数字电子技术实验1TTL门.ppt

数字电子技术实验 张学文 双踪示波器 数字电子技术实验 TTL集成逻辑门的功能与参数测试CMOS集成逻辑门的功能验证与参数测试TTL集电极开路门与三态输出门的应用组合逻辑电路的设计与测试译码器及其应用数据选择器及其应用触发器及其应用计数器及其应用智力竞赛抢答装置电子秒表集成定时器 实验2 1TTL集成逻辑门的参数测试 预习要求实验目的实验器件实验原理实验内容实验重点实验难点实验报告实验操作要点思考题 预习要求 熟悉实验台与实验箱的功能及构造 认真阅读教材附录2 了解集成电路的品种代号及功能 了解TTL与非门主要参数的定义和意义 熟悉各测试电路 了解测试原理和测试方法 熟悉TTL与非门74LS20的外引线排列 自拟实验数据表格 实验目的 掌握集成与非门的主要参数 特性的意义及测试方法 熟悉数字电子技术实验箱的基本功能和使用方法 数字电路实验箱具有的功能简介 电源 5V 5V 12V 12V 15V 15V等 1 1000Hz脉冲信号 正负两路单次脉冲 复位信号等 8 16位逻辑开关 8 16位电平指示器 BCD译码显示器 其它 逻辑笔 拨码开关等 实验器件 EEL 08组件或数字电路实验箱示波器直流电压表毫安表4输入双与非门74LS20 电阻 680 200 1K共3个电位器 1K 10K共2个 实验操作要点及注意事项 1 将集成块缺口向右插到实验箱上的中心槽上下两侧 牢固后按要求插接连线 2 接通电源前应先检查稳压电源是否为 5V 连线是否有误 以防烧坏集成块 实验原理 随着半导体技术的发展 现代电子技术已经能把电路中的半导体器件 电阻 电容及连线都制作在一块半导体基片上 构成一个完整的电路 并封装在一个管壳内 这就是集成电路 与分立元件相比 集成电路具有体积小 重量轻 可靠性高 寿命长 功耗小 成本低和工作速度快等优点 因此 在数字电路领域中 集成电路几乎取代了所有分立元件电路 目前 应用最广的集成电路是和这两类集成门电路 当前 数字电路中仍然经常使用的大量的逻辑门 如与门 非门 或门 与非门 或非门等 以与非门使用为例 电路中使用的与非门应能满足设计要求 以保证电路可靠 稳定的工作 但与非门的性能指标在制造过程中就已确定了 无法对它的参数进行调整 因此 在使用前对它进行严格挑选就显得十分必要了 挑选的程序之一 便是对其进行参数测试 万用表测量与非门电路情况表 集成块外形图 如 TTL门电路芯片 四2输入与非门 型号74LS00 地GND TTL门电路芯片简介 外形 电源VCC 5V 常用TTL逻辑门电路 TTL门电路的主要技术参数 1 输出高电平 低电平 高电平 3 4V 4V以上 低电平 0 3V 0 4V以下 2 阈值电压 UTH 1 4V 高电平 74LS 内部逻辑图及引脚排列如图2 1 l a b 所示 与非门74LS20的逻辑功能表 与非门的逻辑功能 与非门的逻辑功能是 当输入端有一个或一个以上的低电平时 输出端为高电平 只有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 对与非门进行测试时 门的输入端接逻辑开关 开关向上为逻辑 1 向下为逻辑 0 门的输出端接电平指示器 发光二极管亮为逻辑 1 不亮为逻辑 0 基本测试方法是按真值表逐项测试 但有时按真值表逐项进行测试似嫌多余 对于有四个输入端的与非门 它有十六项最小项 实际上只要按表2 1 1所示的五项进行测试 便可以判断此门的逻辑功能是否正常 表2 1 1 与非门的主要参数 导通电源电流与截止电源电流低电平输入电流与高电平输入电流扇出系数电压传输特性平均传输延迟时间 与非门74LS20的主要参数扇出系数NO 电路正常工作时能带动的同类门的数目称为扇出系数NO 输出高电平VOH 一般VOH 2 4V 3 输出低电平VOL 一般VOL 0 4V 4 高电平输入电流IIH 指当一个输入端接高电平 而其它输入端接地时从电源流过高电平输入端的电流 导通电源电流与截止电源电流 与非门在不同的工作状态 电源提供的电流是不同的 是指输出端空载 所有输入端全部悬空 与非门处于导通状态 电源提供器件的电流 是指输出端空截 输入端接地 与非门处于截止状态 电源提供器件的电流 测试电路如图2 1 2 a b 所示 通常 它们的大小标志着与非门在静态情况下的功耗大小 其导通功耗 2 1 1 而截止功耗为 2 1 2 由于导通电源电流较大 一般手册中给出的功耗是指导通功耗 低电平输入电流与高电平输入电流 高电平输入电流是被测输入端接高电平 其余输入端接地 流入被测输入端的电流 如图2 1 3 b 所示 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 它的大小关系到前级门的拉电流负载能力 因此希望高电平输入电流小 由于高电平输入电流较小 难以测量 所以一般免于测试此项内容 低电平输入电流与高电平输入电流 低电平输入电流是指被测输入端接地 其余输入端悬空 由被测输入端流出的电流 如图2 1 3 a 所示 在多级门电路中它相当于前级门输出低电平时 后级向前级门灌入的电流 因而它的大小关系到前级门的灌电流负载能力 因此希望低电平输入电流小些 