數(shù)電實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)_第1頁(yè)
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1、數(shù)電實(shí)驗(yàn)講義數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)知識(shí)一、 數(shù)字電路的特點(diǎn):1、 數(shù)字電路所處理的信號(hào)是數(shù)字信號(hào),這種信號(hào)在數(shù)量上的和時(shí)間上都是離散的,即這類信號(hào)在數(shù)量上和時(shí)間上都被除各自的最小量化單位量化了的信號(hào)。2、 數(shù)字電路中,晶體管和門(mén)電路在穩(wěn)態(tài)是工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài),即管子是工作于導(dǎo)通或截止,門(mén)電路則處于打開(kāi)或關(guān)閉狀態(tài)。3、 數(shù)字信號(hào)的輸出只有“高” 、“低”電平兩種狀態(tài),分別用“0” 、“1”表示。對(duì)數(shù)字電路而言,具體的電壓值并不重要,重要的是電路在工作時(shí)能區(qū)分“0” 和“1”兩種狀態(tài)。4、 數(shù)字電路的集成度較高。因此,數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)與模擬電路實(shí)驗(yàn)應(yīng)有所不同,數(shù)字電路實(shí)驗(yàn),主要是培養(yǎng)學(xué)生的完成邏輯構(gòu)思,選擇并

2、靈巧的應(yīng)用集成元件,正確的拼裝電路的能力.二、 數(shù)字集成電路的分類所謂集成電路(集成塊),就是在一塊體積很小的基片材料上,采用特殊的制作工藝,把許許多多的晶體二極管、晶體三極管、電阻、電容等有源無(wú)源元件(不包括電感),按照一定的設(shè)計(jì)要求,集成制作并連接在它的上面,形成芯片,再把芯片進(jìn)行封裝后形成的一種具有某種電路功能的多引腳、單塊式電子器件。1959年,世界上出現(xiàn)了第一塊集成電路,從此以后,半導(dǎo)體技術(shù)飛速發(fā)展,在一塊半導(dǎo)體芯片上集成的電子元件越來(lái)越多,按集成元件的多少,可將集成電路分為小規(guī)模集成電路(SSI)、中規(guī)模集成電路(MSI)、大規(guī)模集成電路(LSI)和超大規(guī)模集成電路(VLSI)。S

3、SI:門(mén)電路、觸發(fā)器等,一般100個(gè)門(mén)以下:MSI:各類計(jì)數(shù)器、寄存器、譯碼器和比較器等,一般包括1001000個(gè)門(mén):LSI:各類專用的寄存器等,一般包括100010000個(gè)門(mén);VLSI:各類CPU、單片袖珍計(jì)算機(jī)等,一般在10000個(gè)門(mén)以上。 根據(jù)晶體管類型的不同,數(shù)字集成電路可分為雙極型半導(dǎo)體和單極型半導(dǎo)體。1、雙極型半導(dǎo)體雙極型集成電路中采用硅平面NPN型三極管,常見(jiàn)類型有:TTL:晶體管-晶體邏輯電路;ECL:射極耦合集成電路,特點(diǎn):高速;HTL:高閾值集成電路,特點(diǎn):抗干擾能力強(qiáng);IIL:集成注入邏輯電路,特點(diǎn):集成度高。、單極型半導(dǎo)體 多采用“金屬氧化物半導(dǎo)體”的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管,簡(jiǎn)

4、稱MOS場(chǎng)效應(yīng)管,常見(jiàn)的有NMOS、PMOS、CMOS集成電路。 集成電路各系列分類(如表一:)系列子系列名稱國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)TTL系列TTL標(biāo)準(zhǔn)TTL系列CT54/74HTTL高速TTL系列CT54H/74HLTTL 低功耗TTL系列CT54L/74LSTTL肖特基TTL系列CT54S/74SLSTTL低功耗肖特基TTL系列CT54LS/74LSALSTTL先進(jìn)低功耗肖特基TTL系列CT54ALS/74ALSASTTL先進(jìn)肖特基TTL系列CT54AS/74ASFTTL快速TTL系列CT54F/74FMOS系列PMOSP溝道場(chǎng)效應(yīng)管AMOSN溝道場(chǎng)效應(yīng)管CMOS互補(bǔ)場(chǎng)效應(yīng)管HCMOS高速CMOS系

5、列HCTMOS與TTL電平兼容的HCMOSACMOS先進(jìn)CMOS系列ACTMOS與TTL電平兼容的ACMOS表一、數(shù)字集成電路各型號(hào)分類表一所列系列中,有的已經(jīng)基本淘汰,如HTTL和LTTL,最常用最流行的是LSTTL和CMOS兩個(gè)子系列,它們的產(chǎn)品種類和產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其它各種。ALSTTL、ASTTL、FTTL的性能更好一些,目前還處于發(fā)展各完善階段,它們之間相差不大。數(shù)字集成電路,只要型號(hào)的序列號(hào)相同,它們的功能就相當(dāng),雙列直插類型封裝的外引線排列也一致,只是在功耗和指標(biāo)上不同。三、 集成電路的外形、符號(hào)與識(shí)別(一)集成電路的外形和符號(hào)集成電路的英文縮寫(xiě)為“IC”,在一些舊的電路圖中通常以基

6、代號(hào)“IC”表示,在新的標(biāo)準(zhǔn)中,它的代號(hào)規(guī)定為“N”。它的外觀形態(tài)是一種片狀單排或雙排多引腳結(jié)構(gòu)的電子器件,其大小按其集成成度的不同而不同。(二)型號(hào)識(shí)別集成塊上面字符標(biāo)志的意義見(jiàn)表二。中國(guó)TTL集成電路型號(hào)命名法有部標(biāo)和國(guó)標(biāo)兩種,此外還有各廠商獨(dú)自命名的方法。1、中國(guó)部標(biāo)T000系列例如: T063 A B (1) (2) (3) (4)(1)、T表示TTL集成電路;(2)、3位數(shù)碼,表示系列品種代號(hào);(3)、表示開(kāi)關(guān)參數(shù)的檔次:A低檔,B高檔;(4)、表示封裝形式:A陶瓷扁平,B塑料扁平,C陶瓷雙列直插,D塑料雙列直插;、 中國(guó)國(guó)標(biāo)TTL型號(hào)命名法(間接國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)法)T0000系列例如: T

