实验16集成逻辑门测试

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,实验目的,掌握利用函数信号发生器输出数字方波信号；,学习数字,逻辑电平标准,及特性,参数的基本知识；,练习,TTL/CMOS,数字逻辑,门芯片的使用,；,实验,16,集成逻辑门特性测试,逻辑门电路的主要参数及使用规则,结合,TTL,门掌握逻辑门电路参数定义,TTL,器件的使用规则,CMOS,门的主要参数及使用规则,扩展,知识,简述,1. TTL,与非门电路的主要参数,静态功耗,P,D,:,输出高电平,V,OH,:,输出低电平,V,OL,:,扇出系数,N,:,带负载能力，,N,8,，,较强；,空载,10,m,W,级，,相对较大,V,OH, 3.5 V,，,V,SH,故为逻辑,1,；,V,OL, 0.4 VV,SL,，,故为逻辑,0,；,（,TTL,标准高电平,V,SH,=2.4 V,，,低电平电压,V,SL,=0.4 V,）,平均传输延迟时间,t,pd,:,t,pLH,50%,50%,50%,50%,t,pHL,输入,同相输出,t,pd,= (t,PLH,+t,PHL,)/2,表征门电路开关速度,，,ns,纳秒级。,TTL,门较快，,10ns,级。,直流噪声容限,V,NH,和,V,NL,:,指输入端所允许的输入电压变化的极限范围。,高电平噪声容限,V,NH,=,V,SH,V,ON,低电平噪声容限,V,NL,=,V,OFF,V,SL,开门电平电压,V,ON,:,允许的最小,输入,高,电平电压值，约,1.8V,即当输入在,1.8V,以上，,TTL,门电路判别输入为,1,，与非后门电路输出,V,OL,。,关门电平电压,V,OFF,:,约,0.8V,，即,输入,在,0.8V,以下，,TTL,门判别输入为,0,，与非后门输出,V,OH,。,1. TTL,与非门电路的主要参数,测试,TTL,逻辑门电路的,电压传输特性,不仅能检查和判断门电路好坏，还可以从传输特性上直接读出其主要静态参数，如,V,OH,、,V,OL,、,V,ON,、,V,OFF,以及,V,NH,、,V,NL,。,1. TTL,与非门电路的主要参数,2. TTL,器件的使用规则,工作,电源电压,+,V,CC,:,要求,比较,严格,（缺点之一）,，,只允许在,+,5V,10%,范围内。,电源电压超过,5.5V,易损坏芯片；低于,4.5V,易导致逻辑功能不正常。,实际使用时还要注意,电源,滤波,：,尽量,缩短地线以减小干扰。可在电源,端到地接,1,个,100,F,的,电容做,低频,滤波,及,1,个,0.01,F0.1,F,的,电容做,高频,滤波,。,用到的,TTL,门,(,器件,),的,多余,输入端的连接,TTL,或门、或非门 多余输入端：,显然,不能悬空，,只能接,GND,地；,TTL,与门、与非门 多余输入端：,理论上,可悬空,视作,高电平；,但实用,中易,受到外界干扰！,故,实际电路中要,接,+,V,CC,或 与某个有用输入端并联（但会增加从信号获取的电流。,）,TTL,门,输出,端的连接,不,允许输出端直接连,+5V,或连地。,除,OC,门和三态,TS,门外，其它门电路的输出端,不允许并在一起,使用即,不可线与,，否则会引起逻辑混乱或损坏器件。,2. TTL,器件的使用规则,电源电压,+,V,DD,和,V,SS,:,+V,DD,接电源正极，,V,SS,接电源负极,(,常为共地,0V,),，,不可以接,反,！,+,V,DD,一般在,+5V,+15V,较宽,范围内均可正常工作，还允许波动,10%,。,CMOS,芯片优点之一,静态功耗,:,约在,微,瓦量级，很低,。,优于,TTL,mW,输,出高,电平,V,OH,:,V,OH,V,DD,0.5V,为逻辑,1,。,输,出低,电平,V,OL,:,V,OL,V,SS,+,0.5V,为逻辑,0,。,输,入高、低,电平,:,V,i,H,0.7,V,DD,；,V,i,L,0.2,V,DD,平均传输延迟时间,t,pd,:,相对大，,50ns,级,-,缺点,3. CMOS,门参数及使用规则,CMOS,门多余输,入,端的连接：,用到的逻辑门的,多余输入,端,不能悬空！