夏斯權(quán) 周亦敏 楊一波 譚愛國

摘要：針對傳統(tǒng)數(shù)字電子技術(shù)實驗項目在學(xué)生設(shè)計與實現(xiàn)過程中容易出現(xiàn)故障，對經(jīng)常出現(xiàn)的問題進(jìn)行提煉總結(jié)，提出TTL電平反推法，根據(jù)輸出的實驗現(xiàn)象一步一步向前反推，找出對應(yīng)的原狀態(tài)的致使條件，對的保留，不對的繼續(xù)反推前一級，找出錯誤的根源。通過教學(xué)實踐，學(xué)生可以具備自行解決數(shù)電實驗項目中常出現(xiàn)問題的能力，證明TTL電平反推排錯法在數(shù)電實驗教學(xué)應(yīng)用中具有可實施性。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電子技術(shù)；實驗；TTL電平

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2017.08.035

引言

數(shù)字電子技術(shù)是高等院校電類專業(yè)本科教學(xué)中一門重要的、實踐性強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課。所有的理論體系都有對應(yīng)的實踐內(nèi)容，供教學(xué)使用。通過實踐環(huán)節(jié)的鍛煉，鞏固、加深學(xué)生們對所學(xué)理論知識的理解。通過走訪不同高校的電工電子實驗室，對比實驗教學(xué)內(nèi)容，許多高校開設(shè)的數(shù)電實驗課現(xiàn)施行比較多的還是基于傳統(tǒng)的數(shù)模電路實驗箱，數(shù)電實驗箱上面有許多IC芯片插座，對應(yīng)的74系列芯片基本上都是雙列直插式的，選取不同引腳數(shù)，直接插接在引腳數(shù)量相對應(yīng)的芯片插座上，根據(jù)實驗設(shè)計內(nèi)容，通過軟導(dǎo)線手工搭建對應(yīng)的實驗項目。學(xué)生在數(shù)電實驗課堂上，可以比較直觀的理解某個具體功能的實驗，其外圍線路的連接，電源選取，對于每個芯片的外部結(jié)構(gòu)都會有一個清晰的認(rèn)識，

操作硬件的思維能力也會有明顯的鍛煉和提升。但是這樣傳統(tǒng)的搭建硬件電路實驗，復(fù)雜的實驗項目外接的導(dǎo)線多達(dá)上百條數(shù)，導(dǎo)線連接容易出錯，實驗現(xiàn)象不正確，而且學(xué)生在短時間內(nèi)很難找出錯誤點的位置。筆者在實驗教學(xué)過程中，總有學(xué)生在問這個怎么解決，或者有的學(xué)生就把接線全部拆除重接。遇到此類問題，許多教學(xué)研究者提出了新的思路，文獻(xiàn)對于數(shù)字電路實驗采用現(xiàn)代Quartus II仿真工具進(jìn)行了實際研究，并與傳統(tǒng)實驗方法進(jìn)行系統(tǒng)對比研究，基礎(chǔ)部分實驗仍以數(shù)字電路實驗箱為主要工具完成，對于復(fù)雜的數(shù)字電路設(shè)計實驗使用Quartus II電路原理圖設(shè)計輸入及其仿真功能完成數(shù)字邏輯。文獻(xiàn)采用EDA技術(shù)自制了74系列芯片模擬器，通過讓學(xué)生使用芯片模擬器，使得學(xué)生理解數(shù)字電子技術(shù)和EDA之間的關(guān)系，培養(yǎng)了學(xué)

生理解數(shù)電原理的能力。文獻(xiàn)將FPGA技術(shù)引入數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)中，開發(fā)了基礎(chǔ)實驗還有課程設(shè)計實驗，改善了傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式，增強(qiáng)了實驗的創(chuàng)新性。綜上所述，無論以傳統(tǒng)的數(shù)電教學(xué)模式，還是引入仿真或者高級的教學(xué)工具，我們還是缺少對數(shù)字電路連接排錯的講解與總結(jié)，由于大多數(shù)高校還是以實驗箱上連接芯片實現(xiàn)相關(guān)邏輯功能的基本操作，為此本文提出一種基于TTL電平反推排錯法應(yīng)用到數(shù)電實驗教學(xué)中去，通過輸出的實驗現(xiàn)象一步一步向前反推找出錯誤的位置，然后予以快速糾正，讓學(xué)生在極短的時間內(nèi)找出錯誤之處，進(jìn)一步加強(qiáng)對電路和芯片結(jié)構(gòu)的理解。