7、 4 020 M D(1) (2) (3) (4) (5)(1)、T表示TTL集成電路;(2)、一位數(shù)碼,表示系列品種代號(hào),其中: 1:表示標(biāo)準(zhǔn)系列,同國(guó)標(biāo)的54/74標(biāo)準(zhǔn)系列; 2:表示高速系列,同國(guó)標(biāo)的54/74系列; 3:表示肖特基系列, 同國(guó)標(biāo)的54S/74S系列; 4:表示低功耗肖特基系列,同國(guó)標(biāo)的54LS/74LS系列;(3)、3位數(shù)碼,表示系列品種代號(hào),與國(guó)際的品種代號(hào)一致;(4)、表示工作溫度;(5)、表示封裝形式;第0部分第一部分第二部分第三部分第四部分用字母表示器件符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)用字母表示器件的類型用數(shù)字表示器件的系列和品種代號(hào)用字母表示器件的工作溫度用字母表示器件的封裝及形

8、式符號(hào)意義符號(hào)意義符號(hào)意義符號(hào)意義 C中國(guó)制造TTTLC0-70W陶瓷扁平HHTLE40-85B塑料扁平EECLR55-85F全密封扁平CCMOSM55-125D陶瓷直插F線性放大P塑料直插D音視電路J黑陶瓷直插W穩(wěn)壓器K金屬菱形J接口電路T金屬圓形B非線性電路M存儲(chǔ)器µ微型機(jī) 表二、 中國(guó)國(guó)標(biāo)TTL型號(hào)命名法(直接國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)法) 例如: C T 74LS××× C(或M) J(或D或PF) (1) (2) (3) (4) (5)(1)、C表示中國(guó);(2)、T表示TTL集成電路;(3)、74表示通用74系列;54表示通用54系列;LS表示低功耗肖特基系列;

9、S表示肖特基系列;H表示高速系列;空白表示標(biāo)準(zhǔn)系列,×××為代碼,表示品種代號(hào),同國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)一致。(4)、表示工作溫度;(5)、表示封裝形式;、國(guó)外TTL集成電路主要生產(chǎn)公司產(chǎn)品型號(hào)的命名規(guī)則 a、(美)德克薩斯公司(TEXAS)例如: SN 74 LS 195 J(1) (2) (3) (4) (5) (1)、 表示德克薩斯公司的標(biāo)準(zhǔn)TTL電路;(2)、 表示工作溫度范圍:54-55+125攝氏度(軍用); 740+70攝氏度(民用)(3)、表示系列:ALS先進(jìn)低功耗肖特基系列; AS先進(jìn)肖特基系列; LS低功耗肖特基系列; H高速系列; 空白標(biāo)準(zhǔn)系列(4)、表示

10、品種代號(hào) (5)、表示封裝材料和封裝形式;b、(美)摩托羅拉公司(MOTOROLA)例如: MC 74 196 P (1) (2) (3) (4)(1)、表示摩托羅拉公司生產(chǎn)的集成電路; (2)、表示工作溫度范圍: 4,20,30,40,72,74和830+75度; 5,21,31,73,82,54和9355+125度;(3)、表示品種代號(hào); (4)、表示封裝材料和封裝形式;c、(美)仙童公司(FAIRCHILD)例如: 93S 10 D C(1) (2) (3) (4) (1)、表示系列:54/74標(biāo)準(zhǔn)系列;LS低功耗肖特基系列; 90中速小規(guī)模;93中速中規(guī)模; 93H高速中規(guī)模;96標(biāo)準(zhǔn)

11、單穩(wěn); 96L低功耗單穩(wěn); (2)、表示系列品種代號(hào);(3)、 表示封裝形式;(4)、表示工作溫度范圍:M55+125度; C0+70度;d、(美)西格湮蒂克斯公司(SIGNETICS)例如:N 74LS 00 N(1) (2) (3) (4)(1)、表示工作溫度范圍,N:075度; S:55125度; (2)、表示系列代號(hào); (3)、表示品種代號(hào) (4)、表示封裝材料及封裝形式。e、(美)國(guó)家半導(dǎo)體公司(NATIONALSEMICONDUCTOR)例如:DM 74 LS 161 N(1) (2) (3) (4) (5)(1)、表示美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司單片數(shù)字電路圖:(2)、表示工作溫度范圍,5

12、4、70、71、72、75、77、78、93和96系列為軍用產(chǎn)品,溫度范圍為55+125攝氏度;74、80、81、82、85、87和88系列為民用產(chǎn)品,溫度范圍為0+70攝氏度;83、86和89也為民用產(chǎn)品,其工作溫度范圍為0+75攝氏度。(3)、 表示系列,空白表示標(biāo)準(zhǔn)系列,H表示高速系列,L表示低功耗系列。LS表示低功耗肖特基系列。(4)、表示品種代號(hào)。 (5)、表示封裝材料及封裝形式。f、(日本)日立公司(HITACHI)例如:HD 74 LS 191 P(1) (2) (3) (4) (5)(1)、表示日立公司的數(shù)字集成電路。 (2)、表示表示工作溫度范圍,54系列為軍用產(chǎn)品,溫度范圍

13、為55+125攝氏度;74系列為民用產(chǎn)品,溫度范圍為0+70攝氏度; (3)、表示系列,與其它產(chǎn)品相同。 (4)、表示品種代號(hào) (5)、表示封裝材料和封裝形式。(三)引出腳識(shí):面對(duì)集成電路的字符標(biāo)志面,對(duì)于單排引腳的集成電路,將引腳朝下,以有圓點(diǎn)、色點(diǎn)、色帶或色線、切角等標(biāo)志特征的一端為起端,向另一端依次為1腳、2腳;對(duì)于雙排引腳的集成電路,將引腳朝外,面對(duì)有標(biāo)志的一面,以有半圓口或小圓點(diǎn)的左下方開(kāi)始為1腳,然后按逆時(shí)針?lè)较蝽樞驍?shù)依次是2腳、3腳,直到半圓口的左上方為止。四、 數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)的布線要求1、 為了查找方便,連線應(yīng)該盡量用不同的顏色。例如,正電源一般用紅色絕緣皮的線,負(fù)電源用藍(lán)色,地

