1、模擬電子學基礎實驗數字邏輯基礎實驗備課稿孔慶生2011 年 1 月 27 日0模擬電子學與數字邏輯基礎實驗目錄第 1 篇 模擬電子學基礎實驗3實驗 1.1線性電路的. 3實驗 1.2晶體管單級放大器的分析5實驗 1.3晶體管多級放大器的分析6實驗 1.4差動放大電路的分析7實驗 1.5負反饋放大電路的分析8實驗 1.6運算放大器及其信號處理電路的分析10實驗 1.7信號波形發生電路的分析12實驗 1.8串聯型調整管穩壓電源的分析131模擬電子學與數字邏輯基礎實驗第 2 篇 數字邏輯基礎實驗14實驗 2.1數字 EDA 軟件入門14實驗 2.2組合電路的分析和驗證16實驗 2.3組合電路(七段譯

2、碼器與編碼器)的設計22實驗 2.4層次化的設計方法(全加器設計)27實驗 2.5迭代設計法(4 位全加器與數據比較器的設計)33實驗 2.6算術邏輯單元的設計*42實驗 2.7觸發器及基本應用電路55實驗 2.8同步計數器與應用64實驗 2.9順序脈沖信號發生器73實驗 2.10 狀態機設計(自動售貨機)81實驗 2.11 交通燈器*862模擬電子學基礎實驗第1篇 模擬電子學基礎實驗實驗1.1線性電路的一、一階低通和高通電路(1)一階RC 低通電路的階躍響應分析(2)一階RC 高通電路的階躍響應(3)一階RL 低通和高通電路的正弦響應3項目一階RL 低通穩態響應一階RL 高通穩態響應理論值穩

3、定時間 5 (s)7.94877.9487信號頻率 f (kHz)0.1fHfH10fH0.1FLFL10FL10.0114100.1141001.110.0114100.1141001.1峰值Vop(mV)995.04707.1199.599.5707.11995.04相位( )-5.7106-45-84.2984.289455.71059測量值信號頻率 f (kHz)0.1fHfH10fH0.1FLFL10FL10.0114100.1141001.110.0114100.1141001.1峰值Vop(mV)995.0706.8599.799.53706.89994.58相位( )-6.20

4、99-46.853-82.8983.171946.85347.20821初值終值36.8%初值時間常數飽和時間飽和值飽和比值項目Vo(0+)(V)Vo()(V)Vo()(V) (s)5 (s)Vo(5)(V)Vo(5)/Vo(0+) (%)理論值1.0000.0000.3681.5517.7550.0070.7測量值0.9990.0000.33671.5577.7850.0060.6初值終值63.2%終值時間常數飽和時間飽和值飽和比值項目Vo(0)(V)Vo()(V)Vo()(V) (s)5 (s)Vo(5)(V)Vo(5)/Vo() (%)理論值0.0001.0000.6321.5517.7

5、550.99399.3測量值0.0000.9980.6301.54907.7450.99399.5模擬電子學基礎實驗分析(頻率特性)二、二階低通、高通電路三、二階帶通、帶阻電路分析(1)二階RLC 帶通與帶阻電路的頻率特性(2)二階RLC 帶通與帶阻電路的正弦響應4系統帶通電路帶阻電路測量穩定時間 5/ (s)79.5379.58項目信號頻率 f (kHz)峰值Vop (mV)相位 ( )峰值Vop (mV)相位 ( )測量值0.1fo10.084120.02288.9272999.8-1.3614fL91.378707.99442.7978707.133-46.9098fo100.84199

6、6.50.00003.05390.0000fH111.377702.967-43.8246708.77144.506210fo1008.4120.026-90.7569999.73.6303理論值0.1fo/fL/fo/fH/10fo/項目電阻R (k)中心頻率fo (kHz)截止頻率fH(kHz)截止頻率fL(kHz)帶寬B (kHz)品質因數Q時間常數1/(s)帶通0.51100.841105.90196.0999.80210.287832.4741.043100.841111.39091.378205.0390315.906帶阻27100.841106.20795.78310.4249.

