逻辑功能测试或门电路测试设计.docx
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逻辑功能测试或门电路测试设计
安徽大学江淮学院
本科毕业论文（设计）
题目：
逻辑功能测试或门电路测试设计
学生姓名：
夏怀金学号：
JK064059
系别：
计算机科学与电子技术系
专业：
电子信息
入学时间：
2006年09月
导师姓名：
李斌职称/学位：
讲师
逻辑功能测试或门电路测试设计
摘要
本选题结合51单片机稳定可靠的特点，研究以51单片机作为主控芯片的TTL芯片逻辑门电路的设计并测试负载三极管特性参数。
设计的目的是为了可以完成对74系列IC芯片逻辑功能或门电路的测试。
以从验证的角度分析，只要我们能够完成对74系列中的几种芯片逻辑功能或门的测试，那么应用这个原理，依此继续开发，便可以完成对整个系列芯片逻辑功能的测试和其负载特性参数的测试。
关键词:
51单片机;STC89C51系统;键盘电路;显示电路；74LS164扩展单片机I/O口；三极管特性参数。
Logicfunctiontestoragatetestdesign
Abstract
Thispapercombining51SCMisstableandreliable,andresearchonthecharacteristicsofthechipmicrocontrollerasthemaster51TTLchiplogicgatecircuitdesignandtestloadtriodecharacteristicparameters.Thegoalistodesigncanbefinishedin74seriesICchiplogicfunctionorgatetest.Fromtheperspectiveofvalidationto,aslongaswecanfinishto74seriesoflogicfunctionsorgatechip,thenappliestheprincipleoftesting,thecontinueddevelopment,andforthewholeseriesofchipcanfinishthetestandthelogicfunctionoftheparametersoftheloadtest.
Keywords:
51SCM,STC89C51system,Keyboardcircuit,Displaycircuit,74LS164extendedmicrocontrollerI/O；Transistorcharacteristicparameters.
目录
第一章前言…………………………………………………………………4
1.1项目背景与意义………………………………………………………4
1.2项目的发展趋势………………………………………………………4
1.3主要研究内容…………………………………………………………4
第二章设计概述……………………………………………………………4
2.1设计原理………………………………………………………………4
2.2设计思想………………………………………………………………5
2.3设计原则………………………………………………………………6
第三章硬件电路设计………………………………………………………7
3.1单片机的选择……………………………………………………………7
3.2单片机最小系统模块……………………………………………………9
3.3显示模块…………………………………………………………………12
3.4键盘模块…………………………………………………………………12
3.5测试模块…………………………………………………………………14
3.6负载部分电路测试………………………………………………………15
3.6相关器件介绍…………………………………………………………18
3.7I/O选择及扩展…………………………………………………………20
第四章系统的部分软件模块……………………………………………22
4.1单片机软件设计概述……………………………………………………22
4.2编程语言的选用…………………………………………………………22
4.3主要软件功能的实现……………………………………………………23
设计小结…………………………………………………………………………25
主要参考文献……………………………………………………………………25
附录…………………………………………………………………………………25
致谢………………………………………………………………………………26
第一章前言
1.1项目背景
随着社会和科技的发展，在生产与生活当中电子产品应用越来越广，而一些电子元器件在其中起着越来越重要的作用，TTL就是其中的一个元器件。
所以本课题基于数字处理与控制的方向，结合51单片机稳定可靠的特点，研究以51单片机作为主控芯片，实现TTL芯片系列的测试和其负载特性参数的测试。
从中我们可以知道电子产品及电子元器件在我们生活中的广泛应用和重要作用，并培养我们大学生动手做事的能力。
1.2项目的发展趋势
随着社会的发展对技术的各方面的要求越来越高，例如先进性，科学性和准确性等，这种需求必需要测试系统的性能及可靠性得到发展。
本课题是以51单片机稳定可靠的特点为基础，并以51单片机作为主控芯片的TTL芯片逻辑门电路的设计。
从中可以看到数字集成芯片在在我国发展方向，尤其是最近几年各种数字化电器在市场上越来越受欢迎，并迅速发展。
TL系列就是其中之一。
1.3主要研究内容
本课题是以51单片机为基础来设计测试TTL系列的部分逻辑功能或门电路，并测试其负载三极管的特性等。