14、線用黑色,信號(hào)線用黃色,也可根據(jù)條件選用其他顏色導(dǎo)線。2、 多次使用過(guò)的集成電路的引腳,必須修理整齊,引腳不能彎曲,所有的引腳應(yīng)稍向外偏,這樣才能使引腳與插孔接觸良好。要根據(jù)電路圖確定元器件在面包板上的排列位置,目的是走線方便。3、 自行剪線,要根據(jù)連線的距離以及插入插孔的長(zhǎng)度剪斷導(dǎo)線,導(dǎo)線兩頭各留6mm左右作為插入插孔的長(zhǎng)度較合適,裸線不能太長(zhǎng)以免出現(xiàn)短路。4、 須使連線從集成電路周圍通過(guò),不允許跨接在集成電路上,也不要使導(dǎo)線互相重疊在一起,盡可能做到橫平豎直,這樣有利于查線,更換器件及連線。5、 好在各電源的輸入端與地之間并聯(lián)一個(gè)電容為幾十微法的電容,這樣可以減少瞬變過(guò)程中電流的影響。為了

15、更有效地抑制電源中的高頻分量,應(yīng)在該電容兩端再并聯(lián)一個(gè)高頻去耦合電容,一般取容量為0.010.047uF的獨(dú)石電容。6、 為使電路能夠正常工作與測(cè)量,所有的地線必須連在一起,形成一個(gè)公共地參考點(diǎn)。五、數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)的故障診斷方法 一個(gè)數(shù)字電路或系統(tǒng),通常是由許多電路或功能塊連接而成在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,會(huì)由于各種各樣的原因產(chǎn)生故障。故障的產(chǎn)生原因有多種,在些是由于操作不當(dāng)(如布線錯(cuò)誤、虛焊)引起的,有些故障(如組合邏輯電路的競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn))是由于設(shè)計(jì)不當(dāng),實(shí)驗(yàn)電路本身所固有的,有些故障是實(shí)驗(yàn)器件使用不當(dāng)或錯(cuò)誤應(yīng)用造成的。在實(shí)驗(yàn)中,要求完全不出故障是比較困難的。但要做到以下幾點(diǎn),盡可能將實(shí)驗(yàn)故障率減到最低,還是

16、能順利完成實(shí)驗(yàn)。數(shù)字電路的故障相對(duì)比較簡(jiǎn)單,除三態(tài)電路外,它的輸入與輸出只有高電平和低電平兩種狀態(tài)。查找故障時(shí)可以先進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試,縮小故障的范圍,再進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試,查找故障的具體位置。查找故障首先要有合適的信號(hào)源和示波器,示波器的頻帶一般要大于10MHZ,至少要大于信號(hào)頻率。而且應(yīng)該用雙蹤示波器觀察輸入和輸出的波形相位關(guān)系。查找故障的過(guò)程仍然可以按順序進(jìn)行測(cè)量,把輸出的結(jié)果和預(yù)期的狀態(tài)相比較,通過(guò)動(dòng)態(tài)測(cè)試把故障縮小到較小的范圍。如果信號(hào)是非周期的,應(yīng)該借助邏輯分析儀或其它輔助設(shè)備觀察各處的狀態(tài)。如前所述,數(shù)字電路除三態(tài)電路外,輸出不是高電平就是低電平,不允許出現(xiàn)不高不低的狀態(tài)。對(duì)于使用+5V電源

17、的TTL電路來(lái)說(shuō),高電平要大于2.8伏,低電平要低于0.5V才能滿足要求。在數(shù)字電路中,一個(gè)邏輯門(mén)輸入端一般由若干邏輯門(mén)提供,而它的輸出又經(jīng)常帶動(dòng)多個(gè)門(mén)的輸入(如右圖所示),同一故障經(jīng)常由不同的原因引起。在左圖中,如果不論怎么改變A門(mén)X、Y、Z的輸入狀態(tài),輸出總保持低電平(通稱“固0”故障),故障原因可能出自A門(mén),也可能是因?yàn)榕cA門(mén)輸出端相連的B、C、D門(mén)中任一個(gè)的輸入端與低電平短路。這種短路同樣使A門(mén)保持低電平。檢查的方法是把A門(mén)的輸出端和其它的輸入端斷開(kāi),單獨(dú)加信號(hào)測(cè)量A門(mén)輸出電平,則可判斷A門(mén)發(fā)生故障還是B、C、D門(mén)發(fā)生故障。在電路中,當(dāng)某個(gè)元器件靜態(tài)電位正常而動(dòng)態(tài)波形有問(wèn)題時(shí),人們往往

18、認(rèn)為這個(gè)元器件本身有問(wèn)題而去更換它,其實(shí),有時(shí)不是這個(gè)原因。比如,一個(gè)計(jì)數(shù)器加入單脈沖信號(hào)時(shí),測(cè)量輸出電平完全正確,加入連續(xù)脈沖觀察到的波形卻有問(wèn)題(如出現(xiàn)波形臺(tái)階式)。遇到這種情況,不要急于更換器件,需要檢查計(jì)數(shù)器本身的負(fù)載能力及為它提供輸入信號(hào)的元器件負(fù)載能力。把計(jì)數(shù)器的輸出負(fù)載斷開(kāi),檢查它的工作正常與否,如果工作正常,說(shuō)明計(jì)數(shù)器負(fù)載能力有問(wèn)題,可以更換它。如果斷開(kāi)負(fù)載電路后仍存在問(wèn)題,則要檢查提供給計(jì)數(shù)器的輸入信號(hào)波形是否符合要求,或把輸入信號(hào)通過(guò)施密特門(mén)電路整形后再加到計(jì)數(shù)器輸入端,檢查輸出波形。這種方法檢查完畢仍然存在問(wèn)題,則必須更換計(jì)數(shù)器。六、 實(shí)驗(yàn)箱簡(jiǎn)介本實(shí)驗(yàn)箱是由長(zhǎng)江大學(xué)電子電