1 常見錯誤提煉

傳統(tǒng)的數(shù)電實驗教學(xué)都是基于數(shù)電實驗箱上的芯片來完成，圖1為上海理工大學(xué)電工電子實驗中心數(shù)電教學(xué)實驗箱，對應(yīng)芯片選型區(qū)域中擺放了多個14引腳74系列的芯片，在使用芯片完成實驗內(nèi)容的時候注意避免基本錯誤發(fā)生，下面提煉3個常見錯誤。

（1）芯片工作電壓極性接反。

（2）多個芯片時，有遺漏芯片沒有外加工作電壓。

（3）芯片邏輯功能使用前沒有測試好壞。

學(xué)生使用芯片要對準(zhǔn)其管腳圖，找到對應(yīng)的電源管腳VCC和接地管腳GND，外加工作電壓——對應(yīng)連接，使用多個芯片時，確保使用的每一個芯片都要外加工作電壓，這里可以運用電路等電位點原理把對應(yīng)芯片的電源管腳VCC串連在一^起引出一根導(dǎo)線到電源正極，接地管腳GND亦是如此引出一根線到電源負(fù)極。具體見圖2所示，這樣可以有效避免漏接現(xiàn)象。此外芯片邏輯功能測試主要按照對應(yīng)的門電路真值表進(jìn)行測試。每一塊芯片上實現(xiàn)同一個邏輯功能的門電路至少集成2個以上，每次實驗時根據(jù)需求，用到就對其進(jìn)行測試。

2 TTL電平反推排錯法原理

TTL電平反推排錯法主要根據(jù)實踐電路的最終輸出現(xiàn)象對與否進(jìn)行應(yīng)用，電路輸出現(xiàn)象觀察主要是依據(jù)LED燈顯示或者數(shù)碼管顯示。因為數(shù)電實驗內(nèi)容的輸出現(xiàn)象有多個狀態(tài)，只要有一種狀態(tài)不對，整個搭建的電路設(shè)計就存在某些問題。TTL電平反推排除法以當(dāng)前錯誤的輸出狀態(tài)為切人點，找出對應(yīng)門電路的輸出端口，如果要求的輸出為高電平，LED燈要點亮，這里使用萬用表20V直流檔位檢測該門電路的輸出對應(yīng)的輸入端口的電平高低，利用反推思路測試當(dāng)前門電路的邏輯功能，首先驗證在當(dāng)前輸入電平的狀態(tài)下，輸出狀態(tài)對與否，對表明此部分芯片的門電路沒有問題，不對表明該門電路需要更換，在門電路沒有問題的情況下，需要找出該門電路輸出端對應(yīng)的輸入致使其輸出為低電平的端口，這些輸入端口有的是前級門電路的輸出，有的是邏輯電平開關(guān)輸入，需要注意一一區(qū)分，如果是前級門電路依據(jù)先前分析步驟重復(fù)反推測試即可，如果是邏輯電平開關(guān)，需要對準(zhǔn)原先設(shè)計的邏輯電路圖認(rèn)清輸入的高與低即可。排除的宗旨就是要抓住“反推”的核心思想，找出對應(yīng)的原狀態(tài)的致使條件，對的保留，不對的繼續(xù)反推前一級，找出錯誤的根源。

3 TTL電平反推排除法應(yīng)用

為了更好的推廣這一^段，ib學(xué)生能夠自行掌握，下面分別在常用的實驗項里選擇組合邏輯電路和時序邏輯電路兩個項目進(jìn)行反推排錯說明，本文涉及的實例都是以上海理工大學(xué)電工電子實驗中心的教學(xué)大綱為參考：

3.1 組合邏輯電路測試應(yīng)用

利用74系列138芯片與相關(guān)與非門實現(xiàn)奇偶校驗器功能，實現(xiàn)輸入變量中有奇數(shù)個1輸出為1，偶數(shù)個1輸出為0。結(jié)合74LS138芯片的基本結(jié)構(gòu)分析真值表如表1所示，邏輯電路圖如圖3所示，芯片選用了三輸入的與非門芯片74LS10和四輸入的與非門芯片74LS20，還有一個主控芯片74LS138。

