1.2 实验的基本过程

实验的基本过程应包括：确定实验内容，选定最佳的实验方案和实验线路，拟出较好的实验步骤，选择合理的仪器设备和元器件，进行连接安装和调试，最后写出完整的实验报告。

1.2.1 实验预习

认真预习是做好实验的关键。预习好坏，不仅关系到实验能否顺利进行，而且直接影响到实验效果。预习应按实验预习要求进行，在每次实验前首先要认真复习有关实验的基本原理，掌握器件性能特点及使用方法，对如何着手实验做到心中有数。同时，实验前写出一份预习报告，其内容包括：

（1）绘出设计好的实验电路图，该图应该是逻辑图和连线图的混合，既便于连线，又能反映出电路原理，并在图上标出器件型号、使用的引脚号及元件数值，必要时还要用文字说明。

（2）写出实验方法和步骤。

（3）画好记录实验数据的表格和波形坐标。

（4）列出元器件清单。

1.2.2 实验中的EDA仿真

在当今电子设计领域，EDA仿真是一个十分重要的设计环节。通过EDA仿真技术，首先验证数字电路的实验结果，然后再用真实的元器件进行实际电路的安装和调试，避免了实际操作中元器件的耗损，使电路调试快捷、方便。同时，还能实现数字系统结构或电路特性模拟及参数优化设计。

常见的仿真软件有Multisim，它具备SPICE分析功能，并且可以对模拟与数字混合电路用虚拟工作台方式进行实时仿真，可以用虚拟的仪器仪表对电路模型进行观测。Multisim仿真模拟实验，其过程非常接近实际操作效果，元器件选择范围广，参数修改方便。Multisim仿真流程如图1.1所示。

1.2.3 实验中的操作规范

正确的操作方法和操作程序，是顺利进行实验的保障。因此，要求在每个操作步骤之前都要做到心中有数，即目的要明确。操作时既要迅速又要认真，应注意以下几点：

（1）应调整好直流电源电压，使其极性和大小满足实验要求。调整好信号源电压，使其大小满足实验要求。

（2）搭接电路时，应遵循正确的操作步骤，即按照先接线后通电、做完后先断电再拆线的步骤。

（3）利用无焊接实验电路板（俗称面包板）插接电路时，要确保连接点接触良好和电路布局合理，为调试操作创造方便有利的条件，避免因接入测试探头而造成短路或其他故障。

（4）在通电的情况下，不得拔、插（或焊接）器件，这些操作应在关闭电源后进行。

（5）电路调试时应按先静态、后动态的顺序进行。

（6）仔细观察实验现象，完整准确地记录实验数据并与理论值进行比较分析。

（7）实验完毕，应将实验台清理干净、摆放整齐。

1.2.4 布线原则

布线应直观，以便检查，还要合理，以便降低或消除各种因素引起的干扰。在数字电路实验中，错误布线引起的故障常占很大比例。布线错误不仅会引起电路故障，严重时甚至会损坏器件，因此注意布线的合理性和科学性是十分必要的。正确布线的原则大致有以下几点：

（1）接插集成电路芯片时，先校准芯片两排引脚，使之与引脚上的插孔对应，轻轻用力将芯片插上，在确定引脚与插孔完全吻合后，再稍用力将其插紧，以免造成集成电路的引脚弯曲、折断或者接触不良。

（2）分清集成电路芯片引脚的排列方向，一般双列直插式 IC 排列的方向是缺口（或标记）朝左，引脚序号从左下方的第一个引脚开始，按逆时钟方向依次递增至左上方的第一个引脚。

（3）导线应粗细适当，一般选取直径为0.6～0.8mm的单股导线，最好采用各种色线以区别不同用途，如电源线用红色，地线用黑色。

（4）布线应有秩序地进行，随意乱接容易造成漏接、错接，较好的方法是接好固定电平点，如电源线、地线、门电路闲置输入端、触发器异步置位复位端等，再按信号源的顺序从输入到输出依次布线。

（5）连线应避免过长，避免从集成器件上方跨接，避免过多的重叠交错。

（6）当实验电路的规模较大时，应注意集成元器件的合理布局，以便得到最佳布线。布线时，顺便对单个集成器件进行功能测试。这是一种良好的习惯，实际上这样做不会增加布线工作量。

（7）应当指出，布线和调试工作是不能截然分开的，往往需要交替进行，对大型实验元器件较多的，可将总电路按其功能划分为若干相对独立的部分，逐个布线、调试，然后将各部分连接起来。