19、工實(shí)驗(yàn)示范中心自行研制的實(shí)驗(yàn)箱,用于數(shù)字電路課程實(shí)驗(yàn)??赏瓿啥喾N數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)和一些簡(jiǎn)單課程設(shè)計(jì)。其表面圖如下圖所示。 電源:輸入、輸出均為直流電源,輸出共有1路(5個(gè)輸出端子),2路可調(diào)。 信號(hào)源:?jiǎn)蚊}沖:上升沿脈沖和下降沿脈沖連續(xù)脈沖:兩路固定頻率的電平,其頻率分別為和 數(shù)碼顯示:由兩位七段數(shù)碼管和兩位帶譯碼驅(qū)動(dòng)的數(shù)碼管 元器件:由開(kāi)關(guān)、電位器、揚(yáng)聲器、二極管、阻容元件構(gòu)成 圓孔型雙列直插式:28腳2只,16腳6只。集成塊缺口朝左,至28(C區(qū)至區(qū)為16管腳)管腳分別對(duì)應(yīng)各區(qū)上的1至28(16)號(hào)插孔。 實(shí)驗(yàn)箱箱體:鋁合金框架式結(jié)構(gòu),外型尺寸:350mm×280mm實(shí)驗(yàn)一 門(mén)電路邏

20、輯功能及測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 熟悉數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱的使用方法。2. 熟悉常用門(mén)電路的邏輯功能及測(cè)試方法3. 掌握TTL與非門(mén)主要參數(shù)的測(cè)試方法。4. 掌握TTL與非門(mén)傳輸特性的測(cè)試方法。5. 熟悉各門(mén)電路之間的相互轉(zhuǎn)換。二、預(yù)習(xí)要求 1.認(rèn)真閱讀本實(shí)驗(yàn)的附錄,詳細(xì)了解各種儀器的使用方法及技術(shù)參數(shù)。 2.復(fù)習(xí)TTL與非門(mén)的工作原理、真值表及各參數(shù)的意義。 3.了解集成芯片74LS00的外引線排列圖。 4.熟悉各測(cè)試電路,了解其原理及測(cè)試方法。三、實(shí)驗(yàn)原理與參考電路1. 1. 門(mén)電路的邏輯功能門(mén)電路是數(shù)字電路的基本單元電路,用于實(shí)現(xiàn)一定的邏輯功能,常用門(mén)電路的類型.邏輯式、邏輯符號(hào)如表1.1所示。圖

21、1.1集電極開(kāi)路與非門(mén)圖1.2三態(tài)邏輯與非門(mén)2集電極開(kāi)路(OC)與非門(mén)和三態(tài)(3S)輸出門(mén)集電極開(kāi)路與非門(mén)在使用時(shí),輸出端需經(jīng)外接集電極電阻RC與電源相接,如圖1.1所示,集電極電阻RC的值應(yīng)滿足>>式中:V0Hmin輸出高電平電壓的下限,V0Lmax為輸出低電平電壓的上限,IoH輸出高電平電流,IIH和IIL分別為輸入高電平和輸入低電平電流,為每個(gè)OC門(mén)所充許的最大輸出低電平電流,n為前級(jí)OC門(mén)的個(gè)數(shù),m為后級(jí)與非門(mén)的個(gè)數(shù),k為m個(gè)與非門(mén)的輸入端個(gè)數(shù)。三態(tài)輸出門(mén)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.2表1.1常用門(mén)電路的邏輯功能及型號(hào) 類型邏輯式邏輯符號(hào)參考型號(hào)與門(mén)Y=A·B74084081 4

22、082或門(mén)Y=A+B74324071 4075非門(mén)(反相器)無(wú)放大作用Y=7404 4069有放大作用7406(OC)與非門(mén)Y=7400 7410 74304011 4012 4023或非門(mén)Y=7402 7433(OC)4001 4025與或非門(mén)Y=74514085異或門(mén)Y=AB74864070OC門(mén)與非門(mén)Y=7303(OC)三態(tài)門(mén)EN=1時(shí),Y=AEN=0時(shí),Y為高阻態(tài)74126 本實(shí)驗(yàn)以目前使用較普遍的TTL與非門(mén)為例,介紹集成邏輯門(mén)靜態(tài)參數(shù)及邏輯功能的測(cè)試方法。 2.TTL與非門(mén)的主要參數(shù) (1)輸出高電平VOH:輸出高電平是指與非門(mén)有一個(gè)以上輸人端接地或接低電平時(shí)的輸出電平值??蛰d時(shí),

23、VOH必須大于標(biāo)準(zhǔn)高電平(VSL=2.4V),接有拉電流負(fù)載時(shí),VOH將下降。測(cè)試VOH的電路如圖1.3所示。 (2)輸出低電平VOL;輸出低電平是指與非門(mén)的所有輸入端都接高電平時(shí)的輸出電平值??蛰d時(shí), VOL必須低于標(biāo)準(zhǔn)低電平(VOL=0.4V),接有灌電流負(fù)載時(shí), VOL將上升。測(cè)試VOL的電路如圖1.4所示。 圖 1.3VOH的測(cè)試電路 圖 1.4VOL的測(cè)試電路 圖 1.5IIS的測(cè)試電路 (3)輸入短路電流IIS:輸入短路電流IIS是指被測(cè)輸入端接地,其余輸入端懸空時(shí),由被測(cè)輸入端流出的電流。前級(jí)輸出低電平時(shí),后級(jí)門(mén)的IIS就是前級(jí)的灌電流負(fù)載。一般IIS1.66mA。測(cè)試IIS的電