,必须按逻辑要求接,+V,DD,或,V,SS,；,（,CMOS,输入,端悬空时，极易受到感应信号干扰出现错误的输出，甚至造成输入端永久性的击穿损坏。）,3. CMOS,门参数及使用规则,CMOS,门输,出,端的连接：,（,与,TTL,门规则,相同,，,除了,三态门和,OC,门,），,输出,端,不,允许并接,恒定,电压,或 其他器件的输出端。,扇出系数,N,:,一般取,N,=1020,，稍强于,TTL,。,CMOS,输入电流超过,1mA,就有可能烧坏，注意,各种,保护措施。,4.,相关,扩展知识,TTL,电路的速度快,-,传输延迟时间短,（,10ns,级）；但功耗大（,mW,级）；工作电源范围严格（,5V,左右）,CMOS,电路的速度慢,-,传输延迟时间长（,50ns,级）；但功耗低（静态功耗,uW,级）；工作电源范围很宽,318V,，其直流噪声容限也高。,本实验是为了让大家对,数字逻辑电平,标准,及特性参数,有个基本,概念，上述,参数不绝对,。在,实际工程中,，严格条件下，必须要根据芯片生产商给的,DataSheet,所列明的参数,来做相应选择或处理。,4.,相关,扩展知识,74,标准,TTL 10mW,CD40,常用小规模,CMOS 0.7mW,（动态功耗）,现代发展,课程用的,74,L,S,低功耗,肖特基,TTL 2mW ,CC40,国产的,40,系列,0.7mW,74HC,高速,CMOS,0.2mW,延迟,10ns,级,（,兼具,LS,高速,-,低延迟和,CMOS,低功耗，,工作电源,26V,）,74HC,T,兼容,TTL,电平标准的高速,CMOS,当代发展,新器件中的新数字电平标准：,LVTTL,、,LVCMOS,、,ECL,、,PECL,、,LVPECL,、,RS232,、,RS485,、高速的,LVDS,、,GTL,、,数字芯片电平标准转换问题,同样,5V,工作电源电压,74LS,系列的,TTL,门电路输出,V,OH,(,min,),仅,2.7,V,而,CD40,系列的,CMOS,电路,V,IH,(min,) =3.5V,74HC,系列的高速,CMOS,电路,V,IH,(min),=3.15V,根据前述特性参数可看出，在同样,5V,电源电压情况下，,CMOS,电路可以直接驱动,TTL,电路；而,TTL,电路常常难以直接驱动,CMOS,电路。故实验中,尽量不要杂用,TTL/CMOS,门电路芯片。必要时用适当方法（如上拉电阻等）作,电平转换,。,普通,逻辑,门,的输出端不能并联（线与）使用？源于,OC,门,输出端是悬空的，使用时一定要在,输出端与电源,之间接电阻,。,也,因此，,OC,门输出,可以线与,！,自学,-,线,与,和集电极开路,OC,门,实例：,74HC03,是二输入与非,OC,门，,管脚定义与,74LS00,相同,V,OL,n,个,OC,门线与驱动,TTL,门电路,I,IL,I,IL,I,L,I,OL,V,OH,V,OH,I,OH,多,OC,门输出线与驱动,TTL,门电路,n,个,OC,门输出线与，其中任一,OC,门输出为低，逻辑总输出即为,0,。电路中电流情况如右图，依此可算出外接电阻允许的最小值,：,V,OH,n,个,OC,门线与驱动,TTL,门电路,I,IH,I,IH,I,L,I,OH,结合前述,：,线与的,OC,门输出全为高，逻辑总输出即为,1,。电路中电流情况如右图，依此可算出外接电阻允许的最大值,：,多,OC,门输出线与驱动,TTL,门电路,三态门,三态门，简称,TS(Three-state Logic),门，是在普通门电路的基础上，加,使能控制端,EN,和控制电路。,三态门除了通常的高、低电平两种输出状态外，还有第三种输出状态,高阻态,。处于高阻态时，电路与负载之间相当于,开路,。,（实验,23,用到,74HC125,）,也因此三态门输出可以,并接为,共享总线,形式但,禁止同时选通,占用！,故,虽然输出并接，但,并非线与,。,三态门,（实验,23,用到,74HC125,）,本次实验内容,1,测量,TTL/CMOS,与非门输出高、低电平,*通常,V,OH,输出带下拉也应该在,3V,以上，低于该值建议弃用。