6门电路的应用.ppt

门电路综合应用 采用单元门电路可组成较复杂的逻辑应用电路 只要掌握门电路应用的一般规律 弄清各类门电路的用法及特点 就能根据实际需要设计出满足要求的应用电路 下面将介绍几种常用门电路的一般使用方法 2020 3 22 第二章 2 2 2 3 1三选二电路 问题的提出 由于检测危险的报警器自身也可能出现差错 因此为提高报警信号的可靠性 在每个关键部位都安置了三个同类型的危险报警器 如下图所示 只有当三个危险报警器中至少有两个指示危险时 才实现关机操作 这就是三选二电路 方框图 作出三选二电路真值表 根据真值表确定标准 与或 表达式 2020 3 22 第二章 2 3 用卡诺图将其化简为最简 与或 表达式 由该表达式画出三选二电路的逻辑图 1 1 1 1 写出逻辑表达式 提示在实际电路设计中常用与非门集成电路芯片 为此 用摩根定理进行如下变换 用与非门构成的三选二电路 2020 3 22 第二章 2 4 2 3 2产品分类电路 课题的提出 某产品出厂前 要检查4个重要参数A B C D是否在允许的误差范围之内 分别使用4种数字测量装置对这4个参数进行测量 若所测参数在允许范围内 装置输出高电平1 若测得的参数超出了允许范围 装置输出低电平0 产品分类真值表 逻辑关系的设计 当所有4个参数都在允许范围内时 电路的输出端L1为1 当只有B超出允许范围时 输出端L2为1 当只有B和D超出允许误差范围时 输出端L3应为1 在所有其他情况下 输出端L4为1 说明产品是废品 2020 3 22 第二章 2 5 写出逻辑表达式 写成与非形式的逻辑表达式 2020 3 22 第二章 2 6 满足以上逻辑关系的产品分类电路 如下图所示 2020 3 22 第二章 2 7 2 3 3门电路组成数字信号源 概述 实例 数字信号源可由产生脉冲波形的振荡电路构成 在数字电路的应用中 它可提供连续的且具有一定频率 周期 的脉冲信号 可作为微型计算机 单片机等数字电路的时钟信号源 1 可变频率TTL振荡器 电路 电路组成 由两个与非门G1 G2及电阻Rf1 Rf2 电容C1 C2组成 开机瞬间 脉冲电压作用在与非门输入端 经门电路放大 串联耦合电路将形成正反馈 使门电路迅速达到稳定状态 在稳定状态下 由于电容的充放电作用 经过一段时间后将改变某一与非门的输入电平 由于串联耦合电路正反馈的作用又使电路迅速达到新的稳定状态 如此周而复始 振荡器中各点的波形 如图所示 工作原理 2020 3 22 第二章 2 8 2 固定频率TTL振荡器 振荡周期的估算公式如下 假设C1 C2 Rf1 Rf2 Rf 可变频率TTL振荡器各点波形 提示 改变电路的器件参数C1 C2 Rf1 Rf2 输出波形的频率将随之改变 由于手册中一般不给出R1的确切值 可认为R1 4k 在上图电路基础上串联一个石英晶体即组成固定频率振荡器 其工作原理相同 但该电路的振荡频率是由石英晶体的固有振荡频率f0决定的 与电路中的外接电阻 电容的取值无关 2020 3 22 第二章 2 9 2 3 4门电路构成控制门 与门控制电路 电路与波形图 工作原理 这是由与门构成的开关控制电路 该电路可作为信号传送过程中的开关控制电路 A为信号输入端 K为控制端 L为信号输出端 当控制端K为低电平时 与门被封锁 输入信号无法通过与门 与门输出端L为低电平 当控制端K为高电平时 与门解除封锁 输入信号可通过与门送至输出端 或门控制电路 电路与波形图 工作原理 该电路 当控制端K为低电平时有信号输出 当控制端K为高电平时无信号输出 这种电路常用于报警信号控制 计数脉冲信号控制等场合 2020 3 22 第二章 2 10 2 3 4门电路组成单稳态触发器 