数字电子技术应用(项目教程).ppt

书名：数字电子技术应用（项目教程） ISBN： 978-7-111-35079-8 作者：段有艳 出版社：机械工业出版社 本书配有电子课件 数字电子技术应用（项目教程） ppt 课件 任务引入： 设计一个楼上、楼下开关都能控制楼梯灯打开和关闭 的控制电路，使得在上楼前，可以用楼下开关打开灯，上楼 后，能用楼上开关关掉灯；或者在楼上，能用楼上开关打开 灯，下楼后，用楼下开关关掉灯。 数字电子技术应用（项目教程） ppt 课件 本项目所涉及的电路是我们生活中常用的一个双 控电路，楼上、楼下安装的开关均为单刀双掷开关， 上楼前在楼下开灯，上楼后关灯；反之下楼前，在楼 上开灯，下楼后关灯。只要使两个开关同时满足闭合 和断开时，楼梯灯灭，而其中一个开关闭合，一个开 关断开时楼梯灯亮，即可实现对楼梯灯的控制。显然 ，楼梯灯的状态（亮与灭）是开关状态（闭合与断开 ）的函数。 数字电子技术应用（项目教程） ppt 课件 任务1 楼梯灯控制电路最简逻辑表达式 任务2 逻辑表达式的互换 任务3 由集成门电路实现楼梯灯的控制 任务4 相关知识扩展 数字电子技术应用（项目教程） ppt 课件 1.列写真值表 2.根据真值表得到输出逻辑函数的最小项 表达式 3.化简逻辑表达式 数字电子技术应用（项目教程） ppt 课件 1.列写真值表 （1）定义输入、输出变量及其取值 根据 题目的逻辑要求，确定输入、输出变量并 赋值。 楼上开关 A 电灯 Y 楼下开关 B A、B闭合为“1”，断开为“0”，灯亮为“1”， 灯灭为“0”。 数字电子技术应用（项目教程） ppt 课件 （2）根据逻辑功能列写真值表 要满足上楼 前，用楼下开关打开灯，上楼后，能用楼上开关 关掉灯；或者在楼上，能用楼上开关打开灯，下 楼后，用楼下开关关掉灯的电路要求，只需要使 两个开关同时满足闭合和断开时，灯灭，只有1 个开关闭合时，灯亮，就能满足楼梯灯控制要求 。写出真值表见表2-1。 数字电子技术应用（项目教程） ppt 课件 ABY 000 011 101 110 表2-1 楼梯灯真值表 数字电子技术应用（项目教程） ppt 课件 2.根据真值表得到输出逻辑函数的最小项表 达式 可见是异或关系。 3.化简逻辑表达式 该表达式已经是最简，无需再化简了。 数字电子技术应用（项目教程） ppt 课件 虽然一个逻辑函数的真值表是唯一的，但 是一个逻辑函数的表达式却是形式多样的， 根据逻辑函数各组成变量之间的逻辑先后关 系可构成不同的表达式，如与或式、或与式 、与非与非表达式、或非或非表达式、与或 非式等，它们之间是可以相互转换的。 数字电子技术应用（项目教程） ppt 课件 1.最简与或表达式 在本项目中，得 到的逻辑表达式Y= 就 是最简与或表达式， 无需再化简，函数Y= 的逻辑电路图如图2-1 所示。 图2-1 楼梯灯控制电路 与或表达式逻辑电路图 数字电子技术应用（项目教程） ppt 课件 利用前面在项目1中介绍的逻辑函数的常 用公式，可以将上面的与或表达式进行转换 ，获得先或后与的或与表达式，转换过程如 下： 图2-2 最简或与表达式逻辑电路图 仍然用与或式来变型，通过变换得到与非 与非表达式，即表达式的关系是先与非，然 后总的再与非，关系转换过程如下： 图2-3 与非与非表达式逻辑电路图 或非或非表达式，就是表达式的结构为先 或非，然后总的再或非，表达式关系转换的 过程如下： 图2-4 或非或非表达式逻辑电路图 与或非表达式的关系有三层，先后顺序是 先与后或再非，其表达式关系变换过程如下 ： 图2-5 与或非表达式逻辑电路图 1.基本逻辑门电路 2.复合逻辑门电路 3.TTL集成门电路 4.