，先服从②脚)。

一、技能训练目标

(1)掌握555时基集成电路的结构以及工作原理。

(2)掌握电路分析、PCB设计，电路安装与调试的能力。

【技能训练二十八】两灯交替闪烁电路的安装及调试

二、仪器、工具和材料

(1)仪器和工具：MF47型万用表、YB1719型稳压电源、电烙铁、焊锡、剪线钳、镊子。

(2)器件材料清单见表5-3-1。

表5-3-1器件材料清单

三、电路和工作原理

两灯交替闪烁电路的原理图如图5-3-3所示，接通电源后，因电容C1两端电压不能突变，处于短路状态，555集成电路的②脚为低电平，③脚输出为高电平，故发光二极管LED2发光，LED1不发光，以此同时，电源通过R1、R2向C1充电，使⑥脚电平不断升高，当电位上升到2/3VCC(VCC电源电压)后，555集成电路的③脚输出变为低电平，发光二极管LED1发光，LED2不发光。这时555集成电路内部的放电管导通，使⑦脚与①脚接通，电容C1上储存的电压通过电阻R2、⑦脚、①脚对地放电，使②脚电位不断下降，当下降到1/3VCC时，③脚输出又变为高电平，发光二极管LED2发光，LED1不发光，同时放电管截止，⑦脚被悬空，电源又对C1充电，使⑥脚电位上升，当电位上升到2/3VCC后，③脚输出变为低电平，发光二极管LED1发光，LED2不发光……如此不断反复循环，形成振荡，使LED1、LED2不停地交替发光。

图5-3-3两灯交替闪烁电路原理图

四、技能训练内容与步骤

(1)用万能电路板设计出电路底板图，板大小为5

cm

×

7

cm。图5-3-4和图5-3-5是参考电路底板图。

(2)准备好元器件，用万用表进行质量检测。

(3)按照设计出的底板图把元器件安装上电路板，注意元器件的位置一定要严格与底板图一致，特别是集成电路插座。要求电阻、电解电容、二极管和集成座贴板安装。

(4)根据底板图的走线设计将元器件用焊锡拖焊或用裸线连接起来。

(5)详细对照设计图检查元器件及走线是否安装正确。走线之间有否短路。电路成品图如图5-3-6所示。

图5-3-4电路板元件面

图5-3-5电路板焊接面

图5-3-6安装好的成品图

(6)确认无误后把555集成块装上集成座，注意集成块缺口方向不能装反，否则通电会损坏集成电路。接上12

V直流电源，电路即可进行正常工作。

(7)待接上电源后，红、绿两个发光二极管交替闪烁。

(8)常见故障及检修：

①接通电源后，两灯都不亮。故障原因：电源电压没加到电路板；两只发光二极管装反或同时损坏(可能性不大)。

②只有一个发光管LED1常亮。故障原因：LED2开路损坏；R2开路损坏；集成电路损坏。

③只有一个发光管LED2闪亮。故障原因：不亮的那个二极管损坏或者该支路中的分流电阻开路损坏。五、技能训练评分记录表

六、拓展阅读

利用555时基集成可以制作很多有趣的电路，如电子音乐门铃、报警器、分频器以及声、光控电路等。通过这次的理论学习和实际操作后，你是否可以利用555时基集成自已设计安装出以上其中一个电路呢？如果不行的话，请查阅一些电子趣味小制作的书籍，会从中得到一些很好的启发。