,根据测量的器件标明管脚号，再接线！,74HC,管脚同,74LS,，但,40,不同！,内容,2,：测量门传输延迟时间,t,pd,纳秒级,别。用多个门电路,串联测量再,做平均,。,；,n,为门个数,时基要展开很宽,500Hz,数字电平方波,展宽,波形后仍,难同时观测,到双边沿，可先测单边，,然后调整,示波器,-,触发,设置,-,边沿,类型：,上边沿,/,下边沿,，,可测,另一边；,实在不行则假设两边对称，以单边沿来推算。,74HC,管脚同,74LS,，但,4011,不同！,自学自练,示波器,Cursor,光标测量,操作,内容,2,：测量门传输延迟时间,信号源的,数字电平方波,(,同步,),输出,TTL,波形,3V,的,CMOS,波形,15V,的,CMOS,波形,数字电平方波,信号来自,同步输出,，数字,实验常用,到。,只方波,，能调频率和占空比，,幅度,则由,右边旋钮,调！,内容,3,：测量电压传输特性,在示波器上用,X-Y,显示方式,观察曲线，并用坐标纸描绘出特性曲线，在曲线上标出,V,OH,、,V,OL,、,V,ON,、,V,OFF,，,计算,V,NH,、,V,NL,。,相关仪器操作还记得否？,直流电平,&,直流耦合,& 0,电平指示,X-Y,显示切换，,X-Y,下定原点，读数,示波器,X-Y,方式操作,操作要点：,（,1,）确认,CH1,、,CH2,信号本身正确。正常,YT,方式，,CH1,输入，,CH2,输出，（耦合直流，垂直灵敏度合适）,两通道,零电平位置重合,并对准屏幕中线，,之后不要再随意动通道,Position,。（,或 直接在,X-Y,显示下确定坐标原点,）,（,2,）切换模式。,TekTDS,示波器：,Display,命令键，屏显菜单中“格式”。,DS2000,示波器：水平调节菜单键，屏显菜单中“时基”。,由,YT,XY,。,（,3,）,确定,XY,坐标系,（原点在屏幕中心点 或 操作确定），,根据垂直灵敏度读取关键点数据，作图！,X-Y,方式,：,CH1,X,轴接电路输入,信号，,CH2,Y,轴接电路输出,信号，所以构成的曲线称为电路的,输入输出传输特性,曲线。,还记得么？,74LS00,电压传输特性,根据原点和通道垂直灵敏度，从电压传输特性曲线上,直接读出,其主要静态参数具体数值并标记，如,V,OH,、,V,OL,、,V,ON,、,V,OFF,以及,V,NH,、,V,NL,。,门输出翻转时，出现负电压毛刺之类不稳定现象，可以在负载电阻上并联,0.01uF,电容（降低速度）。,CD4011,电压传输特性,芯片管脚图（,74HC,与,LS,相同，与,40xx,不相同,）,数字芯片工作电源及布线问题,Vcc/V,DD,+5V,，,GND/Vss,电源负极，公共地,常用于数字实验的,固定,5V,电源,专线分色；缺口齐左；利用边条，横平竖直，不要跨片飞线！,选做内容：,OC,门的应用,教材,p129,面 实验内容,8,估算并选取适当电阻，再根据实际（二极管不能过亮或太暗）调整。,74LS03,是,OC,二输入与非门，虽,管脚定义与,74LS00,相同,，但输出要加上拉电阻。,1,电源,5V,核对,无误，再接入！尽量用,固定,5V,端,。,2,普通TTL,、,CMOS,门输出端不能短路、线与；,3,用到的门的多余输入端处理方法：,TTL,与非门、与门：并联、接,+5V,、悬空,TTL,或非门、或门：并联、接地、悬空,CMOS,电路的任何多余输入端均不能悬空,！,4.,示波器“通道设置”务必保持“,直流耦合,”，否则容易发生方波波形畸变！,5.,信号发生器注意数字,/,模拟方波不同输出口！,注意事项,小结,实验报告要求,内容,1,电路图,（,电路图上要标注实际用芯片及引脚号,）,和结果表格。,内容,2,电路图，测量值及,t,pd,计算结果。,内容,3,传输特性图（,坐标系、原点、特征静态参数值全部要标明，传输特性混乱部分只需示意,）。,内容,4,的电路图（,标明引脚号,），参数计算过程，实验实际波形。,思考题,p130,题,3,4,5,6,。,下次实验,请完成预习报告,（注意有设计要求）,