通过集成门实现楼梯灯控制电路 由前面的分析可以看出本电路的输出结果（灯是 否亮）仅仅只与输入信号当前的状态（两个开关是否 闭和）有关，是组合逻辑电路，电路的实现需要将设 计好的逻辑电路图搭建成逻辑电路，通过电路来实现 功能。门电路是指只有一个或多个输入，但只有一个 输出的开关电路，门电路的输入和输出之间存在一定 的因果关系，即逻辑关系，所以又称为逻辑门电路。 能实现基本逻辑关系（与、或、非）的门电路， 我们把它称作基本逻辑门电路。即与门、或门、非门 电路。 （1）由二极管组成的与门电路和或门电路 与门 电路和或门电路通常通过二极管、电阻等元器件来实 现，主要利用了二极管的导通条件和钳位作用，在由 二极管和电阻组成的基本门电路中，A、B是输入变量 ，Y是输出变量，在此采用正逻辑 在数字电路中，通常 采用正逻辑，高电平为“1”，低电平为“0”，我们设3V以 上为高电平，1V以下为低电平。 图2-6 二极管组成的与门电路 图2-7 二极管组成的或门电路 图2-6所示电路进行分析后发现， 只有当输入A、B均为高电平时， 输出才为高电平，符合与逻辑关 系，即逻辑表达式为：YAB 或者YAB。 对图2-7所示电路进行分析后发现 ，输入变量A、B中只要有一个为 高电平，则输出就为高电平，符 合或逻辑关系，即逻辑表达式为 ：Y=A+B。 非门电路由晶体管、电阻等组成，如图2- 8所示，当输入A为高电平时，晶体管导通， 输出Y为低电平，而输入为低电平时，晶体管 截止，输出为高电平。因此，输出与输入的 电平之间是反相关系，称之为非门（亦称反 相器）。即逻辑表达式为： 。 图2-8晶体管非门电路 能实现复合逻辑的复合逻辑门电路通常也 是由二极管、晶体管和一些电阻元件组成， 常用的复合门电路有二极管-晶体管与非门电 路、二极管-晶体管或非门电路。 将二极管的与门的输出与晶体管非门连接 起来，就构成图2-9所示的与非门电路。 图2-9 与非门电路 将二极管的或门的输出与晶体管非门连接 起来，就构成图2-10所示的或非门电路。 图2-10 或非门电路 其它常用的复合门电路还有与或非门、异 或门、同或门等。 由分立元件组成的逻辑门电路，在实际使用 中成本低，结构简单，但是输入与输出的高低电 平数值不相等，带负载的能力差，而且连线和焊 点太多，可靠性差，为此，人们研制出了各种数 字集成逻辑门，它的成本更低，可靠性高，且便 于安装调试。分立元件组成的门电路通常只偶尔 用于集成门电路的部分电路。 TTL集成门电路是晶体管晶体管（ Transistor-Transistor Logic）集成逻辑门电路的简 称。这种电路的输入和输出端结构都采用了半导 体晶体管。典型TTL与非门电路的内部构成如图 2-11a所示，该集成电路的应用比较普遍，它由 输入级、中间级、输出级三部分组成。其逻辑符 号如图2-11b所示。 图2-11 TTL与非门 a）电路图 b）与非门逻辑符号 经分析，电路的输出和输入之间满足与非逻辑关 系： 1）常用TTL集成门电路封装。封装就是指把硅片上 的电路引脚，用导线接引到外部接头处，以便与其它器件 连接，不同的芯片可以有相同的封装。封装形式是指安装 半导体集成电路芯片用的外壳。它不仅起着安装、固定、 密封、保护芯片及增强电热性能等方面的作用，而且还通 过芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引 脚又通过印刷电路板上的导线与其它器件相连接，从而实 现内部芯片与外部电路的连接。封装主要分为DIP双列直 插和SMD贴片扁平封装两种。 2）芯片引脚识别。一般TTL产品多数都是采用双列直插式 封装结构，有的采用扁平式封装结构。图2-12a为14引脚的外形 图，面对芯片，将半圆弧形凹口置于上端，则从凹口左下角开始， 沿逆时针方向数起，顺序为1、2、3、7、8、14。