一、技能训练目标

(1)进一步加深对555时基电路原理的理解及应用。

(2)提高学生的电路分析、底板设计、组装及调试的能力。

【技能训练二十八】电冰箱断电延时保护电路的安装及调试

二、仪器、工具和材料

(1)仪器和工具：MF47型万用表、YB1719型稳压电源、电烙铁、焊锡、剪线钳、镊子。

(2)器件材料清单见表5-3-2。

表5-3-2器件材料清单

三、电路和工作原理

电冰箱断电延时保护电路如图5-3-7所示。电冰箱压缩机用发光二极管代替，发光说明电冰箱通电工作。电路主要由555时基集成电路及外围电路组成，R1、VD1构成C1的放电回路。当电冰箱接通电源时，电源电压通过R2对C1充电，由于C1上电压不能突变，充电时555集成电路的②、⑥脚处于高电平，③脚处于低电平，继电器不通电，压缩机不工作(发光二极管不发光)，经过一段时间后C1两端电压上升，555集成电路的②、⑥脚处于低电平，③脚变为高电平，继电器通电，开关闭合，压缩机通电工作(发光二极管发光)。当电网停电(或拔下电冰箱电源插头)后，C1通过R1、VD1迅速放电；当再次来电(或插上电冰箱电源插头)后，电容器又充电，过一段时间后继电器再吸合，接通压缩机工作，起到保护压缩机的作用。

图5-3-7电冰箱断电延时保护电路原理图

四、技能训练内容与步骤

(1)用Protel设计出PCB底板图(或用万能板设计也比较简单)，如图5-3-10。图中POWER为电源插接件，电路板尺寸设置为5

cm

×

7

cm。图5-3-8和图5-3-9是用万能电路板设计出来元器件的布置及电路走线图。

图5-3-8万能电路板元件面

图5-3-9万能电路板焊接面

(2)由PCB底板图制作出电路板，参考图5-3-10。(如用万能电路板制作则可省略这一步。)

(3)按照元件列表将元器件准备好，用万用表进行质量检测。

(4)把元器件按照PCB底板图的布局焊接安装到电路板(万能板)上。如果是使用万能板安装，则在安装继电器K时要稍微调整其引脚才能插入万能板中，注意不能太用力，否则容易使引脚折断。

(5)装上555集成电路，对照底板图检查一遍安装是否有误，二极管、电解电容器的极性，集成电路的缺口方向等。安装好的电路板图如图5-3-11所示。

图5-3-10用敷铜板设计的PCB板图(元件面)

图5-3-11安装好的成品图

(6)焊接好电源插头，接上12

V直流稳压电源，电路便可正常工作。

(7)电路效果检测：通电后红色发光二极管不亮，大约30秒后，红色发光二极管发光。

(8)常见故障与检修。

①接通电源后，发光二极管立即亮。故障原因：电容C2击穿损坏；集成电路损坏。

②接通电源30秒后，发光二极管不亮。故障原因：如果测得集成电路的③脚为低电平，那么可能是电容C1开路损坏或集成电路损坏或虚焊；如果测得集成电路的③脚为高电平，没听到继电器的吸合声，则可能是VD2开路、VD3短路，继电器损坏或虚焊；如果能听到继电器的吸合声，则可能是R4开路或发光二极管损坏或虚焊。五、技能训练评分记录表续表

六、拓展阅读

通过对本电路的原理分析，我们可以知道电路的延时保护主要是通过电容C2的充电时间来实现的延时启动，电容容量越大，延时越长。如果需要用555时基集成电路制作一个对电器(如电动机、灯具等)延时关机的电路，参考本电路，你能设计制作出来吗？

【基本知识与技能准备】

数字电路里有些能够寄存代码和信息的记忆部件，它的输出状态不仅取决于当时的输入信号，还与电路输出端的原来状态有关。这类逻辑电路称为时序逻辑电路。5.4时序逻辑电路5.4.1触发器

触发器是组成时序逻辑电路的一种重要器件。触发器有两个稳定的状态，即“1”态，和“0”态。在一定的外界信号作用下可以从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态。触发器按结构形式分有基本RS触发器、时钟RS触发器、主从结构触发器、边沿触发器等；按功能分有RS触发器、JK触发器、D触发器和T触发器等。表5-4-1列出了常用五种逻辑功能触发器的逻辑符号、逻辑功能、真值表、波形图和特点。表5-4-1几种触发器的比较续表5.4.2计数器