24、路見(jiàn)圖1.5。 (4)扇出系數(shù)N:扇出系數(shù)N是指能驅(qū)動(dòng)同類門(mén)電路的數(shù)目,用以衡量帶負(fù)載的能力。圖1.5所示電路能測(cè)試輸出為低電平時(shí),最大允許負(fù)載電流IOL,然后求得N=IOL/IIS。一般N8的與非門(mén)才被認(rèn)為是合格的。 3.TTL與非門(mén)的電壓傳輸特性 利用電壓傳輸特性不僅能檢查和判斷TTL與非門(mén)的好壞,還可以從傳輸特性上直接讀出其主實(shí)靜態(tài)參數(shù),如VOH、VOL、VON、VOFF、1和2如圖1.6(a)所示。傳輸特性的測(cè)試電路如圖1.6(b)所示。 從圖1.6(a)中可知; 開(kāi)門(mén)電平VON:是保證輸出為標(biāo)準(zhǔn)低電平VsL時(shí),允許的最小輸入高電平值。一般VON1.8V。 關(guān)門(mén)電平VOFF:是保證輸出

25、為標(biāo)準(zhǔn)高電平VSH時(shí),允許的最大輸入低電平值。高電平抗干擾能力1。1=VSH-VON=2.4V-VON 圖1.6與非門(mén)電壓傳輸特性及測(cè)試電路 (a)電壓傳輸特性(6)測(cè)試電路 低電平抗干擾能力O:OVOFF一VSLVOFF0.4V本實(shí)驗(yàn)選用的集成與非門(mén)為74LS00,其外引線排列如圖1.6所示。 圖 1.7扇出系數(shù)N的測(cè)試電路 圖1.8 74LS00外引線排列圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1驗(yàn)證與非門(mén)的邏輯功能取與非門(mén)74LS00一片插入實(shí)驗(yàn)箱,接好電源,選取其中的任意一個(gè)與非門(mén),輸出端接發(fā)光二極管。驗(yàn)證邏輯功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表1.1 2參數(shù)測(cè)試(1)按圖1.3組裝電路,用數(shù)字多用表直流電壓擋測(cè)試與非門(mén)帶載和

26、開(kāi)路情況下的輸出高電平VOH。 (2)測(cè)試與非門(mén)的輸出低電平VOL,測(cè)試電路如圖1.4所示。 (3)測(cè)試與非門(mén)輸入短路電流IIS,測(cè)試電路如圖1.5所示。(4)測(cè)試與非門(mén)輸出為低電平時(shí),允許灌入的最大負(fù)載電流IOL,然后利用公式N=IOLIIs可求出該與非門(mén)的扇出系數(shù)N,測(cè)試電路見(jiàn)圖1.7。具體測(cè)試方法有二:輸人端全部懸空,逐漸減小負(fù)載電阻R,讀出仍能保持VO=0.4V的最大負(fù)載電流,即IOL。輸入端全部懸空,輸出端用500電阻代替(100Rp)。用數(shù)字多用表直流電壓擋測(cè)量VO,若VO0.4V,則產(chǎn)品合格。然后再用數(shù)字多用表電流擋測(cè)出IOL,通過(guò)公式計(jì)算出扇出系數(shù)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2所測(cè)各項(xiàng)數(shù)據(jù)填人表

27、1.2中。 表 1.2與非門(mén)參數(shù)測(cè)量值計(jì)算值VOHVOLIISIOLN=IOL/IISVONVOFF10空載負(fù)載空載負(fù)載( )3.測(cè)試和繪制TTL與非門(mén)的電壓傳輸特性(1)按圖1.6(b)接好電路。輸入信號(hào)選擇鋸齒波,其f500HZ,VIPP=4V左右。從左至右,調(diào)信號(hào)發(fā)生器上的直流電平旋鈕,使其鋸齒波信號(hào)最小值為0。將輸入信號(hào)同時(shí)送到與非門(mén)的其中一個(gè),輸入端和示波器的CH1通道。 (2)將與非門(mén)的輸出送到示波器的CH2通道。 (3)打開(kāi)數(shù)字示波器,按下菜單MENUS上的顯示DISPLAY按鈕,在顯示屏右側(cè)子菜單中選擇XY方式,在熒光屏上觀察與非門(mén)的電壓傳輸特性。 (4)用坐標(biāo)紙描繪出電壓傳輸

28、特性,并標(biāo)出VOH、VOL、VON、VOFF,計(jì)算出1、0。4測(cè)試與非門(mén)的開(kāi)關(guān)功能按圖1.8接好電路,將圖1.8所示電路中的SW2改接f1kHZ的正方波,輸出送示波器 CH2通道。當(dāng)SW1=1時(shí),記錄下與非門(mén)輸出端的波形。改變SW1,使SW1=0,再次記錄與非門(mén)輸出端的波形。并將兩次波形繪入圖1.9中。圖1.9與非門(mén)邏輯功能波形圖 圖1.8與非門(mén)邏輯功能測(cè)試電路5自行設(shè)計(jì),由與非門(mén)實(shí)現(xiàn)兩輸入端異或門(mén)功能,要求畫(huà)出電路圖,并驗(yàn)證邏輯功能, 五、注意事項(xiàng) 1.TTL集成與非門(mén)芯片74LS00的電源電壓VCC5V,一般允許在土10的范圍內(nèi)變化,不可超出過(guò)多。GND接地,不要接錯(cuò),TTL與非門(mén)的閑置輸

29、入端可接高電平,不能接低電平.2.與非門(mén)的輸出端不能并聯(lián)使用,不能直接接十5V或地。3.實(shí)驗(yàn)中所測(cè)繪的波形,不僅要畫(huà)出形狀,而且要標(biāo)出周期和幅值。六、思考題1.圖1.7所示電路中測(cè)試與非門(mén)邏輯功能時(shí),當(dāng)數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)SW11時(shí),SW2所接正方波可以通過(guò);而當(dāng)數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)SW0時(shí),SW2所接正方波無(wú)法通過(guò)。試問(wèn):SW2如改接負(fù)方波,與非門(mén)能讓其通過(guò)嗎?2.異或門(mén)又稱可控反向器,為什么?七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 1.認(rèn)真記錄所測(cè)與非門(mén)的主要參數(shù)VOH、VOL、IIS、IOL,并與標(biāo)準(zhǔn)值比較。 2.用坐標(biāo)紙仔細(xì)描繪所測(cè)與非門(mén)傳輸特性曲線,標(biāo)出VOH、VOL、VON、VOPP,計(jì)算出1、0。八、實(shí)驗(yàn)儀器與器件1.實(shí)驗(yàn)儀