什么是单稳态触发器 单稳态触发器具有两个开关状态 一个是稳定状态 另一个是非稳定状态 也称为暂态 单稳态触发器的工作特点 稳定状态 是指在加上馈电电压之后 单稳态触发器的输出端uO 1 或uO 0 而且该状态将一直保持下去 直到在输入控制信号的作用下 使触发器翻转到暂稳态为止 暂态 单稳态触发器的输出uO 0 或uO 1 该状态维持一段时间后将自动返回到稳定状态 暂态的维持时间由连接的阻容元件参数决定 2020 3 22 第二章 2 11 单稳态触发电路 1 微分型单稳态触发器逻辑电路 电路组成及器件作用 C1 R1构成输入微分隔直电路 其作用是使输入触发信号经微分后变窄 同时隔断直流成分 C2 R2为定时元件 门G1的输出端通过R2对C2充电 电容C2的充电时间即暂稳态时间 也称作输出脉冲宽度TW 其估算公式为TW 0 85R2C2 R1 要按门电路的 开门电阻 取值 即R1 RON RON 10k 开门电阻 保证与非门输出为额定低电平时所允许输入电阻Ri的最小值RON R2 要按门电路的 关门电阻 取值 即R2 ROFF ROFF 2k 关门电阻 保证与非门输出为额定高电平90 时所允许输入电阻Ri的最大值ROFF 2020 3 22 第二章 2 12 电路工作原理 无触发脉冲输入时 门G2的输入为低电平 输出为高电平 关门状态 并反馈至门G1输入端使门G1输出低电平 开门状态 电路处于稳定状态 微分型单稳态触发器及波形 当输入端加入负触发脉冲时 门G1输入低电平 输出为高电平 关门状态 通过C2耦合使门G2的输入为高电平 输出低电平 开门状态 反馈至门G1输入端 使门G1输出高电平 此时 电路处于暂稳状态 在暂稳状态下 门G1的输出端通过R2对C2充电 引起门G2输入端A的电位逐渐下降 若下降至低电平时 门G2的输出将变为高电平 使整个电路又回到原稳定状态 2020 3 22 第二章 2 13 2 积分型单稳态触发器逻辑电路 积分型单稳态触发电路 积分型单稳态触发器波形 提示 上述单稳态电路是宽脉冲 输入脉冲下降沿触发的微分型单稳态触发器 用门电路也可构成窄脉冲 上升沿触发的微分型单稳态触发器器 另外用门电路还能构成积分型单稳态触发器 如上图所示 在实际应用中常使用各种不同类型的集成单稳态触发器 3 单稳态触发器构成的定时控制脉冲门电路方框图及其波形图 用于移位电路 计数电路和存储电路等 2020 3 22 第二章 2 14 2 4常用IC门简介 由于集成电路 IC 的诸多优点 实际应用中人们更青睐于选用集成电路来完成各种逻辑控制和运算 它可以使电路的设计过程更加简单 结构更加合理 电路的故障率减少 可靠性提高 抗干扰性增强 这其中应用最普遍的是TTL系列和CMOS系列集成电路 本节内容提要 2 4 1TTL系列数字电路的分类及主要参数指标 2 4 2其他常用TTL门电路 2 4 3常用CMOS门电路 2020 3 22 第二章 2 15 2 4 1TTL系列数字电路的分类及主要参数指标 TTL系列数字电路分类 2 TTL系列数字电路的主要参数指标 3 TTL与非门输入特性和输出特性 TTL系列数字电路分类 按集成度大小分类 按逻辑功能分类 按国家标准分类 小规模集成电路中规模集成电路大规模集成电路超大规模的集成电路 CV54 74系列CV54 74H系列CV54 74S系列CV54 74LS系列 小规模集成电路 小规模集成电路集成度比较低 大多数是与门 或门 与非门 或非门 与或非门 反相器 三态门 锁存器 触发器 单稳态 多谐振荡器 以及一些扩展门 缓冲器 驱动器等比较基本 简单 通用的数字逻辑单元电路 可以根据电路设计需要利用手册从中选择适用的电路构成所需的各种数字逻辑电路 