第二章设计概述
因为本次毕业设计的目的是为了可以完成对74系列IC芯片逻辑功能或门电路的测试和其负载电路的特性测试。
从验证的角度分析，只要我们能够完成对74系列中的几种芯片逻辑功能或门的测试，那么应用这个原理，依此继续开发，便可以完成对整个系列芯片逻辑功能的测试。
2.1设计原理
基本的门电路TTL芯片,实际上就是一个由多个输入输出的组合逻辑元件组合而成。
若在其输入端组成若干种稳定的逻辑状态，则在输出端也相应的形成若干个稳定的逻辑值。
如SN74LS32芯片，就是由4独立的2输入或门构成的。
我们不难得出其单个或门逻辑真值表如下表。
综合考虑其8个输入的各种情况，则总共可形成256种不同的逻辑组合。
因此我们可使用计算机分别输出这256种稳定的逻辑状态至芯片的输入端，并且分别读取该芯片对应的256种输出态，作为逻辑响应表保存到相应的内存单元中，再通过与标准的真值表相比较就可知道该芯片是好是坏了。
下图为单个SN73LS32逻辑真值表：
输入
输出
AB
Q
00
0
01
1
10
1
11
1
上图为256种输入输出逻辑真值表
输入
输出
B3A3B2A2B1A1B0A0
Q3Q2Q1Q0
00000000
0000
00000001
0001
00000010
0001
00000011
0001
00000100
0010
00001000
0010
00001100
0010
：
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2.2设计思想
逻辑门电路功能测试仪的硬件电路总体设计思想是:
以单片机STC89C51为中央处理器，辅以外围数字电路功能模块，实现从接收被测试芯片传来的信号到最后的显示输出。
而测试比较部分是整个系统的核心部分，是整个系统的主要功能完成部分。
下图是其功能框图。
测试仪硬件框图
2.3设计原则
单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容，一部分是系统扩展，即单片机的功能单元，如RAM、定时/计数器、中断系统等容量不能满足应用系统的要求时，必须在片外选择适当的芯片，设计相应的电路来进行扩展。
二是系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、D/A转换器等，要设计合适的接口电路。
而本课题在硬件系统的扩展和配置设计中遵循以下原则
（1）:
（1）尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法。
为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础；
（2）系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当的余地，以便进行二次开发；
（3）硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。
硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是:
软件能实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件结构。
但必须注意，由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件实现来得长，而且占用CPU的时间（比如延时程序）；
（4）整个系统的性能要尽量做到性能匹配，例如选用的晶振频率较高时，存储器的存取时间有限，应该选择允许存取速度较高的芯片；选择CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中所有的芯片都应该选择低功耗的产品；
（5）可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分，它包括芯片、器件选择、去藕滤波、印刷电路板布线、通道隔离等；
（6）单片机外接电路较多时，必须考虑器件驱动能力。
驱动能力不足时，系统工作不可靠。
（7）尽量朝“单片”方向设计硬件系统。
系统器件越多，器件之间相互干扰也越强，功耗也增大，也不可避免地降低了系统的稳定性。
第三章硬件电路设计
本系统的硬件由两部分组成
（2）。
一部分为STC89C51的最小系统，其外部配有键盘电路、显示电路。
其中键盘电路，每个按键上都加了上拉电阻，用来电路的提高驱动能力。
而在显示电路中，利用74LS164扩展单片机I/O口以静态显示的方法驱动两个LED显示。
另一部分为信号的输出、采集、输入。
利用74LS164扩展单片机I/O口输出测试信号，对被测试完成逻辑功能验证后，结果通过并行输入，串行输出的移位寄存器74LS165送回STC89C51进行比较。
而如果要完成可以对整个74系列芯片进行测试的逻辑功能测试仪，系统设计时要选择40脚插座才能满足要求。
但本设计处于验证阶段，只要我们能完成对74系列中几种芯片功能的测试，那么推而广之，通过对测试仪的二次开发，就可以完成对整个74系列的逻辑功能测试。
所以在本设计中，我们以简化的原则选择了16脚插座，两片164、两片165扩展I/O口。
另外，我们假设对16脚以内的四种芯片进行测试，就设置了四个按键，每个按键对应一种芯片。
按键按下则I/O口线电平为低，按键断开则1/0口线电平为高，通过单片机程序循环检测这4个端口的电平是否为低就可以判断是否有键按下。
如果有键按下，程序开始判断芯片型号。
然后单片机则调用对应被测芯片的库文件，转入相应服务程序去检测芯片。
信号返回后进行比较，将结果显示在显示器上。