7、6739330.53614.21100.841111.37791.378205.0423015.916項目低通高通二階電路阻尼系數 0.6927560.6927560.52電阻R (k)222.7710.693頻率 f (kHz)0.1fHfH10fH0.1FLFL10FLFLFL10.55105.51055101001000100100峰值Vop (mV)1000706.69.5979.510703.31000973.8243.8一階電路頻率 f (kHz)0.1fHfH10fH0.1FLFL10FL/10.01100.1100110.01100.11001/峰值Vop (mV)995.07

8、06.999.799.5706.9994.6/模擬電子學基礎實驗實驗1.2 晶體管單級放大器的分析一、雙極型晶體管共射放大器分析1、晶體管單級共射放大器的瞬態分析2、晶體管單級共射放大器的交流掃描分析二、絕緣柵場效應管單級(共源)放大器分析1、場效應管單級共源放大器的瞬態分析2、場效應管單級共源放大器的交流掃描分析5旁路與耦合電容中頻增益AV截止頻率輸入與輸出阻抗CS(F)C1 (F)C2 (F)fL (Hz)fH (MHz)Ri (k)Ro (k)62101052.51699.0291.605752.5151.799562110/99.069/62101/100.830/6.21010/98

9、9.633/源極電阻RS(k)靜態工作點中頻增益AV最大不失真輸入與輸出范圍IcQ(mA)VceQ(V)Vipp(mV)Vopp(V)0.2203.5454.839152.48821608.11451.0000.8839.526926.17301002.47520.1006.2480.12900.52204200.010466旁路與耦合電容中頻增益AV截止頻率輸入與輸出阻抗Ce (F)C1 (F)C2 (F)fL (Hz)fH (MHz)Ri (k)Ro (k)2204747152.543100.00014.9490.919111.40172204.747/125.699/220474.7/1

10、00.417/224747/979.829/射極電阻Re(k)靜態工作點中頻增益AV最大不失真輸入與輸出范圍ICQ(mA)VCEQ(V)Vipp(mV)Vopp(V)0.433.664.927152.4228567.81010.305.132.755206.7087244.82650.911.787.69176.9811604.2536模擬電子學基礎實驗實驗1.3 晶體管多級放大器的分析一、多級放大器動態范圍與中頻增益的瞬態分析二、多級放大器系統輸入阻抗與輸出阻抗的瞬態分析三、多級放大器的交流分析6電路中頻增益測量截止頻率與帶寬測量阻抗測量AVAG (mS)AR (k)fL (Hz)fH (M

11、Hz)B (MHz)Ri (k)共射/636.426/1423.540.75440.753/共基/0.326275046.71946.7190.002293共集0.994237/10.8123396.23396.21.4794系統206.451/1423.828.19328.192/輸入阻抗測量輸出阻抗測量標準電阻輸入端未串聯輸入端串聯輸入阻抗計算標準負載輸出端未并聯輸出端并聯輸出阻抗計算Rn (k)Vo1 (V)Vo2 (V)Ri (k)RL ()VL1 (V)VL2 (V)Ro ()0.272.04341.0099920.263884.341.115m21.266m4.0135電路動態范圍

12、測量中頻增益測量輸入輸出輸入輸出增益Vipp (V)Iipp (mA)Vopp (V)Iopp (mA)Vi(V)Ii(mA)Vo(V)Io(mA)AVAG(mS)AR(k)共射0.032/19.4210m/6.202/620.2/共基/19.426.34/6.2022.0553/0.3314共集6.34/6.30/2.0553/2.0434/0.9942/系統0.032/6.30/10m/2.0434/204.34/模擬電子學基礎實驗實驗1.4 差動放大電路的分析一、差動放大電路的瞬態分析二、恒流源特性的瞬態分析三、差動放大器的交流掃描分析7R2 ()中頻增益AVd上截止頻率fH(MHz)輸