中规模集成电路大规模集成电路 中 大规模集成电路的集成度比较高 大多数是一些具有特定逻辑功能的逻辑电路 其中包括 加法器 累加器 乘法器 比较器 奇偶发生器 校验器 算术运算器 多 四 六 八 触发器 寄存器堆 时钟发生器 码制转换器 数据选择器 多路开关 译码器 分配器 显示译码器 驱动器 位片式处理器片 异步计数器 同步计数器 A VD和VD A转换器 随机存取器 RAM 只读存储器 ROM PROM EPROM EEPROM 处理机控制器和支持功能器件等 2020 3 22 第二章 2 16 2 TTL系列数字电路的主要参数指标 TTL系列数字电路有许多参数指标 例如 最大电源电压 电流 工作环境温度范围等多种参数 这里只介绍一些与TTL集成电路电特性有关的重要参数指标 1 高电平输出电压VOH 2 7 3 4V 2 高电平输出电流I0H 输出为高电平时 提供给外接负载的最大输出电流 若使用电流超过手册中的规定值会使输出高电平下降 严重时会破坏逻辑关系 IOH也表示电路的拉电流负载能力 3 低电平输出电压VOL 0 2 0 5V 4 低电平输出电流IOL 输出为低电平时 外接负载的最大输出电流 实际是从IC输出端流入 超过此值会使输出低电平上升 IOL表示电路的灌电流负载能力 5 高电平输入电压VIH 一般为2V 是指为确保输出低电平时允许输入高电平的最小值 6 高电平输入电流IIH 输入为高电平时的输入电流 即当前级输出为高电平时 本级输入电路作为前级拉电流负载 7 低电平输入电压VIL 一般为0 8V 确保输出为高电平时所允许的最大输入低电平值 2020 3 22 第二章 2 17 8 低电平输入电流IIL 输入为低电平时的输入电流 即当前级输出为低电平时 本级输入电路作为前级的灌电流负载 9 输出短路电流IOS 输出端为高的平时 对地的短路电流 10 电源电流 用来确定整个电路和供电电源的功率 随电路不同而不同 11 传输延迟时间tPLH和tPHL 在工作频率较高的数字电路中 信号经过多级门电路传输后造成的时间延迟将影响门电路的逻辑功能 12 时钟脉冲fmax 电路最大的工作频率 超过此频率IC将不能正常工作 在TTL数字集成电路的设计中 IOH和IOL反映了集成电路芯片的带负载能力 IIH和IIL则反映其对前级集成电路的影响 当IIH或IIL之和超过前级的IOH或IOL值时 为保证正确的逻辑关系 需增加驱动芯片以提高IC的带负载能力 各种TTL集成电路的重要电特性参数指标 都可以在TTL集成电路手册中查到 对于功能复杂的TTL集成电路 手册中还提供时序图 或波形图 功能表 或真值表 以及引脚信号电平的要求 熟练运用集成电路手册 掌握芯片各种描述方法的作用是正确使用各类TTL集成电路的必备条件 2020 3 22 第二章 2 18 3 TTL与非门输入特性和输出特性 在数字电路中 经常遇到TTL数字电路之间的相互连接和TTL数字电路与其他电路或负载的连接问题 因此对TTL数字集成电路的输入和输出的电气特性应当有较深入的了解 从而加深对TTL系列门电路特性参数的理解 更好地使用各种芯片 在此对与非门的主要特性加以简单叙述 TTL数字集成电路都是以三级管作为其输入和输出器件的 如图2 17所示 只要我们掌握TTL与非门的输入和输出的电气特性 也就基本上掌握了其他TTL数字集成电路的输入和输出电气特性 1 TTL与非门输入特性 TTL与非门输入特性包括与非门的输入电压与输入电流之间的关系特性及输入端的负载特性 由于TTL数字集成电路制造工艺的一致性 只要分析多发射结中一个输入端的输入特性就能代表其他输入端的输入特性 2020 3 22 第二章 2 19 图2 33 a 输入伏安特性 