1．计数器的特点和分类

能够累计输入脉冲个数的数字电路称为计数器，它含有若干个触发器，并按预定顺序改变各触发器的状态。计数器在计时、控制、测量、分频等领域有广泛的应用。计数器的分类有以下几种：

(1)按照各个触发器状态翻转的时间，可分为同步和异步计数器。所谓同步，是指各触发器的触发脉冲CP同时到来；异步是指各触发器的触发脉冲不同时到来，下一级触发器的触发脉冲由上一级触发器的输出端提供。

(2)按照计数过程中数字的增减规律，可分为加法、减法和可逆计数器。

(3)按照计数器的循环长度，可分为二进制和Ｎ进制计数器。

2．异步二进制加法计数器的电路结构

在触发器中，T′触发器的逻辑功能主要是计数翻转，一个触发器就可以组成一个最简单的1位二进制计数器。每输入一个CP脉冲，T′触发器就翻转一次。而JK触发器、D触发器等触发器可以转变为T′触发器，因此也可以用来组成计数器。图5-4-1和图5-4-2分别是用JK触发器和D触发器构成的2位异步二进制加法计数逻辑图。同理可知，3位异步二进制加法计数可由三个T′触发器构成，4位异步二进制加法计数可由四个T′触发器构成。

图5-4-1由JK触发器构成的2位二进制异步加法计数器

图5-4-2由D触发器构成的2位二进制异步加法计数器

3．异步二进制加法计数器的计数功能

从图5-4-2中可以看出，以D触发器构成的2位二进制异步加法计数器为例来分析异步加法计数器的工作原理是：计数器中低位触发器的输出信号被用作高位触发器的时钟脉冲，当低位触发器输出端出现一个下降沿时，高位触发器就发生翻转，相当于由低位向高位输出一个进位信号。

假设计数前先由CR脉冲清零，令计数器初始状态为Q1Q0=00，计数器处于00状态，由于D端接到，即D

=

1，触发器处于置“1”状态。当第一个CP脉冲下降沿到来时，触发器FF0翻转，Q0由0上升为1，由于没有下降沿，触发器FF1不翻转，Q1保持为0，此时输出Q1Q0

=

01，表示计数为1。

当第二个CP脉冲下降沿到来时，触发器FF0再次翻转，Q0由1下降为0，同时产生一个下降沿，该下降沿使触发器FF1翻转，Q1由0上升为1，此时输出Q1Q0

=

10，表示计数为2。

当第三个CP脉冲下降沿到来时，触发器FF0又再次翻转，Q0由0上升为1，由于是上升沿，触发器FF1不翻转，Q1保持为1，此时输出Q1Q0

=

11，表示计数为3。

当第四个CP脉冲到来时，计数器重新回到O状态。

其他多位计数器的计数过程依次类推，但有一个规律，每来一个时钟脉冲，触发器FF1

触发一次；每来两个脉冲，触发器FF2触发一次；每来四个时钟脉冲，触发器FF3触发一次；总之，每来2n-1个时钟脉冲，触发器FFn触发一次。

4．异步二进制加法计数器的定时功能

所谓定时，就是此电路具有这样一个功能，即在一个规定的时间内定时发出一个时间到的信号。计数电路可以当定时电路用，这是因为每一个计数脉冲都有一个固定的时间值。

5．异步二进制加法计数器的分频功能

分频是异步式计数器具有的一种功能，它只针对指时钟脉冲频率变化而言。从异步式计数器的波形图可以看出，若原时钟频率为n次，则经过一级触发器后，Q1信号的频率为n/2次，再经过一级触发器，Q2的频率减小为n/4次，以此类推，每经过一级触发器，输出的频率应该为输入信号频率的一半。