30、器 示波器一臺(tái) 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器一臺(tái) 直流穩(wěn)壓電源一臺(tái) 數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱(SZLJ-1)一臺(tái) 數(shù)字多用表一塊.2.實(shí)驗(yàn)器件 集成與非門(mén):74LS00(1片) 電位器:1K(1只)。 電阻器:5.1K、100、500(各1只)。實(shí)驗(yàn)二 用SSI構(gòu)成的組合邏輯電路的分析、設(shè)計(jì)和調(diào)試一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.進(jìn)一步熟悉數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)箱的使用。 2.掌握用SSI(小規(guī)模數(shù)字集成電路)構(gòu)成的組合邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)方法。二、預(yù)習(xí)要求l.預(yù)習(xí)組合邏輯電路的設(shè)計(jì)方法。 2.按設(shè)計(jì)步驟根據(jù)所給器件設(shè)計(jì)電路。三、 實(shí)驗(yàn)原理組合邏輯電路是最常見(jiàn)的邏輯電路之一,其特點(diǎn)是在任一時(shí)刻的輸出信號(hào)僅取決該時(shí)刻的輸入信號(hào),而與信號(hào)作用前電

31、路原來(lái)所處的狀態(tài)無(wú)關(guān)。1.使用中、小規(guī)模集成電路來(lái)設(shè)計(jì)組合電路是最常見(jiàn)的邏輯電路。設(shè)計(jì)組合電路的一般步驟如圖2.1所示。 圖2.1用SSI構(gòu)成組合邏輯電路的設(shè)計(jì)流程圖根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求建立輸入、輸出變量,并列出真值表。然后用邏輯代數(shù)或卡諾圖化簡(jiǎn)法求出簡(jiǎn)化的邏輯表達(dá)式。并按實(shí)際選用邏輯門(mén)的類型修改邏輯表達(dá)式。根據(jù)簡(jiǎn)化后的邏輯表達(dá)式,畫(huà)出邏輯圖,用標(biāo)準(zhǔn)器件構(gòu)成邏輯電路。最后用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)和正確性。2.組合邏輯電路設(shè)計(jì)舉例用與非門(mén)設(shè)計(jì)一個(gè)四人表決電路。當(dāng)四個(gè)輸入端中有三個(gè)或四個(gè)為“1”時(shí),輸出端才為“1”。設(shè)計(jì)步驟:根據(jù)題意列出真值表如表2.1所示,再填入卡諾圖表2.2中。表2.1D0000000

32、011111111C0000111100001111B0011001100110011A0101010101010101Z0000000100010111由卡諾圖得出邏輯表達(dá)式,并演化成與非門(mén)的形式 Z=ABC+BCD+ACD+ABD = 根據(jù)邏輯表達(dá)式畫(huà)出用與非門(mén)構(gòu)成的邏輯電路如圖2.2所示。圖2.2四人表決電路邏輯圖用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證邏輯功能在實(shí)驗(yàn)箱C區(qū)和D區(qū),分別插入一片74LS10,按圖示2.2接線,按真值表要求,逐次改變輸入變量,輸出端通過(guò)發(fā)光二極管接地,記錄發(fā)光二極管亮滅狀態(tài),以驗(yàn)證邏輯功能,與表面2.1比較。驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的邏輯電路是否符合要求。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 設(shè)計(jì)一個(gè)全加器,并驗(yàn)證之。要

33、求:(1) 按設(shè)計(jì)要求列出真值表,化簡(jiǎn)后得出最簡(jiǎn)邏輯表達(dá)式(2) 根據(jù)邏輯表達(dá)式畫(huà)出原理圖(接線圖)(3) 按圖連接并驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表2.2中 表2.2 輸入 輸出AiBiCi-1SiCi2.設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字密碼鎖電路。該密碼鎖有ABCD是四個(gè)二進(jìn)制代碼輸入端,一個(gè)開(kāi)鎖控制輸入端E,設(shè)F1為開(kāi)鎖信號(hào)輸出端,F(xiàn)2為報(bào)警信號(hào)輸出端。每把鎖都有規(guī)定的四位二進(jìn)制代碼,本次實(shí)驗(yàn)用的代碼為“0110”,同學(xué)們也可自行選定代碼。如果輸入代碼符合該鎖代碼,且有開(kāi)鎖信號(hào)時(shí)(即E=1)鎖才可被打開(kāi)(即F1=1);若不符,電路發(fā)出報(bào)警信號(hào)(即F2=1),要求:(1) 使用的集成片個(gè)數(shù)最少(2) 正確連線,記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)

34、據(jù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象3.設(shè)計(jì)一個(gè)能判斷一位二進(jìn)制數(shù)A與B大小的比較電路。畫(huà)出邏輯圖(用Ll、L2、L3分別表示三種狀態(tài),即L1(AB),L2(A<B),L3(A=B)。設(shè)A、B分別接至數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān),L1、L2、L3接至邏輯顯示器(燈),將實(shí)驗(yàn)結(jié)果記入表2.3中。 4.設(shè)A、B為數(shù)據(jù)選擇控制端,Dl、D2、D3為數(shù)據(jù)輸入端,L為輸出端,試設(shè)計(jì)一具有表2.4所示功能的數(shù)據(jù)選擇器。設(shè)A、B接至數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān),D1接至高電平,D2、D3分別接至50HZ和IkHZ正方波。試用手撥動(dòng)數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān),改變A、B狀態(tài),用示波器觀測(cè)并記錄輸出端L的波形。 表2.3 表2.4ABL1(A>B)L2(A<B)L2(A=B