低电平输入电流与高电平输入电流及扇出系数测量电路图 扇出系数 扇出系数是指门电路能驱动同类门的个数 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灌电流负载和拉电流负载 因此有两种扇出系数 低电平扇出系数和高电平扇出系数 低电平扇出系数测试电路如图2 1 4所示 门的输入端全部悬空 输出端接灌电流负载 调节可变电阻使灌入的负载电流增大 输出电压随之增高 当输出电压达到低电平的最大值 手册中规定低电平规范值0 时的就是允许灌入的最大负载电流 则扇出系数大小主要受输出低电平时输出端允许灌入的最大负载电流的限制 如灌入的负载电流超出该值 输出低电平将显著升高 以致造成下级门电路的误动作 高电平扇出系数 通常 所以 故常以低电平扇出系数作为门的扇出系数 电压传输特性 与非门的输出电压随输入电压而变化的曲线称为电压传输特性 如图2 1 5所示 它是门电路的重要特性之一 通过它可知道与非门的一些重要参数 如输出高电平 输出低电平 关门电平 开门电平 阈值电平及抗干扰容限等 关门电平 在保证输出为额定高电平 3V 的90 2 7V 的条件下 允许的输入低电平的最大值 0 8V 开门电平 在保证输出为额定低电平 0 35V 的条件下 允许的输入高电平的最小值 1 8V 阈值电平 将转折区的中点所对应的输入电压称为门的阈值电平 一般1 4V 电压传输特性的测试方法 电压传输特性的测试方法很多 最简单的方法是逐点测试法 测试电路如图2 l 6所示 调节电位器 逐点测出输入电压及输出电压绘成曲线 图2 1 5所示 电压传输特性图 平均传输延迟时间测量图 TTL集成电路使用注意事项 以TTL与非门为例 接插集成块时 要认清定位标记 不得插反 图2 1 9 电源电压 4 5 5 5V之间 实验中要求使用 5V 电源绝对不允许接错 闲置输入端处理方法 a 悬空 相当于正逻辑 1 对一般小规模电路的输入端 实验时允许悬空处理 但是输入端悬空 易受外界干扰 破坏电路逻辑功能 对于中规模以上电路或较复杂的电路 不允许悬空 b 直接接入 5V 或串入一适当阻值电阻接入 5V c 若前级驱动能力允许 可以与有用的输入端并联使用 输出端不允许直接接电源或直接接地 否则将导致器件损坏 除集电极开路输出器件和三态输出器件外 不允许几个器件输出端并联使用 否则 不仅会使电路逻辑功能混乱 还会导致器件损坏 实验注意事项 安全用电 首先检查芯片能否正常工作 以及导线是否导通 电路连接完成之后检查无误再接通电源 特别注意74LS20的地与电源引脚不能接错 注意万用表电压与电流档的选择 实验内容 测量 5V电源检测逻辑开关及电平指示功能检测译码显示器 LS 主要参数的测试 实验检测 测量电源 用万用电表测量电源的输出值是否与其标称值相符 若不符则予以调整 检测逻辑开关及电平指示功能 1 用导线把一个逻辑开关的输出端与一个电平指示器的输入端相连接 将逻辑开关置 0 位 电平指示器应该不亮 将逻辑开关置 1 位 电平指示器应该亮 依此类推 检测所有的逻辑开关及电平指示功能是否正常 2 给示波器输入脉冲信号 调节频率旋钮 可观察到脉冲信号的波形 改变脉冲信号的频率 示波器上的波形也应随之发生变化 将正 负单次脉冲信号和复位信号分别与一个电平指示器相连接 每当按一下按钮时 可观察到它们的初始状态会发生改变以及自动恢复原态 检测译码显示器 用导线将四个逻辑开关分别与一位译码显示器的四个输入端相连接 按8421码进位规律拨动逻辑开关 可观察到译码显示器上显示出0 十个数字 验证集成与非门的逻辑功能 取任一个与非门按图2 1 9连接实验电路 用逻辑开关改变输入端A B C D逻辑电平 输出端接电平指示器及数字电压表 逐个测试集成块中两个门 测试结果记入表2 1 1中 表2 1 1 导通电源电流 按图2 l 2 a 接线 测试结果记入表2 1 3中 截止电源电流 按图2 1 2 b 接线 注意此时应将两个与非门的所有输入端都接地 测试结果记入表2 1 3中 低电平输入电流 按图2 1 3 a 接线 测试结果记入表2 1 3中 扇出系数 按图2 1 4接线 调节电位器 使输出电压为0 4V 测量此时的允许灌入的最大负载电流 计算出低电平扇出系数 记入表2 1 3中 表2 1 3 电压传输特性 按图2 1 6接线 调节电位器 使输入电压从0V向高电平变化 逐点测量输入电压和输出电压的对应值 记入表2 1 4中 用示波器观察电压传输特性曲线 测试电路如图2 1 6 将输入电压接入示波器X轴输入端 EXT端 输出电压接Y轴 CH1或CH2 输入端 调节电位器 在屏幕上可显现输出电压随输入电压变化光点移动轨迹 即电压传输特性曲线 示波器触发极性开关应置外接处 平均传输延迟时间 按图2 1 8连接线路 用频率计测量振荡频率 求出平均传输延迟时间 表2 1 4 实验重点 TTL与非门的参数测试TTL集成电路的正确使用 实验难点 用示波器观测电压传输特性曲线TTL与非门平均传输延迟时间的测量 实验报告要求 1 复习 整理实验结果2 把测得的与非门各参数值与它的规范值进行比较 3 画出实测电压传输特性曲线 并从中读出各有关参数值 实验参考数据 表1 1 1 VOH和VOL的测试结果