按退出键，返回初始状态。
3.1单片机的选择
在设计的开始，我们必须做出对单片机的最初选择。
因为其使用的硬件平台对后期的软件和硬件设计有相当大的影响，随着设计的推进及测试仪升级，原有的单片机有可能会不能满足新的要求，这种情况出现就必须更换单片机，而这种改变对硬件、软件都会有很大的影响，必定产生额外的费用，所以应尽量避免这种情况，才能减少不必要的二次开发费用。
单片机的选择主要考虑以下几个问题（3）：
1）所选的单片机的性能能否满足所需完成的任务的需要；
2）所选的单片机是否有足够的片内存储器来存储需要的数据和代码，如果不够，那么单片机是否允许使用适当的外部存储器；
3）所选的单片机是否有适当的片内模块（例如，CAN接口、PWM接口）来支持所需的任务；
4）所选的单片机是否有足够的端口引脚（或合适的串行接口）来满足连接外部元件（诸如键盘、LED显示）的所有要求；
5）所选的单片机的功耗是否合适。
3.1.1STC89C51体系结构
STC89C51是一个低功耗，高性能且系统内带有4KB可编程Flash存储器的8位CMOS微处理器，其中器件采用宏晶公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，其功能强大，灵活性高，可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
单片机具有以下特点
（2）:
（1）具有优异的性能价格比。
（2）集成度高、体积小、可靠性高。
单片机将各个功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，从而大大地提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。
另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合于在恶劣环境下工作。
（3）控制功能强。
为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及处理功能。
单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。
（4）低功耗、低电压，便于生产便携式产品。
（5）外部总线增加了SPI等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。
（6）单片机的系统扩展、系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。
3.1.2STC89C51特性
（2）
1.增强型6时钟/机器周期、12时钟/机器周期8051CPU。
2.工作频率范围：
0–48MHz.
3.用户应用程序空间4K字节.
4.片上集成512字节RAM.
5.通用I/O口（32/36），复位后为：
P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）P0口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。
6.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，8K程序3秒即可完成.
7.EEPROM功能
8.看门狗
9.内部集成MAX810专用复位电路（D版本才有），外部晶体20M以下时，可省外部复位电路
10.共3个16位定时器/计数器
11.外部中断2路,下降沿中断或低电平触发中断,PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒
12.通用异步串行口（UART）
13.工作温度范围：
0-75℃/-40-+85℃。
3.2单片机最小系统模块
单片机STC89C51是整个硬件系统的核心（3），所有外围接口电路的配置都必须围绕它来展开，现给出各芯片与所用到的STC89C51的引脚配置:
1）P1.0-P1.1:
LED段选线；
2）p1.2-P1.3:
测试信号输入；
3）P1.4-P1.6:
逻辑信号输入；
4）P2.O-P2.3:
按键位选线；
5）RESET:
复位信号输入线；
6）XTAL1,XTAL2:
外接晶振。
系统接口配置见下图：
图3.1STC89C51接口配置图
STC89C51的最小系统电路如下图所示:
Ø
图3.2最小系统图
3.2.1时钟电路
时钟系统（4）是一切微处理器、微控制器内部电路工作的基础，振荡周期和时钟周期又决定了up的时序。
单片机内部有一个自激振荡电路，可以通过内部自激振荡或外部提供振荡这两种方式，驱动内部时钟电路产生系统时钟信号。
本系统选用内部自激振荡。
STC89C51的晶振最高可达48MHZ。
ALE输出地址锁存允许脉冲，在不访问外存时，能产生1/6振荡器频率的时钟，可作为外部定时或时钟。
本系统中所使用的时钟电路如图所示，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体振荡器和两个电容C1、C2就构成了一个稳定的自激振荡器，电容值C1=C2=30PF.为适应信号采集的要求，我们之所以选择使用12MHz的晶振，是因为其振荡周期为1/12us,时钟周期为1/6us,机器周期的时间恰好为1us.这样，单字节指令的执行时间就是1uS。
在软件编程中，要按照时序要求来计算定时常数，如果单字节指令的时间是1us，那么双字节指令、三字节指令的执行时间都是整数，这样计算出来的定时常数也是整数值，为调试与修改时间常数提供了极大地方便，进而为按照时序要求编写程序提供方便.