13、入阻抗Ri (k)輸出阻抗Ro (k)51152.9038.15652.424013.95610084.2088.84924.284723.200條件僅輸入差模信號僅輸入共模信號R2R3 ()IC3 (A)Vid (mV)Vod (V)AVdIC3 (A)Vic (V)Voc (mV)AVc (10-3)CMRR (dB)510.000100.51751.65812.252.2587.220.010.000100.57357.25165159.4559.4561.10差動電路類型測量項目不失真動態范圍差模增益共模增益共模抑制比輸出方式Vipp (mV)Vopp (V)Vid (mV)Vod (

14、V)AVdVic (V)Voc (mV)AVc (10-3)CMRR (dB)基本型雙端1007.21100.8989.510.000.00單端1003.61100.4544.711094109438.28恒流源型雙端927.93101.0410410.000.00單端923.96100.5252.012.252.2587.19有源負載型324.74101.5215211.01.0103.61模擬電子學基礎實驗實驗1.5 負反饋放大電路的分析一、電壓串聯負反饋放大器分析(1)瞬態分析(2)交流分析二、電流串聯負反饋放大器分析(1)瞬態分析(2)交流分析8項目跨導增益頻帶寬度反饋系數阻抗反饋條件

15、AGf (mS)AG (mS)fL (Hz)fH (MHz)B (MHz)F (k)AG FRi (k)Ro (k)閉環20.696/34.6032.19732.1970.047936.83679.3679.77開環/769.02135.40.61940.6193/9.8381.129項目反饋閉環開環負載RL (k)110AGf /AGf (%)110AG /AG (%)動態范圍Vipp(mV)22050/55/Iopp (mA)4.47120.8906/3.6580.711/跨導增益Vi (mV)1010/11/Io(mA)0.20700.1861/0.7690.150/AGf (mS)20

16、.69718.61210.0739/AG (mS)/769.1149.580.5617項目電壓增益頻帶寬度反饋系數阻抗反饋條件AVfAVfL (Hz)fH (MHz)B (MHz)F (10-3)AV FRi (k)Ro ()閉環101.43/38.376.33436.33439.75113.45624.6250.73開環/1380.0154.80.44390.4438/7.199789.3項目反饋閉環開環負載RL (k)5.10.51AVf /AVf (%)5.10.51AV /AV (%)動態范圍Vipp(mV)8040/55/Vopp (V)7.93423.5776/6.51472.97

17、09/電壓增益Vi (mV)11/11/Vo(V)0.10130.0933/1.37680.6246/AVf101.3293.2507.96486/AV/1376.8624.6154.633模擬電子學基礎實驗三、電壓并聯負反饋放大器分析(1)瞬態分析(2)交流分析四、電流并聯負反饋放大器分析(1)瞬態分析(2)交流分析9項目電流增益頻帶寬度反饋系數阻抗反饋條件AIfAIfL (Hz)fH (MHz)B (MHz)F (10-3)AI FRi ()Ro (k)閉環99.611/7.69310.99310.9939.91471.81913.42161.2開環/7244.2131.00.47720.

18、4771/969.21.133項目反饋閉環開環負載RL (k)110AIf /AIf (%)110AI /AI (%)動態范圍Iipp (A)428/0.50.5/Iopp (mA)4.13410.7432/3.45450.6834/電流增益Ii(A)101/0.10.1/Io(mA)0.99620.0943/0.73200.1337/AIf99.62594.3135.332/AI/7320.21337.481.730項目跨阻增益頻帶寬度反饋系數阻抗反饋條件ARf (k)AR (k)fL (Hz)fH (MHz)B (MHz)F (mS)AR FRi ()Ro ()閉環98.638/5.069

19、7.50877.50870.010072.39714.0319.64開環/7239.0109.80.30460.3045/10251998項目反饋閉環開環負載RL (k)5.10.51ARf /ARf (%)5.10.51AR /AR (%)動態范圍Iipp (A)8024/11/Vopp (V)7.84482.2365/7.00112.0079/跨阻增益Ii(A)1010/0.10.1/Vo(V)0.98640.9520/0.68860.2012/ARf (k)98.64495.1983.49337/AR (k)/6886.22012.270.77924模擬電子學基礎實驗實驗1.6 運算放大