一、技能训练目标

(1)熟练掌握各类触发器的逻辑功能及应用。

(2)掌握电路组装的基本操作技能。

(3)提高电路设计、调试和故障检测的能力。

【技能训练三十】一种由D触发器组成的计数器电路的安装及调试

二、仪器、工具和材料

(1)仪器和工具：YB1719型稳压电源、XJ4328型示波器、MF47型万用表、电烙铁、镊子、焊锡、剪线钳。

(2)器件材料清单见表5-4-2。

表5-4-2器件材料清单

三、电路和工作原理

本电路是一个用D触发器构成的4位二进制异步加法计数器。电路图如图5-4-3所示，加法计数器中低位触发器的输出信号被用作高位触发器的时钟脉冲，当低位触发器输出端出现一个上升沿时，高位触发器就发生翻转，相当于由低位向高位输出一个进位信号。计数脉冲由开关S提供。接通电源之后，电源通过对C2充电，由于C2两端电压不能突变，集成电路得到低电平，使触发器清零，令计数器初状态Q3Q2Q1Q0=0000。 =

1111，发光二极管全部不亮，表示计数为0。

图5-4-3D触发器组成的计数器电路原理图当第一次按下开关S(无自锁)后，触发器U1A的控制端得到一个脉冲上升沿，触发器A翻转， 由1下降为0，由于没有上升沿，触发器U1B、U2A、U2B不翻转，

保持为1，此时 =

1110，相对应的发光二极管D0亮，D1、D2、D3不亮，表示计数为1。

当第二次按下开关S后，触发器U1A的控制端又得到一个脉冲上升沿，触发器U1A再次翻转，此时 由0上升为1，该上升沿令触发器U1B翻转， 由1变为0，而U2A、U2B保持原状态不变，故计数器输出为 =

1101，即D1亮，D0、D2、D3不亮，表示计数器计数为2。依此类推，当第三次按下开关S后，计数器输出 =

1100，发光二极管D0、D1亮，表示计数为3；第四次按下开关S后，计数器输出 =

1011，发光二极管D2亮，表示计数器计数为4……，当第十六次按下开关S后，计数器回到全零状态 =

1111，全部发光二极管不发光。计数器的状态见表5-4-3。表5-4-3计数器的状态表

四、技能训练内容与步骤

(1)设计电路PCB板。因本电路原理图较为复杂，最好使用Protel软件进行设计，如无电脑，用手工设计也不算困难，关键是两块集成电路的摆放位置要规划好；四个发光二极管最好设置在一条直线上，并且按顺序摆放。图5-4-4和图5-4-5所示的是用万能电路板设计的板图。

图5-4-4万能线路板元件面

图5-4-5万能线路板焊接面

(2)电路板制作。如果使用万能板进行安装，则只需用细砂纸对万能板进行轻轻的打磨去除敷铜面的氧化层即可。如果使用敷铜板进行安装，则需经过敷铜板表面处理、复印电路图、描图等程序，详见第3章。

(3)元器件的准备及质量检测。在安装之前一定要对所有元器件进行测量，避免有质量不好或损坏的元器件安装在电路板，造成调试不成功。

(4)电路安装。如果是用敷铜板制作的电路板，只要把元器件照PCB板图插入焊接稳固即可，如果是利用万能电路板安装，则在安装好元器件后需要用导线或焊锡按照预先设计好的PCB板图上的走线进行拖焊连接。并且拖焊的走线与板边平行或垂直，转弯处要成直角。

(5)电路调试。确认电路安装无误后，装上集成块，通电试机。正确的电路效果是：没按下开关S时，没有发光二极管亮，第一次按下开关S，只有发光二极管D0点亮，按第二次后，只有发光二极管D1亮，按第三次后，只有D0和D1亮……，参考表5-4-3。为验证电路工作原理，测试电路各引脚电平将结果填入表5-4-4。

