夏斯權 周亦敏 楊一波 譚愛國

摘要：針對傳統(tǒng)數(shù)字電子技術實驗項目在學生設計與實現(xiàn)過程中容易出現(xiàn)故障，對經常出現(xiàn)的問題進行提煉總結，提出TTL電平反推法，根據輸出的實驗現(xiàn)象一步一步向前反推，找出對應的原狀態(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。通過教學實踐，學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)電實驗教學應用中具有可實施性。

關鍵詞：數(shù)字電子技術；實驗；TTL電平

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2017.08.035

引言

數(shù)字電子技術是高等院校電類專業(yè)本科教學中一門重要的、實踐性強的專業(yè)基礎課。所有的理論體系都有對應的實踐內容，供教學使用。通過實踐環(huán)節(jié)的鍛煉，鞏固、加深學生們對所學理論知識的理解。通過走訪不同高校的電工電子實驗室，對比實驗教學內容，許多高校開設的數(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)量相對應的芯片插座上，根據實驗設計內容，通過軟導線手工搭建對應的實驗項目。學生在數(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構都會有一個清晰的認識，

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，復雜的實驗項目外接的導線多達上百條數(shù)，導線連接容易出錯，實驗現(xiàn)象不正確，而且學生在短時間內很難找出錯誤點的位置。筆者在實驗教學過程中，總有學生在問這個怎么解決，或者有的學生就把接線全部拆除重接。遇到此類問題，許多教學研究者提出了新的思路，文獻對于數(shù)字電路實驗采用現(xiàn)代Quartus II仿真工具進行了實際研究，并與傳統(tǒng)實驗方法進行系統(tǒng)對比研究，基礎部分實驗仍以數(shù)字電路實驗箱為主要工具完成，對于復雜的數(shù)字電路設計實驗使用Quartus II電路原理圖設計輸入及其仿真功能完成數(shù)字邏輯。文獻采用EDA技術自制了74系列芯片模擬器，通過讓學生使用芯片模擬器，使得學生理解數(shù)字電子技術和EDA之間的關系，培養(yǎng)了學

生理解數(shù)電原理的能力。文獻將FPGA技術引入數(shù)字電子技術實驗教學中，開發(fā)了基礎實驗還有課程設計實驗，改善了傳統(tǒng)實驗教學模式，增強了實驗的創(chuàng)新性。綜上所述，無論以傳統(tǒng)的數(shù)電教學模式，還是引入仿真或者高級的教學工具，我們還是缺少對數(shù)字電路連接排錯的講解與總結，由于大多數(shù)高校還是以實驗箱上連接芯片實現(xiàn)相關邏輯功能的基本操作，為此本文提出一種基于TTL電平反推排錯法應用到數(shù)電實驗教學中去，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，讓學生在極短的時間內找出錯誤之處，進一步加強對電路和芯片結構的理解。

1 常見錯誤提煉

傳統(tǒng)的數(shù)電實驗教學都是基于數(shù)電實驗箱上的芯片來完成，圖1為上海理工大學電工電子實驗中心數(shù)電教學實驗箱，對應芯片選型區(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。

學生使用芯片要對準其管腳圖，找到對應的電源管腳VCC和接地管腳GND，外加工作電壓——對應連接，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芯片的電源管腳VCC串連在一^起引出一根導線到電源正極，接地管腳GND亦是如此引出一根線到電源負極。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的門電路真值表進行測試。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，每次實驗時根據需求，用到就對其進行測試。

2 TTL電平反推排錯法原理

TTL電平反推排錯法主要根據實踐電路的最終輸出現(xiàn)象對與否進行應用，電路輸出現(xiàn)象觀察主要是依據LED燈顯示或者數(shù)碼管顯示。因為數(shù)電實驗內容的輸出現(xiàn)象有多個狀態(tài)，只要有一種狀態(tài)不對，整個搭建的電路設計就存在某些問題。TTL電平反推排除法以當前錯誤的輸出狀態(tài)為切人點，找出對應門電路的輸出端口，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的輸入端口的電平高低，利用反推思路測試當前門電路的邏輯功能，首先驗證在當前輸入電平的狀態(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輸入，需要注意一一區(qū)分，如果是前級門電路依據先前分析步驟重復反推測試即可，如果是邏輯電平開關，需要對準原先設計的邏輯電路圖認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電平反推排除法應用

為了更好的推廣這一^段，ib學生能夠自行掌握，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行反推排錯說明，本文涉及的實例都是以上海理工大學電工電子實驗中心的教學大綱為參考：

3.1 組合邏輯電路測試應用

利用74系列138芯片與相關與非門實現(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。結合74LS138芯片的基本結構分析真值表如表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)據是檢測奇偶校驗器邏輯電路圖的依據，下面列舉表1両框數(shù)據作為反推實例，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，先檢測當前輸入與輸出的邏輯狀態(tài)是否對應，只要當前的輸入滿足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的輸入或者74LS138芯片相關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用

利用74系列90芯片與相關與非門實現(xiàn)8421碼15進制計數(shù)器功能。結合74LS90芯片的基本結構分析計數(shù)器狀態(tài)轉換如圖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進制計數(shù)器對應的8421碼從初始0計數(shù)到14的狀態(tài)轉換過程，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，復雜程度有所提高。按圖5邏輯電路圖搭建15進制計數(shù)器，正常計數(shù)是狀態(tài)10100到狀態(tài)00000轉變，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進制計數(shù)，這時需要關注清零端是否正常工作。15進制計數(shù)器從而00000到10100循環(huán)轉變，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 結束語

本文結合筆者親身教學經歷，提煉傳統(tǒng)的數(shù)電實驗項目在學生設計與實現(xiàn)過程中經常出現(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，通過反復應用實踐，學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上，進一步提高了對于多種芯片的硬件結構的熟悉，為后續(xù)的專業(yè)課和創(chuàng)新實踐課立下良好的基礎。