图2 33 b 电路原理图 输入电压与输入电流之间的关系特性 输入伏安特性 图2 33所示为TTL与非门的输入伏安特性曲线及分析电路示意图 该特性描述了某一输入端电压与电流之间的关系 设其他输入端悬空或接正电源 输入电流的参考方向如图所示 输入电流 iI iR1 VCC ube1 uI R1 当uI 0V时ube1 0 7V T2截止 iI iR1 VCC ube1 uI R1 5 0 7 3k 1 4mA 若将该电路作为前级电路的负载 此电流将成为前级电路输出低电平时的最大灌电流负载 用IIL表示 它是分析前级TTL 或其他电路 电路输出端灌电流负载能力的重要参数 随着 i的不断增加 iI将逐渐减少 此时的输入电流称为输入短路电流 或低电平输入电流 用IIS表示 提示 当 Ii继续增大到1 4V时 T2的发射结开始导通 使T1的发射结截止 此时输入端只有很小的反向漏电流流入 随着 Ii的继续增大 反向电流基本不变 若将该电路作为前级电路的负载 此电流将成为前级输出高平时的拉电流负载 用IIH表示 它是分析前级TTL 或其他电路 电路输出端拉电流负载能力的重要参数 在分析具体电路的负载影响时 还要分清前后关联电路的相互关系 即哪个是主电路 哪个是负载 当该芯片作为前级电路的负载时 要将有关负载各输入端的IIL和IIH全部计算在内 才是全部的灌电流负载或拉电流负载 2020 3 22 第二章 2 20 输入负载特性 在与非门输入端接入电阻Ri时 所接电阻两端的电压将随阻值的不同而改变 两者的关系称为输入负载特性 定义 TTL与非门的输入负载特性曲线及分析电路 输入负载特性分析 当Ri 0 时 相当于 I 0V 输入短路 若Ri增大 I也随之增大 I Ri VCC be1 Ri R1 这个关系只在 I 1 4V时才成立 若Ri继续增大 当 I 1 4V时 使T2饱和导通 uB1被钳位在2 1V 此时再增大Ri I也不会增大 如曲线所示 即 Imax 1 4V 相当于输入电压为高电平 与非门输出将为低电平 将此时输出为额定低电平时所允许输入电阻Ri的最小值RON称为 开门电阻 同理 把保证与非门输出为额定高电平90 所允许输入电阻Ri的最大值ROFF称为 关门电阻 在分析电路中 当Ri ROFF时 与非门输出高电平 当Ri RON时 与非门输出低电平 提示 综上所述 在使用TTL集成电路时 有些不用的输入端若用小电阻接地 会使此输入端相当于输入一个低电平 若所接电阻过大时 输入端相当于输入一个高电平 因此在处理TTL集成电路闲置输入端时 应确保闲置输入端的电平状态不破坏电路的逻辑关系 若闲置输入端悬空时 相当于输入高电平状态 对于闲置输入端的处理 还可以通过电阻将其接至电源VCC 这种接法不影响电路的逻辑状态 2020 3 22 第二章 2 21 2 TTL与非门输出特性 定义 输出电压与输出电流之间的关系称为输出特性 输入低电平 输出为高电平时 特性曲线及原理电路如图2 34 a b 所示 图2 34 a 图2 34 b 特性分析 若与非门某一输入端为低电平 T2 T4管截止 T3管饱和导通 输出为高电平 输出电流只能流向负载 输出电压uO VCC uce3 iLR4 若iL增大 uO将下降 当iL增大到某个值时 将破坏T3管饱和导通的条件 使其进入放大状态 此时uO将继续下降 甚至降为低电平 从而破坏了电路的逻辑关系 图中的电流方向为参考方向 这种现象实质上就是当外接拉电流负载时 随着输出端拉电流负载的增大 输出电压将下降的拉电流负载特性 因此在使用TTL电路时 要考虑拉电流负载对输出高电平的影响 2020 3 22 第二章 2 22 输入高电平 输出为低电平时 特性曲线及原理电路如图2 