35、)ABL000000101D11010D21111D3 5.設(shè)某一監(jiān)測(cè)信號(hào)燈工作狀態(tài)的邏輯電圖2.3所示。圖中用R、Y、G分別表示紅、黃、綠三個(gè)燈的狀態(tài),并規(guī)定燈亮?xí)r為1,不亮?xí)r為0,用L表示故障信號(hào),正常工作狀態(tài)下L為0,發(fā)生故障時(shí)L為1。試分析R、Y、G出現(xiàn)哪五種狀態(tài)時(shí),要求邏輯電路發(fā)出故障信號(hào)(L為1)。 按圖2.3接線,驗(yàn)證理論分析結(jié)果,并記人表2.4中。注意:圖中D2、D3和A、B的時(shí)序關(guān)系是隨機(jī)性的表2.4 圖2.3監(jiān)測(cè)信號(hào)燈工作狀態(tài)邏輯電路 五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)TTL與非門(mén)多余的輸人端可接高電平,以防引入干擾。六、問(wèn)題思考1. 競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)的原因是什么?怎樣有效地消除競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)。2. 在實(shí)

36、驗(yàn)內(nèi)容2中,如果三次密碼不對(duì)才發(fā)出報(bào)警信號(hào),電路如何實(shí)現(xiàn)?七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 1.列出所做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的項(xiàng)目的真值表,寫(xiě)出邏輯表達(dá)式,畫(huà)出電路圖。 2.列出實(shí)驗(yàn)內(nèi)容記錄的數(shù)據(jù)和波形,并加以總結(jié)。 2.總結(jié)數(shù)據(jù)選擇器的作用及設(shè)計(jì)方法。八、實(shí)驗(yàn)儀器與器件 1實(shí)驗(yàn)儀器示波器一臺(tái) 數(shù)信號(hào)發(fā)生器一臺(tái) 直流穩(wěn)壓電源一臺(tái)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái) 數(shù)字多用表一塊.3. 實(shí)驗(yàn)器件74LS00、74LS10各一片發(fā)光二極管兩個(gè)蜂鳴器一個(gè)實(shí)驗(yàn)三 MSI組合邏輯電路的原理與應(yīng)用一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1.了解編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器等中規(guī)模數(shù)字集成電路(MSI)的性能及使用方法; 2.用集成譯碼器和數(shù)據(jù)選擇器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的邏輯函數(shù)產(chǎn)生器。二

37、.預(yù)習(xí)要求與思考題 l在教材中查出74LS148、74LS04、CD4511的外引線排列圖和功能表。 2復(fù)習(xí)譯碼器、編碼器的工作原理。 3對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中的各函數(shù)式進(jìn)行預(yù)設(shè)計(jì)。三.實(shí)驗(yàn)原理 1編碼器 這里介紹兩種常用的集成電路優(yōu)先編碼器74LS147和74LS148,它們都有TTL和CMOS(74HC147、74HC148)的定型產(chǎn)品。74LS147和74HC147,74LS148和74HC148在邏輯功能上沒(méi)有區(qū)別,只是電性能參數(shù)不同。 8線-3線優(yōu)先編碼器74LS148優(yōu)先編碼器引腳圖如圖3.1所示,其功能如表3.1所示. 該編碼器有8個(gè)信號(hào)輸入端,3個(gè)二進(jìn)制碼輸出端。此外,電路還設(shè)置了輸入使

38、能端EI,輸出使能端EO和優(yōu)先編碼工作狀態(tài)GS。 當(dāng)EI=0時(shí),編碼器工作;而當(dāng)EI=1時(shí),則不論8個(gè)輸入端為何種狀態(tài),3個(gè)輸出端均為高電平,且優(yōu)先標(biāo)志端和輸出使能端均為高電平,編碼器處于非工作狀態(tài)。這種情況被稱為輸入低電平有效,輸出也有低電平有效的情況.當(dāng)EI為0,且至少有一個(gè)輸入端有編碼請(qǐng)求信號(hào)(邏輯0)時(shí),圖3.1 優(yōu)先編碼器74LS148引腳圖優(yōu)先編碼工作狀態(tài)標(biāo)志GS為0,表明編碼器處于工作狀態(tài),否則為1。 由功能表可知,在8個(gè)輸入端均無(wú)低電平輸入信號(hào)和只有輸入0端(優(yōu)先級(jí)別最低位)有低電平輸入時(shí),A2A1A0均為111,出現(xiàn)了輸入條件不同而輸出代碼相同的情況,這可由GS的狀態(tài)加以區(qū)別

39、,當(dāng)GS=1時(shí),表示8個(gè)輸入端均無(wú)低電平輸入,此時(shí)A2A1A0=111表示響應(yīng)輸入0端為低電平時(shí)的輸出代碼(編碼輸出).EO只有在EI為0,且所有輸入端都為1時(shí),輸出為0,它可與另一片同樣器件的EI連接,以便組成更多輸入端的優(yōu)先編碼器。 表3.1 優(yōu)先編碼器74148功能表 輸入 輸出EI 0 1 2 3 4 5 6 7A2 A1 A0 GS EOH××××××××LHHHHHHHHL×××××××LL×××

40、5;××LHL×××××LHHL××××LHHHL×××LHHHHL××LHHHHHL×LHHHHHHLLHHHHHHHHHHHHHHHHLLLLLHLLHLHLHLLHLHHLHHLLLHHLHLHHHLLHHHHLH *H高電平 L低電平 ×-任意電平從功能表不難看出,輸入優(yōu)先級(jí)別的次序依次為7,6,0.輸入有效信號(hào)為低電平,當(dāng)某一輸入端有低電平輸入,且比它優(yōu)先級(jí)別高的輸入端無(wú)低電平輸入時(shí),輸出端才輸出相對(duì)應(yīng)的代