表5-4-4IC引脚电压测量表

(6)常见的故障及处理。

①接通电源，按开关S，没任何反应。故障原因：电源故障，可测量集成电路的电源脚(14)、(7)电压，如正常，则可能是集成电路有损坏或虚焊；如无电压，则可能是电源没接好或者电路有短路；另如果C2开路，会导致计数器无法复位，也是会造成这种故障。

②D0、D1正常，但D2、D3不能亮。故障原因：如果安装无误，则可能是集成电路U2损坏，用一块新集成电路试一试。五、技能训练评分记录表续表七、拓展阅读

在理解掌握了用JK触发器组成的计数电路的原理、安装和调试后，请读者分析图5-4-6的计数过程，电路结构和元器件与图5-4-1比较有何不同？你能设计出其PCB板图吗？有兴趣的读者也可把它组装出来。

图5-4-6用JK触发器组成的计数器电路原理图

【综合技能训练三】数字频率计的安装及调试

一、技能训练目标

(1)加深对555时基电路、计数器、译码器工作原理的认识和理解。

(2)提高对综合电路的应用和组装、调试能力。

5.5综合实训

二、仪器、工具和材料

(1)仪器和工具：MF47型万用表、YB1719型稳压电源、XJ4328型示波器、电烙铁、焊锡、剪线钳、镊子。

(2)器件材料清单见表5-5-1。

表5-5-1器件材料清单三、电路和工作原理

1．电路组成

本数字频率计电路由控制电路、计数电路、译码电路、显示电路组成。

(1)控制电路由两块NE555构成，IC1组成多谐振荡器，产生清零脉冲；该电路用二极管将定时电容充放电回路分开，由IC1的脚输出的窄脉冲，一路送至计数器CR端作为清零信号，另一路送至由IC2构成的门控信号产生器，IC2为单稳态触发器，产生门控信号；R3和C5构成微分电路，R4、RP1和C3构成积分电路，初始状态脚为高电平，脚为低电平，该电路以负脉冲触发方式工作。此时计数器输入端被二极管VD2钳位在“0”电平，计数器不计数；当输入端②脚有下降沿出现时，电路进入暂稳态，③脚输出高电平，此时计数器输入端被二极管VD2钳位在“1”电平，计数器开始计数；当RP1和C3构成积分器充电达到2VCC/3时，电路返回稳定状态，此时计数器输入端被二极管VD2钳位在“0”电平，计数器结束计数，且放电端⑦脚导通使C3迅速放电，为下一次重新计数做好准备。

(2)计数电路由四个CD40192级连构成，最大计数频率为9999

Hz，CR为清零端，高电平有效，CP为加法计数脉冲输入端，CO为进位端，接高一位CP端。

(3)译码电路由4块CD4511构成，当有计数脉冲输入时，通过CD40192计数输出BCD二进制码，由CD4511四线7段锁存译码器译码、锁存并驱动数码管显示测量结果。

(4)显示电路主要由四个数码发光管和28个分流电阻构成，主要完成数字显示作用。

2．引脚功能

CD40192和CD4511引脚功能图分别如图5-5-1和图5-5-2所示。

在图5-5-1中， 为置数端，CR为清除端，CP为加计数端，CPD为减计数端，D0、D1、D2、D3为计数器输入端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端， 为非同步进位输出端，为非同步借位输出端。

图5-5-2中的各脚功能介绍如下：

BI：4脚是消隐输入控制端，当BI

=

0时，不管其他输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭(消隐)状态，不显示数字。

图5-5-1CD40192引脚功能图

图5-5-2CD4511引脚功能图

LT：3脚是测试输入端，当BI

=

1，LT

=

0时，译码输出全为1，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。

LE：锁定控制端，当LE

=

0时，允许译码输出。LE

=

1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE

=

0时的数值。

A1、A2、A3、A4：8421BCD码输入端。

a、b、c、d、e、f、g：译码输出端，输出为高电平1有效。

四、技能训练内容与步骤

(1)按所给出的电路原理图进行布局，如图5-5-3所示。在这里用10

cm

×

21.5

cm的万能线路板安装。有兴趣的同学可尝试用Protel来设计布局。注意：四个数码管应排列在一条直线上，并且低位在右边，高位在左边(元件面看)，如图5-5-4和图5-5-5所示。