35 a b 所示 特性分析 图2 35 a 图2 35 b 若输入端均为高电平 T2 T4管将饱和导通 T3管截止 输出为低电平 负载电流将从T4管集电极流入 ic4 iL 饱和时 T4管c e间的电阻非常小 所以当负载电流iL增大时 输出电压uO上升比较缓慢 如图2 35 a 所示 可见 此时的与非门可以承担较大的负载电流 但ic4增加太多 也会破坏电路的逻辑状态 这种现象实质就是当外接灌电流负载时 随着输出端灌电流负载的增大 将造成输出电压升高的灌电流负载特性 因此在使用TTL电路时 要考虑灌电流负载对输出低电平的影响 2020 3 22 第二章 2 23 2 4 2其他常用TTL门电路 集电极开路门电路 OC门 2 三态门 3 驱动电路 问题的提出 在实际应用中 有时要将n个门电路的输出端连接在一起 称为 线与 图2 37是两个TTL与非门F1 F2 线与 的示意图 当与非门F1输出为高电平 L1 1 时 若与非门F2输出为低电平 L2 0 就会有很大的电流i经R4 T3 D4流入T4 管的集电极 电流i成为与非门F1的拉电流负载 同时也是与非门F2的灌电流负载 i过大一方面会使与非门F2的输出低电平状态受到破坏 使L2 1 另一方面会使与非门F1的T3管烧坏 所以 实际应用中这种接法是不允许的 问题的解决 集电极开路的TTL门电路 又称 OC门 2020 3 22 第二章 2 24 OC门的逻辑符号 以集电极开路的与非门为例 图2 37集电极开路的与非门 OC门的类型 包括集电极开路的与门 非门 与非门 异或非门及其他种类的集成电路 OC门的分析与使用 OC门 的逻辑表达式 真值表等描述方法和普通门电路完全一样 它们的主要区别是 OC门 的输出管T4集电极处于开路状态 在具体应用时 必须外接集电极负载电阻RL OC门线与的表达式 图2 38 当与非门F1输出高电平1 与非门F2输出低电平0时 输出端L将被钳位在低电平0 此种逻辑关系称为 线与 逻辑表达式 OC门线与接线图 图2 38 2020 3 22 第二章 2 25 OC门外接集电极电阻RL值的计算 当所有OC与非门输出端均为高电平VOH时 如图2 39 a 所示 图2 39 a n m 已知 有n个OC门的输出端 线与 并接有m个与非门作为负载 每个与非门负载有K个输入端 解 设 IRLmin表示流过RL的最小电流 IOH表示OC与非门输出管T4的反向漏电流 则有 IRLmin nIOH mKIIH 为保证OC与非门输出电平不低于输出高电平的最小值VOHmin 必须使 则最大负载电阻RLmax 5V VOHmin nIOH mKIIH 5V IRLminRL VOHmin 2020 3 22 第二章 2 26 当所有OC与非门输出端均为低电平VOL时 如图2 39 b 所示 IOL IIL OC与非门电路的负载电流IIL将全部灌入OC与非门 用IRLmax表示 即IRLmax nIOL mKIIL 为了保证输出低电平不大于输出低电平的最大值VOLmax 必须使 5V IRLmaxRL VOLmax则最小的负载电阻RLmin 5V VOLmax IRLmax 5V VOLmax IOLM mKIIL 由以上分析可知 RL的取值范围应为RLmin RL RLmax 参数IOH IOL VOHmin VOLmax和IIH IIL都可以在手册上查出 其中IOLM为每个集电极开路与非门所允许的最大负载电流 2020 3 22 第二章 2 27 2 三态门 什么是三态门 一般逻辑门电路的输出只有0 1两种状态 而三态门的输出除了0 1两种状态之外 还有第三种状态 高阻抗状态 三态门的特点 高阻抗状态并不表示逻辑意义上的第三种状态 