20、器及其信號處理電路的分析一、運算放大器特性分析二、加運算電路直流掃描分析三、與微分運算電路瞬態分析10積分運算電路R1(k)100100101,000,000R()110510510510Vopp (V)20.6304.1959/輸出波形/微分運算電路R1()56056020000.001R(k)5.1111111Vopp (V)1.00022.1858/輸出波形/Vi1 (V)-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.5Vi2 (V)0.250.250.250.250.250.250.250.25測量Vo11.81611.8167.49972.5003-2.4992-7.4987

21、-11.816-11.816理論Vo17.512.57.52.5-2.5-7.5-12.5-17.5交流分析開環增益-3dB 帶寬增益帶寬乘積Vo / V1Ad (105)Ad (dB)fH (Hz)Ad fH (MHz)198.8231.99022105.9785.00800.9967022瞬態分析共模抑制比轉移速率不失真幅度Vipp (V)Vopp (mV)CMRR (dB)Vo (V)t (s)SR(V/s)f (kHz)Vopp (V)262.82190.05850.798681.65380.48294207.6886模擬電子學基礎實驗四、有源濾波器電路交流掃描分析11濾波器1 階2

22、階5 階4 階低通高通低通高通低通低通增益A1.99991.00781.99990.991120.99990.9999截止頻率 fC(kHz)10.0089.99310.19810.19910.21410.20010fC 處衰減 (dB)-20.1668/-40.2057/-100.328-80.20000.1fC 處衰減 (dB)/-20.0654/-40.0441/模擬電子學基礎實驗實驗1.7 信號波形發生電路的分析一、Wien 電橋選頻網絡的交流掃描分析二、Wien 振蕩器幅度平衡條件的瞬態分析三、Wien 振蕩器幅度穩定電路的瞬態分析四、非正弦波發生電路的瞬態分析12元件參數組合原電路

23、改變C1改變R2改變R5與R6元件參數R2(k)20201020R5(k)4.34.34.31R6(k)4.34.34.33.3C1(F)0.470.220.470.47矩形波周期 T(ms)9.9474.73819.6515.029占空比 /T (%)50.05550.06350.02325.691峰峰值 Vopp1 (V)6.78576.78086.77376.5388鋸齒波峰峰值 Vopp2 (V)6.88886.788713.40676.6776電阻R2 (k)10151822輸出Vopp (V)2.72726.854919.94323.632波形Vo(t)電阻R2 (k)102022

24、1000000增益Vopp (V)0023.63223.632Vfpp (V)008.620913.0111理論A233.2波形Vo(t)頻率f(kHz)0.1fofLfofH10fo0.1019380.3109271.02333.386610.184反饋系數 F0.0960700.2358080.3333330.2358080.097347相位( º )73.26744.9780.000-44.978-73.018模擬電子學基礎實驗實驗1.8串聯型調整管穩壓電源的分析一、輸出電壓范圍二、穩壓系數三、輸出阻抗四、濾波電壓紋波13項目濾波電容值對紋波的影響負載電流對紋波的影響C1 (F

25、)V1 (V)V1 (V)S (%)RL ()IL (mA)V1 (V)V1 (V)S (%)數據10003.36788.081141.67510501.370.78578.94188.786920001.79838.686920.70120250.680.42229.32894.525730001.21958.852013.77730167.120.29559.51033.107240000.92058.917510.32240125.340.23209.61902.411950000.73918.94948.258750100.270.19309.69351.9910項目負載電阻RL()輸

26、出平均值 Vo(V)輸出阻抗RL()數據1G5.021951.04212.45935項目輸入幅度Vi(V)輸出平均Vo(V)Vo (V)Vo/Vo (%)Vi/Vi (%)穩壓系數Sr(%)數據10.85.00380/12.05.013650.017950.3580226201.7913.25.02175/項目采樣電阻R3()輸出平均Vo(V)采樣反饋Vf(V)基準電壓VZ(V)最低輸出Vo_min (V)最高輸出Vo_max (V)數據1G2.984652.987502.98592.984656.60695200k3.999202.98680100k5.013652.9861556k6.60