(2)按元件列表准备好各元器件，用万用表进行质量判别。图5-5-3数字频率计电路原理图图5-5-4万能线路板元件面图5-5-5万能线路板焊接面

(3)控制部分元器件安装固定。焊接前先处理好电烙铁，使它能够粘上焊锡，最好使用30

W左右的尖嘴电烙铁。元件位置一定要安装准确。

(4)控制部分元件的连接。用电烙铁按照电路布局进行拖焊。

(5)用示波器和万用表对控制部分进行测试。先测试IC1③脚有无清零脉冲信号，再测试IC2③脚有无时基脉冲波形。正常的波形应该是矩形波。

(6)安装计数、译码及显示电路。按从低位到高位逐级安装，安装完一级调试一级，这样如出现问题就容易查找。安装好的电路板如图5-5-6所示。

图5-5-6数字频率计成品图

(7)电路调试。对照电路原理图仔细检查电路，确认无误后，接上+

5

V电源，输入相应位数的信号频率(如安装完个位显示电路后输入10

Hz以下的TTL脉冲信号，安装完十位显示电路后，输入100

Hz以下的信号)，观察计数器计数显示，并与脉冲信号发生器标准频率进行比较，微调RP1，使本频率计所显示的频率值与标准信号发生器的频率尽可能接近。

(8)常见故障及处理。

①数码管缺笔少划。应重点检查CD4511到数码管对应段连线是否存在假焊、漏焊、虚焊，例如数码管b段不亮，应重点检查数码管b段与集成电路CD4511(12)脚之间的连线。如无问题，可更换数码管或CD4511试试。

②乱码。所谓乱码，就是显示的数字不成数字，例如本来显示“1”时，数码管应该b、c段发光，乱码时则可能g、c段不发光，应重点检查CD4511的BCD二进制编码输入线与CD40192的BCD二进制编码输出线的对应关系，看看是否接错，或存在漏焊、虚焊等情况。如有必要，可更换CD4511或CD40192试试。③不能进位。当计数器不能进位时，应重点检查本级的进位端CO到下一级的计数器输入端CP的连线，看看是否接错，或存在漏焊、虚焊等情况，如有必要可更换CD40192试试。④全显“0”，不能计数。出现全显“0”，不能计数的情况时，应先检查输入的TTL脉冲电平是否正确，若正确，可把IC1、IC2先拔下，用一条短路线将清零端对地短路一下，进行强制清零，再看看是否能计数，若此时还不能计数，应重点检查计数器，若能计数，可插回IC1、IC2，用一条短路线将IC2②脚对地短路，使IC2强制进入暂稳态，看看此时能否计数，若能计数，应重点检查IC1所构成的多谐振荡器，看看元件有无接错，有无漏焊、虚焊，必要时可更换NE555试试。⑤能计数、能清零，显示时间为零。出现这种情况时，说明由IC1所构成的多谐振荡器是好的，此时应重点检查由IC2所构成的单稳态电路，看看元件有无接错，有无漏焊、虚焊，如无，可更换NE555试试。

⑥计数误差大。应重点检查由R4、RP1和C3构成积分电路，看看元件数值是否正确，有无接错。多数调节RP1即可排除。五、技能训练评分记录表

六、拓展阅读

完成本电路的安装除了加强对译码器、数码显示电路和555时基电路的理解之外，最大的收获莫过于对电烙铁的拖焊技术的提高。因为本电路的焊点多，走线也多。如果用PROTEL设计，或者会比用万能板更简单一些。本电路只可以显示频率的整数，不