1.2.5 数字电路测试

数字电路测试可分为静态测试和动态测试两部分。静态测试是给定数字电路若干组静态输入值，测试数字电路的输出值是否正确。数字电路设计好后，在实验台上连接成一个完整的线路，把线路的输入接电平开关输出，线路的输出接电平指示灯，按功能表或状态表的要求，改变输入状态，观察输入和输出之间的关系是否符合设计要求。静态测试是检查设计是否正确、接线是否无误的重要一步。

在静态测试基础上，按设计要求在输入端加动态脉冲信号，观察输出端波形是否符合设计要求，这是动态测试。有些数字电路只需进行静态测试即可，有些数字电路则必须进行动态测试。一般来说，时序电路应进行动态测试。

1.组合逻辑电路的测试

组合逻辑电路测试的目的是验证其逻辑功能是否符合设计要求，也就是验证其输出与输入的关系是否与真值表相符。

1）静态测试

静态测试是在电路静止状态下测试输出与输入的关系。将输入端分别接到逻辑电平开关上，用电平显示灯分别显示各输入和输出端的状态。按真值表将输入信号一组一组依次送入被测电路，测出相应的输出状态，与真值表相比较，以判断组合逻辑电路静态工作是否正常。

2）动态测试

动态测试是测试组合逻辑电路的频率响应。在输入端加上周期性信号，用示波器观察输入、输出波形，测出与真值表相符的最高输入脉冲频率。

2.时序逻辑电路的测试

时序逻辑电路测试的目的是验证其状态的转换是否与状态图或时序图相符合。可用电平显示灯、数码管或示波器等观察输出状态的变化。

常用的测试方法有两种，一种是单拍工作方式：以单脉冲源作为时钟脉冲，逐拍进行观测，判断输出状态的转换是否与状态图相符；另一种是连续工作方式：以连续脉冲源作为时钟脉冲，用示波器观察波形，判断输出波形是否与时序图相符。

1.2.6 数字电路的故障查找和排除

1.数字电路的故障类型

在数字电路实验中，出现问题是难免的，重要的是分析问题，找到出现问题的原因，从而解决它。通常，有四个方面的原因造成错误：器件故障、接线错误、设计错误和测试方法不正确。在查找故障过程中，首先要熟悉经常发生的典型故障。

1）器件故障

器件故障是器件失效或器件接插问题引起的故障，表现为器件工作不正常。若器件失效则要进行更换。器件接插问题，如引脚折断或者器件的某个（或某些）引脚没插到插座中等，也会使器件工作不正常。器件接插故障有时不易发现，需仔细检查，判断器件失效的方法是用集成电路测试仪进行测试。需要指出的是，一般的集成电路测试仪只能检测器件的某些静态特性，对负载能力等动态特性和上升沿、下降沿、延迟时间等特性不能测试。

2）接线错误

接线错误是最常见的错误。据统计，在实验过程中，大约70%以上的故障是由接线错误引起的。常见的接线错误包括：没有接器件的电源和地；连线与插孔接触不良；连接线内部线断；连线多接、漏接、错接；连线过长、过乱，造成干扰。

接线错误造成的现象多种多样。例如，器件的某个功能块不工作或工作不正常，器件不工作或发热，电路中一部分工作状态不稳定等。解决方法大致包括：熟悉所用器件的功能及其引脚号，掌握器件每个引脚的功能；器件的电源和地一定要接对、接好；检查连线和插孔接触是否良好；检查连线有无错接、多接、漏接；检查连线中有无断线。最重要的是接线前要画出接线图，按图接线，不要凭记忆随想随接；接线要规范、整齐，尽量走直线、短线，以免引起干扰。

3）设计错误

设计错误会造成与预想的结果不一致，原因是对实验要求没有吃透，或者对所用器件的原理没有掌握好。因此，实验前一定要理解实验要求，掌握实验线路原理，精心设计。初始设计完成后一般应对设计进行优化，最后画好逻辑图及接线图。

4）测试方法不正确

如果不发生前面所述三种错误，实验一般会成功。但有时测试方法不正确也会引起观测错误。例如，一个稳定的波形，如果用示波器观测，而示波器没有调好同步，会造成波形不稳的假象，因此要学会正确使用所用仪器、仪表。在数字电路实验中，尤其要学会正确使用示波器。在对数字电路测试过程中，由于测试仪器、仪表加到被测电路上后，对被测电路来说相当于一个负载，因此测试过程也有可能引起电路本身工作状态的改变，这一点应引起足够注意。不过，在数字电路实验中，这种现象很少发生。