表1輸出數(shù)據(jù)是檢測奇偶校驗器邏輯電路圖的依據(jù)，下面列舉表1両框數(shù)據(jù)作為反推實例，如Fl，F(xiàn)2輸出分別連接到兩個LED燈顯示，發(fā)現(xiàn)燈同時被點亮，對照電路實際的邏輯功能，可以清楚發(fā)現(xiàn)ABC的電平狀態(tài)為101，輸入有偶數(shù)個1，F(xiàn)1為高電平錯誤，F(xiàn)2輸出正確，使用萬用表撥到20V直流檔位直接檢測F1所在的四輸入與非門，先檢測當(dāng)前輸入與輸出的邏輯狀態(tài)是否對應(yīng)，只要當(dāng)前的輸入滿足F1為高電平，可以排除四輸入的與非門正常工作，下面需要構(gòu)建TTL反推思想，正確狀態(tài)F1=0變成Fl=l，74LS138芯片三個輸入端口ABC=101時只有對應(yīng)的Y5輸出被選中低電平輸出，其余輸出都為高電平，對于四輸入與非門而言只要萬用表測量對應(yīng)的輸入或者74LS138芯片相關(guān)的輸出有低電平出現(xiàn)就可以找出錯誤的位置。

3.2 時序邏輯電路測試應(yīng)用

利用74系列90芯片與相關(guān)與非門實現(xiàn)8421碼15進(jìn)制計數(shù)器功能。結(jié)合74LS90芯片的基本結(jié)構(gòu)分析計數(shù)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖4所示，邏輯電路圖如圖5所示，芯片選用了三輸入的與非門芯片74LS10和兩輸入的與非門芯片74LS00，還有兩個主控芯片74LS90。

圖4為15進(jìn)制計數(shù)器對應(yīng)的8421碼從初始0計數(shù)到14的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程，計數(shù)個位的74LS90主控芯片的脈沖信號輸入CP0需要外接單次脈沖源或者連續(xù)的10HZ以下的脈沖源。下面列舉圖4畫虛線方框的的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程作為反推實例，其過程類似于組合邏輯電路測試，但計數(shù)器屬于時序邏輯電路范疇，對于每一個狀態(tài)的變化需要一個下降沿的觸發(fā)才會發(fā)生改變，復(fù)雜程度有所提高。按圖5邏輯電路圖搭建15進(jìn)制計數(shù)器，正常計數(shù)是狀態(tài)10100到狀態(tài)00000轉(zhuǎn)變，具體狀態(tài)變化如圖6所示。

如果發(fā)生狀態(tài)10100到狀態(tài)10101轉(zhuǎn)變，連續(xù)給定下降沿脈沖，計數(shù)狀態(tài)持續(xù)到10011001后才回到0000（）000狀態(tài)，實現(xiàn)100進(jìn)制計數(shù)，這時需要關(guān)注清零端是否正常工作。15進(jìn)制計數(shù)器從而00000到10100循環(huán)轉(zhuǎn)變，由于兩個74LS90芯片的清零端R0⑴、R0⑵在出現(xiàn)15這個數(shù)時對其進(jìn)行納秒級的清零動作，所以查看計數(shù)過程中不會出現(xiàn)15這個數(shù)。這里需要在狀態(tài)出現(xiàn)10100時，手動給定一個下降沿脈沖，通過示波器任意通道觀察兩對串接的清零端R0（l）、R0（2）的電位是否有瞬間高電平脈沖出現(xiàn)，如圖7所示，如果沒有出現(xiàn)，那么上一級兩輸入與非門同時出現(xiàn)高電平，找出連接三輸入與非門的輸出端口，測試當(dāng)前輸入與輸出狀態(tài)下的邏輯功能是否正確，找出錯誤的位置。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合筆者親身教學(xué)經(jīng)歷，提煉傳統(tǒng)的數(shù)電實驗項目在學(xué)生設(shè)計與實現(xiàn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)錯誤，利用TTL邏輯電平反推法去分析實驗項目在硬件實現(xiàn)過程中出錯的位置，通過反復(fù)應(yīng)用實踐，學(xué)生可以快速找出線路中存在的問題，在加深了對實驗項目的邏輯功能的理解的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高了對于多種芯片的硬件結(jié)構(gòu)的熟悉，為后續(xù)的專業(yè)課和創(chuàng)新實踐課立下良好的基礎(chǔ)。