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实验一逻辑门电路的逻辑功能及测试 实验报告 实验内容及步骤 实验原理 实验环境 实验目的要求 1 2 3 4 5 一 实验目的要求 1 掌握TTL集成与非门的逻辑功能和主要参数的测试方法 2 掌握TTL器件的使用规则 3 进一步熟悉数字电路实验装置的结构 基本功能和使用方法 参见 计算机组成原理实验指导书 数字电路 1 5V直流电源2 逻辑电平开关3 逻辑电平显示器4 直流数字电压表5 直流毫安表6 直流微安表7 74LS20 2 1K 10K电位器 200 电阻器 0 5W 二 实验仪器及材料 三 实验原理 本实验采用四输入双与非门74LS20 即在一块集成块内含有两个互相独立的与非门 每个与非门有四个输入端 其逻辑框图 符号及引脚排列如图5 174LS20逻辑框图 逻辑符号及引脚排列图 a b c 所示 1 与非门的逻辑功能与非门的逻辑功能是 当输入端中有一个或一个以上是低电平时 输出端为高电平 只有当输入端全部为高电平时 输出端才是低电平 即有 0 得 1 全 1 得 0 其逻辑表达式为2 TTL与非门的主要参数 1 低电平输出电源电流ICCL和高电平输出电源电流ICCH与非门处于不同的工作状态 电源提供的电流是不同的 ICCL是指所有输入端悬空 输出端空载时 电源提供器件的电流 ICCH是指输出端空截 每个门各有一个以上的输入端接地 其余输入端悬空 电源提供给器件的电流 通常ICCL ICCH 它们的大小标志着器件静态功耗的大小 器件的最大功耗为PCCL VCCICCL 手册中提供的电源电流和功耗值是指整个器件总的电源电流和总的功耗 ICCL和ICCH测试电路如图5 2TTL与非门静态参数测试电路图 a b 所示 注意 TTL电路对电源电压要求较严 电源电压VCC只允许在 5V 10 的范围内工作 超过5 5V将损坏器件 低于4 5V器件的逻辑功能将不正常 三 实验原理 三 实验原理 图5 2TTL与非门静态参数测试电路图 2 低电平输入电流IiL和高电平输入电流IiH IiL是指被测输入端接地 其余输入端悬空 输出端空载时 由被测输入端流出的电流值 在多级门电路中 IiL相当于前级门输出低电平时 后级向前级门灌入的电流 因此它关系到前级门的灌电流负载能力 即直接影响前级门电路带负载的个数 因此希望IiL小些 三 实验原理 IiH是指被测输入端接高电平 其余输入端接地 输出端空载时 流入被测输入端的电流值 在多级门电路中 它相当于前级门输出高电平时 前级门的拉电流负载 其大小关系到前级门的拉电流负载能力 希望IiH小些 由于IiH较小 难以测量 一般免于测试 IiL与IiH的测试电路如图5 2TTL与非门静态参数测试电路图 c d 所示 3 扇出系数NO扇出系数NO是指门电路能驱动同类门的个数 它是衡量门电路负载能力的一个参数 TTL与非门有两种不同性质的负载 即灌电流负载和拉电流负载 因此有两种扇出系数 即低电平扇出系数NOL和高电平扇出系数NOH 通常IiH IiL 则NOH NOL 故常以NOL作为门的扇出系数 NOL的测试电路如图5 3扇出系数试测电路所示 门的输入端全部悬空 输出端接灌电流负载RL 调节RL使IOL增大 VOL随之增高 当VOL达到VOLm 手册中规定低电平规范值0 4V 时的IOL就是允许灌入的最大负载电流 则通常NOL 8 4 电压传输特性门的输出电压vO随输入电压vi而变化的曲线vo f vi 称为门的电压传输特性 通过它可读得门电路的一些重要参数 如输出高电平VOH 输出低电平VOL 关门电平VOff 开门电平VON 阈值电平VT及抗干扰容限VNL VNH等值 测试电路如图5 4传输特性测试电路所示 采用逐点测试法 即调节RW 逐点测得Vi及VO 然后绘成曲线 三 实验原理 三 实验原理 图5 4传输特性测试电路 图5 3扇出系数试测电路 5 平均传输延迟时间tpdtpd是衡量门电路开关速度的参数 它是指输出波形边沿的0 5Vm至输入波形对应边沿0 5Vm点的时间间隔 如图5 5传输延迟特性与平均传输延迟时间所示 三 实验原理 a 传输延迟特性 b tpd的测试电路 图5 5传输延迟特性与平均传输延迟时间 图5 5传输延迟特性与平均传输延迟时间 a 中的tpdL为导通延迟时间 tpdH为截止延迟时间 平均传输延迟时间为 tpd的测试电路如图5 5传输延迟特性与平均传输延迟时间 b 所示 由于TTL门电路的延迟时间较小 直接测量时对信号发生器和示波器的性能要求较高 故实验采用测量由奇数个与非门组成的环形振荡器的振荡周期T来求得 其工作原理是 假设电路在接通电源后某一瞬间 电路中的A点为逻辑 1 经过三级门的延迟后 使A点由原来的逻辑 1 变为逻辑 0 再经过三级门的延迟后 A点电平又重新回到逻辑 1 电路中其它各点电平也跟随变化 说明使A点发生一个周期的振荡 必须经过6级门的延迟时间 因此平均传输延迟时间为 三 实验原理 三 实验原理 TTL电路的tpd一般在10nS 40nS之间 74LS20主要电参数规范如表5 174LS20主要电参数表所示表5 174LS20主要电参数表 五 实验内容及步骤 在合适的位置选取一个14P插座 按定位标记插好74LS20集成块 1 验证TTL集成与非门74LS20的逻辑功能 按图5 674LS20参数测试电路原理图接线 门的四个输入端接逻辑开关输出插口 以提供 0 与 1 电平信号 开关向上 输出逻辑 1 向下为逻辑 0 门的输出端接由LED发光二极管组成的逻辑电平显示器 又称0 1指示器 的显示插口 LED亮为逻辑 1 不亮为逻辑 0 按表5 2的真值表逐个测试集成块中两个与非门的逻辑功能 74LS20有4个输入端 有16个最小项 在实际测试时 只要通过对输入1111 0111 1011 1101 1110五项进行检测就可判断其逻辑功能是否正常 五 实验内容及步骤 图5 674LS20参数测试电路原理图 五 实验内容及步骤 2 74LS20主要参数的测试 1 分别按图5 2 5 3 5 5 b 接线并进行测试 将测试结果记入表5 3中 2 接图5 4接线 调节电位器RW 使vi从OV向高电平变化 逐点测量vi和vO的对应值 记入表5 4中 六 原始数据 1 验证TTL集成与非门74LS20的逻辑功能 六 原始数据 2 74LS20主要参数的测试 1 74LS20主要参数 2 传输特性测试表 1 记录 整理实验结果 并对结果进行分析 2 画出实测的电压传输特性曲线 并从中读出各有关参数值 七 实验数据处理及思考题 实验一讲解结束实验开始