27、6952.9752033k7.146252.33695數字邏輯基礎實驗第2篇 數字邏輯基礎實驗實驗2.1 數字 EDA 軟件入門一、輸入電原理圖將圖 2-1-16 所示的 2-4 譯碼器的電原理圖輸入到設計軟件中。二、設計后續處理(1)對輸入的電原理圖進行功能驗證，與真值表對應比較。14輸入輸出ENA1A0Y0Y1Y2Y31XX11110000111001101101011010111110數字邏輯基礎實驗Y 0 = EN × A1 × A0Y1 = EN × A1 × A0Y 2 = EN × A1 × A0Y 3 = EN 

28、15; A1 × A0(2)對輸入的電原理圖進行時序，并分析電路的延遲時間。電路的延遲時間為 415.4ns-400.0ns=15.4ns。15數字邏輯基礎實驗實驗2.2 組合電路的分析和驗證一、編碼器電路分析編碼器輸入是標有 03 的 4 個鍵，對應的信號為 K0、K1、K2、K3，鍵按下時輸入信號為 0，鍵放開時輸入信號為 1。輸出信號為 E、B1、B0。當 4 個鍵都沒有按下，或一次按下一個以上的鍵時，輸出信號 B1、B0 沒意義，此時輸出信號 E 為 1。當按下 4 個鍵中的任一個鍵時，輸出信號 E 為 0，B1、B0對應的二進制數，B1 為，B0 為低位。(1) 分析如圖

29、2-2-2 所示的電路，寫出真值表。分析其邏輯功能是否符合編碼器的功能。(2) 將此電原理圖輸入到計算機，進行邏輯功能驗證(3) 比較計算機產生的驗證結果和根據真值表描述的邏輯功能，并進行分析。E = K3 + K2 + K3 + K1 + K3 + K0 + K2 + K1 + K2 + K0 + K1 + K0 + K3 × K2 × K1× K0B1 = K3 × K2B0 = K3 × K116輸 入輸 出K0K1K2K3EB1B000001XX00011XX00101XX00111XX01001XX01011XX01101XX0111

30、00010001XX10011XX10101XX101100111001XX1101010111001111111XX數字邏輯基礎實驗(4)將此編碼器與實驗 2.1 中圖 2-1-16 所示的譯碼器按圖 2-2-3 相連接，利用析電路的輸入信號 K0、K1、K2、K3 與輸出信號 Y0、Y1、Y2、Y3 之間的邏輯關系。軟件分Y 0 = E × B1× B0 = K3 × K 2 × K1 + K0Y1 = E × B1× B0 = K3 × K 2 × K0 + K1Y 2 = E × B1×

31、 B0 = K3 × K1× K0 + K 2Y 3 = E × B1× B0 = K 2 × K1× K0 + K317輸 入輸 出K0K1K2K3Y0Y1Y2Y301110111101110111101110111101110X1111數字邏輯基礎實驗二、組合電路分析 1*(1)分析如圖 2-2-4 所示的電路，寫出真值表。并描述邏輯功能。18數字邏輯基礎實驗19輸 入輸 出A1A0B1B0Y1Y00000000001010010010011010100100101000110010111011000101001101010001

32、01101110010110110111010111100數字邏輯基礎實驗電路功能是二位數值比較器。若 A>B，則 Y1=1 且 Y2=0；若 A<B，則 Y1=0 且 Y2=1。Y1 = A1× B1× A1× A0 × B0 × A0 × B1× B0 = A1× B1 + A1× B1× (A0 × B0)Y 2 = A1× B1× A0 × B1× B0 × A1× A0 × B0 = A1

33、15; B1 + A1× B1× (A0 × B0)(2)將此電原理圖輸入到計算機，進行邏輯功能驗證。(3)比較計算機產生的驗證結果和根據真值表描述的邏輯功能，并進行分析。三、組合電路分析 2*(1)分析如圖 2-2-5 所示的電路，寫出真值表。并描述邏輯功能。Y = S1× S0 × A + S1× S0 × B + S1× S0 × C + S1× S0 × D電路功能是四選一數值選擇器。S1、S0 為選擇擇數據。，輸出 Y 為四輸入 A、B、C、D 的選20數字邏輯基礎實驗輸入輸