41、碼.例如,輸入5為0,且優(yōu)先級(jí)別比它高的輸入6和輸入7均為1時(shí),輸出代碼為010,這就是優(yōu)先編碼器的工作原理.2.數(shù)據(jù)選擇器八選一數(shù)據(jù)選擇器74LS151的外引線排列圖和功能表分別如圖3.2和表3.2所示。由表3.1可以看出,當(dāng)選通輸入端 =0時(shí),Y是A2、A1、A0和輸入數(shù)據(jù)D0D7的與或函數(shù),它的表達(dá)式為 Y (3.1)式中mi是A2、A1、A0構(gòu)成的最小項(xiàng),顯然當(dāng)Di=1時(shí),其對(duì)應(yīng)的最小項(xiàng)m;在與或表達(dá)式中出現(xiàn)。當(dāng)Di=0時(shí),對(duì)應(yīng)的最小項(xiàng)就不出現(xiàn)。利用這一點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)組合邏輯函數(shù)。將數(shù)據(jù)選擇器的地址選擇輸入信號(hào)A2、Al、A0作為函數(shù)的輸入變量,數(shù)據(jù)輸入D0D7作為控制信號(hào),控制各最小項(xiàng)

42、在輸出邏輯函數(shù)中是否出現(xiàn),選通輸入端 始終保持低電平,這樣,八選一數(shù)據(jù)選擇器就成為一個(gè)三變量的函數(shù)產(chǎn)生器。表3.2 74LS151功能表 圖3.2 74LS151外引線排列圖例如,利用八選一數(shù)據(jù)選擇器產(chǎn)生邏輯函數(shù)L可以將此函數(shù)改成下列形式 L=m0D0+m2D2+m5D5+m6D6+m7D7 (3.2) 式(3.2)符合式(3.l)的標(biāo)準(zhǔn)形式。考慮到式中沒(méi)有出現(xiàn)最小項(xiàng)m1、m3、m4因而只有D0D2=D5=D6=D7,而 D1=D3=D4=0。由此可畫(huà)出該邏輯函數(shù)產(chǎn)生器的邏輯圖如圖3.3所示。 圖3.3 74LS151構(gòu)成的邏輯函數(shù)產(chǎn)生器 3.譯碼器 譯碼器上一個(gè)多輸入、多輸出的組合邏輯電路。

43、它的作用是把給定的代碼進(jìn)行“翻譯”,變成相應(yīng)的狀態(tài),使輸出通道中相應(yīng)的一路有信號(hào)輸出。譯碼器在數(shù)字系統(tǒng)中有廣泛的用途,不僅用于代碼的轉(zhuǎn)換、終端的數(shù)字顯示,還用于數(shù)據(jù)分配,存貯器尋址和組合控制信號(hào)等。不同的功能可選取用不同種類的譯碼器。譯碼器可分為通用譯碼器和顯示譯碼器兩大類。前者又分為變量譯碼器和代碼變換譯碼器。(1)變量譯碼器,用以表示輸入變量的狀態(tài),如2線4線譯碼器、3線8線譯碼器、4線16線譯碼器。以3線8線譯碼器74LS138為例進(jìn)行分析,其外引線排列圖和邏輯功能表分別如圖3.4和表3.3所示。由圖3.4和表3.3可以看出,該譯碼器有三個(gè)選通端:、和,只有當(dāng)1,0,0同時(shí)滿足時(shí),才允許

44、譯碼,否則就禁止譯碼。設(shè)置多個(gè)選通端,使得該譯碼器能被靈活地組成各種電路。 在允許澤碼條件下,由功能表3.3可寫(xiě)出 表3. 3 74LS138邏輯功能表輸入輸出選通譯碼地址譯碼STASTB+STCA2 A1 A0Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 ×1× × ×1 1 1 1 1 1 1 10X× × ×1 1 1 1 1 1 1 1100 0 00 1 1 1 1 1 1 1100 0 01 0 1 1 1 1 1 1100 1 01 1 0 1 1 1 1 1100 1 11 1 1 0 1 1 1 1101

45、 0 01 1 1 1 0 1 1 1101 0 11 1 1 1 1 0 1 1101 1 01 1 1 1 1 1 0 1101 1 11 1 1 1 1 1 1 0二進(jìn)制譯碼器實(shí)際上也是負(fù)脈沖輸出的脈沖分配器。若利用使能端中的一個(gè)輸入端輸入數(shù)據(jù)信息,器件就成為一個(gè)數(shù)據(jù)分配器(又稱多路分配),如圖3.5所示。若在 端輸入數(shù)據(jù)信息,=0,地址碼所對(duì)應(yīng)的輸出是數(shù)據(jù)信息的反碼;若從端輸入數(shù)據(jù)信息,令=1、=0,地址碼所對(duì)應(yīng)的輸出就是端數(shù)據(jù)信息的源碼。若數(shù)據(jù)信息是時(shí)鐘脈沖,則數(shù)據(jù)分配器便成為時(shí)鐘脈沖分配器。根據(jù)輸入地址的不同組合譯出唯一地址,故可用作地址譯碼器。接成多路分配器,可將一個(gè)信號(hào)源的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)讲煌牡攸c(diǎn)。二進(jìn)制譯碼器還能方便地實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù),如圖3.6所示,實(shí)現(xiàn)的邏輯函數(shù)是Z= 圖3.5作數(shù)據(jù)分配器 圖3.6實(shí)現(xiàn)的邏輯函數(shù)(2)數(shù)字顯示譯碼器a、 BCD碼七段譯碼器:此類譯碼器常用的型號(hào)有74LS47(共陰),74LS48共陽(yáng),CD4511(共陰)等,本實(shí)驗(yàn)采用CD4511BCD碼鎖存/七段譯碼/驅(qū)動(dòng)器,驅(qū)動(dòng)共陰LED數(shù)碼管。其中: A、B、C、DBCD碼輸入端A,b,c,d,e,f,g譯碼輸出端,輸出“1”有效,用來(lái)驅(qū)動(dòng)共陰極LED數(shù)碼管測(cè)試輸入端,=“0”時(shí),譯碼輸出全為“1” 消隱輸入端,=“

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