图3.3时钟电路图
3.2.2复位电路
单片机复位电路（4）设计的好坏，直接影响到整个系统工作的可靠性。
只有一个可靠的复位电路才能使系统避免出现了“死机”、“程序走飞等现象。
为此本系统设计了既可以通电后自动复位，也可以手动强制复位的复位电路。
具体电路如图所示：
图3.4复位电路图
单片机的复位引脚RESET出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。
本系统采用的复位方式为上电复位或开关复位，电源接通后，单片机自动复位，并且在系统运行期间，用按键S5操作也能使单片机复位。
上电后电容充电，使RESET持续一段时间的高电平。
当单片机已在运行当中时，按下复位按键后松开，也能使RESET为一段时间的高电平，从而实现了上电复位或开关复位的操作。
3.3显示模块
单片机控制LED显示电路（4）的方法有以下几种:
1）与数码管直接连接显示；
2）扫描方式显示；
3）通过移位寄存器与数码管连接显示；
4）通过显示译码器与数码管连接显示；
这四种方法各有优缺点，第一种方法为静态显示，软件处理上比较简便，缺点是占用I/O口线太多，只适合在I/O口线富余的情况下使用；方法二可以节省I/O，它的显示原理是将所有数码管的相同驱动端连接在一起，利用对每个数码管的接地端控制实现显示。
但其程序编制相对复杂;方法三更加节省I/O线，只要两条即可，利用移位寄存器的特性将单片机最先送出的显示数据在最后一个位置上显示，而最后送出的数据在最前面位置上显示，同时在移位过程中，由于所有的显示位都会在数码管上出现，所以会出现闪烁的情况；方法四需要的硬件电路相对繁琐，但对LED软件控制思路更加清晰。
出于本设计二次开发的需要和软件方面的考虑，本论文的LED显示采用的就是第一种方法。
I/O口的不足用74LS164芯片来扩展。
3.4键盘模块
键盘（4）是由一组规则排列的按键组成，一个按键实际上是一个开关元件，也就是说键盘是一组规则排列的开关。
按键按照结构原理可分为两类，一类是触点式开关按键，如机械式开关、导电橡胶式开关等；另一类是无触点开关按键，如电气式按键，磁感应按键等。
前者造价低，后者寿命长。
目前，微机系统中最常见的是触点式开关按键。
按键按照接口原理可分为编码键盘与非编码键盘两类，这两类键盘的主要区别是识别键符及给出相应键码的方法。
3.4.1按键输入原理
在单片机应用系统中，除了复位按键有专门的复位电路及专一的复位功能外，其它按键都是以开关状态来设置控制功能或输入数据。
当所设置的功能键或数字键按下时，计算机应用系统应完成该按键所设定的功能，键信息输入是与软件结构密切相关的过程。
对于一组键或一个键盘，总有一个接口电路与CPU相连。
CPU可以采用查询或中断方式了解有无将键输入并检查是哪一个键按下，将该键号送入累加器ACC，然后通过跳转指令转入执行该键的功能程序，执行完后再返回主程序。
3.4.2编制键盘程序
一个完善的键盘控制程序应具备以下功能：
（1）检测有无按键按下，并采取硬件或软件措施，消除键盘按键机械触点抖动的影响。
（2）有可靠的逻辑处理办法。
每次只处理一个按键，其间对任何按键的操作对系统不产生影响，且无论一次按键时间有多长，系统仅执行一次按键功能程序。
（3）准确输出按键值（或键号），以满足跳转指令要求。
键盘模块的选型：
键盘电路独立式按键结构和矩阵式键盘。
由于本课题只需要几个功能键，所以采用独立式按键结构。
3.4.3按键电路图：
图3.5按键电路图
本逻辑功能测试仪处于验证阶段，先假设测试74系列芯片中的四种。
所要实现的功能确定需要4个按键。
每个按键对应74系列中的一种芯片，由于按键较少，所以直接用单片机的I/O口线来连接。