34、 出S1S0ABCDY0000001101X0XX001X1XX110XX0X010XX1X111001111(2)將此電原理圖輸入到計算機，進行邏輯功能驗證(3)比較計算機產生的驗證結果和根據真值表描述的邏輯功能，并進行分析。21數字邏輯基礎實驗實驗2.3 組合電路(七段譯碼器與編碼器)的設計一、設計 7 段數碼顯示器譯碼電路設計一個 7 段數碼顯示器譯碼電路，被的 7 段數碼顯示器實際上是對應于不同筆畫的七個發光二極管，其外型和其顯示的數碼如圖 2-3-3 所示。設譯碼器的輸入信號為顯示信號 EN 和數據信號 A1、A0，當 EN 信號為 1 時，顯示器不亮，EN 信號為 0 時按輸入的數

35、據分別顯示 03。點亮發光二極管的電平為 “1”，不點亮的電平為“0”。(1)寫出此顯示器譯碼電路的真值表，通過化簡寫出譯碼器的布爾方程式。A = EN × A1 + EN × A0 = EN × (A1 + A0)= EN × A1× A0B = ENC = EN × A1 + EN × A0 = EN × (A1 + A0)= EN × A1× A0D = EN × A1 + EN × A0 = EN × (A1 + A0)= EN × A1×

36、; A0E = EN × A0F = EN × A1× A0G = EN × A122輸 入輸 出ENA1A0ABCDEFG00011111100010110000010110110101111110011000000000101000000011000000001110000000數字邏輯基礎實驗(2)利用設計軟件提供的元件庫，在計算機上畫出譯碼器的電原理圖。(3)通過軟件對譯碼器的功能進行驗證。23數字邏輯基礎實驗二、設計 4-2 優先編碼器*設計一個 4 輸入優先編碼器，與實驗 2.2 分析的編碼器不同的是，此電路采用優先編碼的方法，即其輸入是標有

37、 03 的 4 個鍵，對應的信號為 K0、K1、K2、K3，鍵按下輸入信號為0，鍵放開輸入信號為 1。輸出信號為 E、B1、B0。當 4 個鍵都沒有按下，此時輸出信號 E 為1。當按下 4 個鍵中的任一個鍵時，輸出信號 E 為 0，B1、B0對應的二進制數。B1 為高位，B0 為低位。如同時按下一個以上的鍵時，按 K0、K1、K2、K3 的優先次序輸出，例如同時按下 K0、K1，輸出 K0 對應的數據；同時按下 K1、K3，輸出 K1 對應的數據。(1)寫出此編碼器的真值表或邏輯功能表，通過化簡寫出其布爾方程式。24輸 入輸 出K0K1K2K3EB1B000000000001000001000

38、000110000100000010100001100000111000100000110010011010001101100111000101101010111001111111XX數字邏輯基礎實驗E = K 0 × K1 × K 2 × K 3B1 = K 0 × K1B0 = K 0 × K1 + K 0 × K 2 = K 0 × (K1 + K 2)= K 0 × K1× K 2(2)利用設計軟件提供的元件庫，在計算機上畫出電原理圖。(3)通過軟件對編碼器的功能進行驗證。(4)將此編碼器與上述設

39、計的 7 段數碼顯示器譯碼電路按圖 2-3-5 相連接，利用分析電路的輸入信號 K0、K1、K2、K3 與輸出信號 ag 之間的邏輯關系。軟件A = EN × A1 × A0 = K 0 × K1 × K 2 × K 3 × K 0 × K 2 × K 0 × K1× K 2 = K 0 + K1 × K 2 × K 3B = EN = K0 × K1× K2 × K3C = EN × A1 × A0 = K 0 × K1 × K 2 × K 3 × K 0 × K1 × K 0 × K1 × K 2 = K 0 + K1 + K 2 × K 3D = EN × A1 × A0 = K 0 × K1× K 2 × K3 × K 0 × K 2 &