扁平 封装式的同样，从标记端开始，按逆时针排列。 图2-12 TTL集成门电路引脚排列 我国现行标准是参照国际标准制定的，同一品名的 TTL器件，如中国的CT7400，美国的摩托罗拉（ MOTOROLA）公司的MC7400，日本日立（HITACHI） 公司的HD7400，除标明国家或公司的前缀不同外，后面 的7400完全一致，说明是同一系列的通用型，为器件的互 换带来了方便。我国TTL集成电路分为CT54和CT74两大 系列，CT54系列产品常用于军品或野外条件较恶劣的环境 ，其电压允许工作范围更宽。CT74系列产品常用于民品和 一般数字系统，适用于室内或一般环境。部分常用TTL集 成电路见教材中表2-2。 以典型的TTL与非门器件74LS00为例，其功 能图如图2-13所示，其内部含有4个2输入端与非 门，共有14个引脚。封装引脚排列图如图2-12所 示。其余常用TTL集成电路芯片的引脚排列如图 2-14所示。图2-14a）为二4输入与非门74LS20， 图2-14b）为四2输入或非门74LS02，图2-14c）为 六反相器74LS04。 顶 视 图2-13 74LS00引脚排列图 a）二4输入与非门74LS20 b）四2输入或非门74LS02 c）六反相器74LS04 图2-14 常用TTL集成电路芯片引脚排列功能图 表2-3 TTL器件的组成符号及意义 在项目2中，楼梯灯控制电路的实现，可以根据 得到的表达式，用表达式中相应逻辑关系对应的门电 路来实现。在本项目中，根据楼梯灯的最简逻辑表达 式：Y ，选择需要的芯片：因为是异或关 系，查集成电路电气手册，可以选用四2异或门 74LS86 芯片一个，其接线图如图2-15所示，7脚GND 端是接地端，14脚VCC是直流电源供给端，按要求进 行相应连接即可。 图2-15 楼梯灯电路接线图 在实际情况中，通常遇到的情况是手头有什么 芯片，就用什么芯片来实现电路，这时，就可以利 用任务2中介绍的表达式之间的相互转换，来得到所 需要的表达式形式。 例如项目1设计的交通信号灯工作状态显示电路 ，经过化简得到的是最简与或表达式，若要求用与 非门来实现，则需要对已经获得的最简与或表达式 进行变换，可以利用反演率，得到与非与非表达式 ，转换过程为： 图2-16 交通信号灯与非门逻辑示意图 从逻辑电路图中可以看出，共需要二输入 与非门五个，四输入与非门两个，所以选择 74LS00四2输入与非门芯片两片，74LS20双四 输入与非门芯片一个，交通信号灯工作状态 显示电路的实际接线如图2-17所示。 图2-17 交通信号灯工作状态显示电路接线图 数字信号中，只规定高电平的下限值和低 电平的上限值，凡大于等于高电平下限值（ 2.4V）的都认为是高电平“1”，凡是小于等于 低电平的上限值（0.4V）的都认为是低电平 “0”，不研究其具体数值。 （1）电路组成 在所有的集成电路中，与非 门应用最普遍，它由输入级、中间级、输出级三 部分组成。 1）输入级。由多发射极晶体管VT1和电阻R1 组成，其作用是对输入变量A、B、C实现逻辑与 ，所以它相当一个与门。多发射极晶体管及其等 效形式如图2-19所示。 图2-19 多发射极晶体管及其等效形式 2）中间级。由VT2、R2、R3组成，在VT2的 集电极与发射极分别可以得到两个相位相反的电 压，以满足输出级的需要。 3）输出级。由VT3、VT4、VT5和R4、R5组成 ，这种电路形式称推拉式电路，它不仅输出阻抗 低，带负载能力强，而且可以提高工作速度。 1）输入端至少有一个接低电平（0.3V）。VT1管 低电平所对应的PN结（发射结）导通，比如A接低电 平，则有 UB1 = UA + UBE1 =0.3 V +0.7 V = 1V，则VT1的 基极电位被固定在1V上，与其连接的VT2、VT5的发射 结均因反偏而截止.