2.常见的故障检查方法

实验中发现结果与预期不一致时，不要慌乱，应仔细观察现象，冷静思考分析。首先检查仪器、仪表的使用是否正确。在排除错误使用仪器、仪表的前提下，按照逻辑图和接线图逐级查找，通常从发现问题的地方，逐级向前测试，直到找出故障的初始位置。在故障的初始位置处，首先检查连线是否正确。实验故障绝大部分是由接线错引起的，因此检查一定要认真、仔细。确认接线无误后，检查器件引脚是否正确插进插座，有无引脚折断、弯曲、错插问题。确认无上述问题后，取下器件测试，以检查器件好坏，或者直接换一个新器件。如果器件和接线都正确，则需考虑设计问题，具体方法如下所述。

（1）查线法：由于在实验中大部分故障都是由于布线错误引起的，因此，产生故障后，应着重检查有无漏线、错线，导线与插孔接触是否可靠，集成电路是否插牢、是否插反等。

（2）测量法：用万用表直接测量各集成块的VCC端是否加上电源电压，然后把输入信号、时钟脉冲等加到实验电路上，观察输出端有无反应。针对某一故障状态，用万用表测试各输入/输出端的直流电平，从而判断是否由于插座板、集成块引脚连接线等原因造成故障。

（3）信号注入法：在电路的每一级输入端加上特定信号，观察该级输出响应，从而确定该级是否存在故障，必要时可以切断周围连线，避免相互影响。

（4）信号寻迹法：在电路的输入端加上特定信号，按照信号流向逐级检查是否有响应，必要时输入不同信号进行测试。

（5）替换法：对于多输入端器件，如有多余端则可调换另一输入端试用，必要时可更换器件。

（6）动态逐级跟踪检查法：对于时序电路，可输入时钟信号，按信号流向依次检查各级波形，直到找出故障点为止。

（7）断开反馈线检查法：对于含有反馈线的闭合电路，应该设法断开反馈线进行检查，或进行状态预置后再检查。

以上检查故障的方法，是指在仪器工作正常的前提下进行的，如果实验时电路功能测不出来，则应首先检查供电，若电源电压已加上，便可把有关输出端直接接到0-1显示器上检查，若逻辑开关无输出或单次CP无输出，则是开关接触不好或是内部电路坏了，一般是集成器件坏了。

需要强调指出，实验经验对于检查故障是大有帮助的，只要充分预习，掌握基本理论和实验原理，就不难用逻辑思维的方法较好地判断和排除故障。

1.2.7 实验记录和实验报告

实验记录是实验过程中获得的第一手资料，所以记录必须清楚、合理、正确，若不正确，则要现场及时重复测试，找出原因。实验记录应包括如下内容：

（1）实验任务及实验内容；

（2）实验数据和波形及实验过程中出现的现象，从记录中应能初步判断实验的正确性；

（3）记录波形时，应注意输入、输出波形的时间相位关系，在坐标中正确画出；

（4）实验中实际使用的仪器型号和编号以及元器件使用情况等。

实验报告是培养学生科学实验总结能力和分析思维能力的有效手段，也是一项重要的基本功训练，它能很好地巩固实验成果，加深对基本理论的认识和理解，从而进一步扩大知识面。其目的是培养学生对实验结果的处理和分析能力、文字表达能力及严谨的科学态度。实验报告应包括实验目的、仪器设备、实验内容及线路连接图、实验数据及波形图，整理实验结果，对实验现象及结果的分析讨论，实验的收获和体会、意见建议等。

实验报告是一份技术总结，要求文字简洁，内容清楚，图表工整，其中实验内容和结果是报告的主要部分，它应包括实际完成的全部实验，并且要按实验任务逐个写，每个实验任务应有如下内容：

（1）实验课题的方框图、逻辑图（或测试电路）、状态图、真值表及文字说明等，对于设计性课题，还应有整个设计过程和关键的设计技巧说明。

（2）实验记录和经过整理的数据、表格、曲线和波形图，其中表格、曲线和波形图应使用专用实验报告简易坐标格，并且用三角板、曲线板等工具描绘，力求画得准确，不得随手示意画。

（3）实验结果分析、讨论及结论，对讨论的范围没有严格要求，一般应对重要的实验现象、结论加以讨论，以便进一步加深理解。此外，对实验中的异常现象，可进行一些简要说明。对实验中的收获，可谈一些心得体会。