按键按下则I/O口线电平为低，按键断开则1/0口线电平为高，通过单片机程序循环检测这4个端口的电平是否为低就可以判断是否有键按下。
3.5测试模块
测试电路如图3.6
图3.6测试电路
在电路中，2片7LS164首尾相串，接到P1.4口，而时钟端连接在一起接到P1.3口。
这样，当输入8个脉冲时，从单片机P1.4口输出的逻辑测试数据就进入到了第一片74LS164中了，而当第二个8个脉冲到来后，这个逻辑测试数据就进入了第二片74LS164，而新的逻辑测试数据则进入了第一片74LS164，这样，当第二个8个脉冲完成后，逻辑测试数据依次送出。
在送出的逻辑测试数据中，必须保证对应被测试芯片输出口的字节为“0”，这样才可以避免影响到被测试芯片的输出状态。
同时还要考虑到被测芯片的电源、接地引脚。
由于74系列引脚、输入、输出的不确定性，我们在针对整个74系列的设计中，选择74LS164的输出口和插座引脚间加个三极管。
被测试芯片的逻辑输出状态通过并入串出移位寄存器74LS175送回单片机进行比较。
3.6负载电路测试部分：
本部分是在以上测试电路的基础上的扩展电路，在原测试电路的输出的后续电路，即对负载部分的特性测试，在这里我们选用三极管作为负载进行测试，三极管为8050或8550型号。
3.6.18050（NPN）参数特性
极限值（Ta=25℃）（封装形式：
TO-92）
Tstg——贮存温度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯-55~150℃
Tj——结温⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯150℃
PC——集电极耗散功率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1W
VCBO——集电极—基极电压⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯40V
VCEO——集电极—发射极电压⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯25V
VEBO——发射极—基极电压⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6V
IC——集电极电流⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1.2A
3.6.28550（PNP）参数特性
ＴＴＬ逻辑门的主要参数有：
（１）扇入系数
和扇出系数
：
能使电路正常工作的输入端数目和电路正常工作能带动的同型门的数目。
（２）输出高电平
：
一般为
２.４Ｖ
（３）输出低电平
：
一般为
０.４Ｖ
（４）电压传输特性曲线、开门电平
和关门电平
（５）输入短路电流
：
一个输入端接地，其他输入端悬挂时，流过该接地输入端的电流为输入短路。
（６）空载导通功耗
：
指输入全部为高电平、输出为低电平且不带负载时的功率损耗。
（７）空载截止功耗
：
指输入有低电平、输出为高电平且不带负载时的功率损耗．
（８）抗干扰噪音容限：
电路能够保持正确的逻辑关系所允许的最大干扰电压值。
（9）平均传输延时时间：
（10）输入漏电流
：
指一个输入端接地高电平，另一个输入端接地时，流过高电平输入端的电流。
3.6.3测试电路图：
在上面电路图中输入端用PWM脉宽调制作为输入，以改变PWM脉宽来进行调制，通过改变其输入端的电流从而引起输出端的电压和电流的变化，由电压表和电流表得出数据，从而能得到相应的三极管特性参数。
下图和表格即为特性曲线和三极管的特性参数。
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