，因VT2截止，所以其集电极电位 约为+5V，该电位可使VT3、VT4导通并处于深度饱和 状态。R2上的电压降忽略不计，得出电路输出高电平 为： 2）输入端全为高电平（3.6V）。VT1的基极电位被钳 制住：由“地”经VT5发射结到VT2发射结到VT1的集电极得到 ： VB1= VBC1+VBE2+VBE5 = 0.7V3 = 2.1V 所以VT1发射结反偏而集电结正偏.处于倒置放大状态 。在倒置情况下，电源经R1，VT1向VT2、VT5提供足够的电 流，使得VT2、VT5处于导通、深度饱和状态， VT3：VC2 = VCES2 + VBE51V，使VT3导通，VE3 = VC2- VBE3 = 1 V -0.7 V0.3V，使VT4截止。 因此输出为逻辑低电平VOL = 0.3V。 由此可见，电路的输出和输入之间满足与非逻辑关系 ： TTL与非门输入电压Ui与输出电压uo之间的关 系曲线即 uo = F（ui）如图2-20所示 图2-20 TTL与非门的电压传输特性 （1）输出高电平UOH、输出低电平UOL UOH 2.4V为高 电平“1”，U OL 0.4V 为低电平“0”，典型值UOH=3.4V，U OL=0.3V。 （2）阈值电压UTH UTH为输出高低电平的分界线。 UIUTH时，认为ui是高电平。uTH =1.4V。 （3）关门电平UOFF UOFF为保证输出为额定高电平UON 的90%的条件下，允许的最大输入低电平值。UOFF=0.8V。 （4）开门电平UON UON为保证输出为标准低电平UOL的 最小输入高电平值。UON=1.8V。 （5）低电平噪声容限UNL UNL为保证输出高电平不 低于额定值的90%时，允许叠加在输入低电平上的噪声（ 干扰）电压。UNL= UOFF-UOL=0.8 V -0.4 V =0.4V。 （6）高电平噪声容限UNH UNH为保证输出为低电平 的前提下，允许叠加在输入高电平上（极性与输入信号相 反）的噪声（干扰）电压。UNH=UOH -UON=3 V -1.8 V =1.2V 。 （7）扇出系数NO NO为一个与非门能够驱动同类与 非门的最大数目。扇出系数反映了与非门的带负载的最大 能力，该值越大，带负载能力越强。 在TTL集成与非门电路的基础上将输出级的T3、T4去掉 ，就构成集电极开路的与非门，简称OC门，如图2-21所示。 a）OC门电路图 b）OC门逻辑 符号 图2-21 OC门的电路图及逻辑符号 注意：集电极开路与非门只有在外接负载电阻RP和电源VCC后 才能正常工作。 1）实现“线与”功能。OC门的输出端并联在一起 ，实现”与”的逻辑功能，如图2-22所示，每个OC门单 独工作时，有 。将两个 OC门的输出端Y1、Y2连在一起后，由图可见，当任一 个OC门的所有输入端均为高电平时，其输出端输出才 为低电平；只有每个OC门的输入端中均有低电平时， 输出才呈高电平。即实现了“与”的功能，逻辑表达式 可写为： 。 图2-22 用OC门实现线与 与此对应，通常典型的TTL电路是不允许把输出 端直接连接在一起的，因为TTL与非门的输出电阻很 小，不管与非门是导通还是截止，其输出电阻都在几 欧姆几十欧姆之间，若将它们的输出端直接连在一 起，当一个输出高电平，一个输出低电平时，将从电 源到地形成一条低电阻的通路，将有一个很大的电流 流过，持续时间稍长，会因功耗过大使两个与非门 都损坏。 一部分OC门输出管尺寸设计得较大，可 以承受较大的电流和电压，输出端可以直接 驱动继电器、指示灯，负载电阻RL和电源VCC 等，可以根据情况选择。如图2-23、图2-24所 示。 图2-23 OC门驱动指示灯图 图2-24 OC门驱动小型继电器 OC门需外接电阻，所以电源VCC以选5 30V，因此OC门作为TTL电路可以和其它不 同类型不同电平的逻辑电路进行连接。 （1）定义 三态门是指逻辑电平的输出除 有高电平、低电平以外，还有第三种状态： 高阻态（或称禁止工作状态），也称TSL门。 其电路结构如图2-25a所示。 图2-25 三态输出门及其逻辑符号 （2）工作原理 EN端称为“使能端”。当 EN=1时：对T1没有影响；同时，二极管D 截止 ，对T2、T3也没有影响，原非门电路正常工作 。当EN=0时：T1输入端被封锁，UB1为低电平， T2、T4截止；同时，二极管D 导通，T3基极为 低电平，T3截止。T3、T4均截止，非门电路输 出为高阻状态。 图2-25b所示逻辑符号为使能端高电平有效，即当 EN=1时，二极管D截止，电路工作于与非的工作状态， 输出 ，当EN=0时，T1管基极电压小于1V，使得T2、T5 截止，同时，由于D导通，使得T3基极电压也小于1V， T4管也截止，所以输出端呈现悬空的状态，及所谓的高 阻状态。 图2-25c所示逻辑符号为使能端低电平有效，当 时 ，时，二极管截止，电路处于正常的与非门工作状态， 即输出 ；当 时，T2、T5、T4均截止，输出端呈现高电阻 状态。 三态门的应用 三态门主要是在计算机系统中应用，数据总线可 以实现数据的单向传输，也可以是双向传输。 由三态门构成数据的单向总线结构如图2-25 所示，由三态门构成数据的双向传输如图2-26所 示。三态门G1为使能端高电平有效，G2为使能 端低电平有效，当EN=1时，G1门处于工作状态 ，G2处于高阻状态，输入D0经G1输出 到总线上 ，而当EN=0时，G1门处于高阻状态，G2处于工 作状态，来自总线的数据D1经G2输出 ，通过控 制使能端的取值，可以控制数据的双向传输。 除了前面讲述的TTL与非门、OC门、三 态门之外，还有TTL与门、或门、非门、或非 门、同或门、异或门等，都是由前面几种变 换而来的。 （1）多余输入端的处理 在使用集成门电 路时，如果输入信号数小于门的输入端数， 则可能出现多余输入端，对于多余输入端的 处理，一般不允许悬空，主要是为了防止有 电磁干扰信号从多余输入端流入，通常是以 不改变电路工作状态及稳定可靠性为主。 对于TTL与非门，多余 输入端通常是通过13 k的 电阻与电源相连，也可以将多 余输入端与另一输入信号的输 入端相连。在图2-27中，A、B 为输入信号端，其余一端为多 余输入端，与非门多余输入端 的处理如图2-28(a)、(b)所示， 其它与门处理方法与与非门相 同。 图2-28 TTL门电路多余 输入端的处理 或非门的多余输 入端应接地，或与其 它有输入信号的输入 端相连，如图2-28(c) 、(d)所示。TTL门电 路的多余输入端均可 以通过与其它输入信 号的输入端相连。 图2-28 TTL门电路多余输入端的处理 （2）电源电压 TTL电路的电源电压不能高于 5.5V，使用时不能将电源与地接错，否则会烧坏器件 。 （3）输入、输出端 输入端不能直接与高于5.5V 及低于-0.5V的低内阻电源相连，否则电流过大会使器 件烧，输出端不允许与电源或地短路，否则也会造成 器件损坏，除了OC门与三态门之外，输出端不允许并 联使用。 （4）芯片 拔插芯片时，应在断电的情况下进行 ，以免烧坏器件。 实现电路逻辑功能还可以选用CMOS集成门 电路来实现，MOS集成门电路是采用单极型场效 应管组成的门电路，分为NMOS型、PMOS型、 CMOS型，其中CMOS型为互补型门电路，其优 点是：功耗极低，开关速度大，开关能力强，带 负载能力好，抗干扰能力强等优点，所以应用范 围很广。 CMOS集成门电路沿着 4000A4000B74HC74HCT系列的方向高 速发展，既保持了低功耗的优势，又提高了 运行速