它只表示在高阻抗状态时 门电路的输出阻抗非常大 输入与输出之间可以视为开路状态 即对外电路不起任何作用 在数字电路中 三态门是一种特别实用的门电路 尤其是在计算机接口电路中得到广泛应用 三态与非门的原理示意图及其符号 三态与非门比一般的与非门多了一个控制端G 当G 1时 此电路和一个普通的与非门电路完全相同即 当G 0时 晶体管T3 T4均截止 输入与输出之间相当于断开 呈现高阻抗状态 输入与输出之间不满足与非逻辑关系 即输入与输出状态之间互不影响 输出端L的状态完全取决于外电路的逻辑状态 关于符号的说明在逻辑符号的控制端有小圆圈表示低电平时与非门有效 输入和输出状态之间满足与非逻辑关系 若控制端为高电平 输出端处于高阻状态 不受输入端状态的逻辑控制 若控制端无小圆圈 控制电平正好相反 2020 3 22 第二章 2 28 三态门真值表 在常用的集成电路中 有许多集成电路的输入端或输出端采用了三态门结构 在使用时 可根据实际需要用控制端实现电路间的接通与断开 三态门应用举例 图2 41 a 图2 41 b 图2 41 c 三态门应用示意图如图2 41所示 其中 a 门电路选择 b 数据双向传输 c 总线结构 2020 3 22 第二章 2 29 3 驱动电路 在集成电路应用中 有时前级门电路不能直接驱动后级门电路或其他类型电路 此时 可采用专用集成驱动电路来提高前级门电路的负载能力 集成驱动器74LS244示意图 图2 43 集成驱动器74LS244工作原理 它由8个三态输出的缓冲 驱动电路构成 并分为两组 每组分别由三态允许控制端和控制 当和为低电平时 Y A 当和为高电平时 输出端呈高阻状态 2020 3 22 第二章 2 30 2 4 3常用CMOS门电路 概述 CMOS门电路的逻辑图 逻辑符号 逻辑表达式 真值表等描述方法与TTL门电路是完全一样的 它们的电气参数有所不同 使用方法也有差异 常用的CMOS门电路在类型 种类上几乎与TTL数字电路相同 因此前面以TTL门电路为例所介绍的各种应用同样适用于CMOS门电路 这里仅介绍CMOS门电路的一些基本结构与特点 以加深了解两种系列门电路的相同与不同之处 1 CMOS开关电路 电路 图2 43 图2 43由COMS三态门构成的传输门电路 工作原理 当控制端C 0时 传输门TG截止 相当于开关断开 输出端呈高阻状态 当控制端C 1时 传输门TG导通 相当于开关闭合 使uO uI 由于CMOS三态传输门TG具有很低的导通电阻和很高的截止电阻 所以很接近理想开关电路 2020 3 22 第二章 2 31 2 CMOS双向三态驱动器 电路 图2 44 工作原理 图2 44COMS三态门双向传输电路 当CMOS三态门F1或F2的控制端为高电平时 该门起传输作用 否则呈高阻状态 即当C 1时 三态门F1接通 三态门F2处于高阻状态 信号由D端送至Q端 当C 0时 三态门F2接通 三态门F1处于高阻状态 信号由Q端送至D端 某些集成电路就具有这种三态双向传输控制的功能 在计算机的接口技术中被广泛使用 2020 3 22 第二章 2 32 7 CMOS电路的缺点是由于它的输入阻抗高 使其容易受静电感应而击穿 所以在其内部一般都设置了保护电路 3 CMOS数字电路的特点 1 由于CMOS管的导通内阻比双极型晶体管导通内阻大 所以CMOS电路的工作速度比TTL电路的工作速度低 2 CMOS电路的输入阻抗很高 可达10M 以上 且在频率不高的情况下 电路的驱动能力比TTL电路强 3 允许CMOS电路的电源电压的变化范围较大 约在5 15V之间 所以其输出高 低电平的摆幅较大 与TTL电路相比 该电路的抗干扰能力更强 噪音容限可达30 VDD 4 由于CMOS