实验16-集成逻辑门测试ppt课件

1、n实验目的实验目的n掌握利用函数信号发生器输出数掌握利用函数信号发生器输出数字方波信号；字方波信号；n学习数字逻辑电平标准及特性参学习数字逻辑电平标准及特性参数的基本知识；数的基本知识；n练习练习TTL/CMOS数字逻辑门芯数字逻辑门芯片的使用；片的使用；实验实验16 集成逻辑门特性测试集成逻辑门特性测试结合结合TTLTTL门掌握逻辑门电路参数定义门掌握逻辑门电路参数定义TTLTTL器件的使用规则器件的使用规则CMOSCMOS门的主要参数及使用规则门的主要参数及使用规则扩展知识简述扩展知识简述1. TTL与非门电路的主要参数与非门电路的主要参数 静态功耗静态功耗PD: 输出高电平输出高电平VO

2、H : 输出低电平输出低电平VOL : 扇出系数N : 带负载能力，N 8 ，较强；空载 10mW级，相对较大VOH 3.5 V，VSH故为逻辑故为逻辑1；VOL 0.4 VVSL，故为逻，故为逻辑辑0；（TTL标准高电平标准高电平VSH =2.4 V，低电平电压，低电平电压VSL =0.4 V） 平均传输延迟时间平均传输延迟时间tpd :tpLH50%50%50%50%tpHL输入输入同相同相输出输出tpd= (tPLH+tPHL)/2表征门电路开关速度，表征门电路开关速度，ns纳秒纳秒级。级。 TTL门较快，门较快，10ns级。级。 直流噪声容限直流噪声容限VNH和和VNL :指输入端所允

3、许的输入电压变化的极限范围。高电平噪声容限 VNH = VSH VON低电平噪声容限 VNL = VOFF VSL 开门电平电压开门电平电压VON : 允许的最小输入高电平允许的最小输入高电平电压值，约电压值，约1.8V即当输入在即当输入在1.8V以上，以上，TTL门电路判别输入为门电路判别输入为1，与非后门电路输出，与非后门电路输出VOL。 关门电平电压关门电平电压VOFF : 约约0.8V，即输入在，即输入在0.8V以下，以下，TTL门判别输入为门判别输入为0，与非后门输出，与非后门输出VOH。1. TTL与非门电路的主要参数与非门电路的主要参数 vi vO VOH VOL 2.4V VS

4、H VSL 0.4V VOFF VON 0 0.4V 2.4V VSH VSL VNH VNL 与非门电压传输与非门电压传输特性图特性图 测试测试TTL逻辑门逻辑门电路的电压传输特电路的电压传输特性不仅能检查和判性不仅能检查和判断门电路好坏，还断门电路好坏，还可以从传输特性上可以从传输特性上直接读出其主要静直接读出其主要静态参数，如态参数，如VOH、VOL、VON、VOFF以及以及VNH、VNL 。1. TTL与非门电路的主要参数与非门电路的主要参数2. TTL器件的使用规则器件的使用规则 工作电源电压工作电源电压+VCC : 要求比较严格缺点之一），只允许要求比较严格缺点之一），只允许在在

5、+5V10% 范围内。电源电压超过范围内。电源电压超过5.5V易损坏芯片；低于易损坏芯片；低于4.5V易导致逻辑易导致逻辑功能不正常。功能不正常。 实际使用时还要注意电源滤波：实际使用时还要注意电源滤波：尽量缩短地线以减小干扰。可在电尽量缩短地线以减小干扰。可在电源端到地接源端到地接1个个100F的电容做低的电容做低频滤波及频滤波及1个个0.01F0.1F的电容的电容做高频滤波。做高频滤波。141312111234109856774LS00 四 2 输入与非门VCC 4B 4A 4Y 3B 3A 3Y& 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND 用到的用到的TTL门门(器件器件)的多

6、余输入端的连接的多余输入端的连接 TTL或门、或非门或门、或非门 多余输入端：多余输入端： 显然不能悬空，只能接显然不能悬空，只能接GND地；地； TTL与门、与非门与门、与非门 多余输入端：多余输入端： 理论上可悬空理论上可悬空视作高电平；但实用中易受到外视作高电平；但实用中易受到外界干扰！界干扰！ 故实际电路中要接故实际电路中要接+VCC 或或 与某个有用输入端并与某个有用输入端并联但会增加从信号获取的电流。）联但会增加从信号获取的电流。） TTL门输出端的连接门输出端的连接 不允许输出端直接连不允许输出端直接连+5V或连地。或连地。 除除OC门和三态门和三态TS门外，其它门电路的输门外，

7、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。会引起逻辑混乱或损坏器件。2. TTL器件的使用规则器件的使用规则 电源电压电源电压+VDD和和VSS: +VDD接电源正极，接电源正极，VSS接电源负极接电源负极(常为共地常为共地0V) ，不可以接反！，不可以接反！ +VDD一般在一般在+5V +15V较宽范围内均可较宽范围内均可正常工作，还允许波动正常工作，还允许波动10%。 CMOS芯片优点之一芯片优点之一 静态功耗静态功耗: 约在微瓦量级，很低。优于约在微瓦量级，很低。优于TTL mW 输出高电平输出高电平VOH : V

8、OHVDD 0.5V 为为逻辑逻辑1。 输出低电平输出低电平VOL : VOLVSS+0.5V 为逻辑为逻辑0 。 输入高、低电平输入高、低电平: ViH 0.7VDD；ViL 0.2VDD 1413121112341098567CC4011 四 2 输入与非门 VDD 4B 4A 4Y 3Y 3B 3A 1A 1B 1Y 2Y 2A 2B VSS 平均传输延迟时间tpd : 相对大，50ns级-缺陷3. CMOS门参数及使用规则门参数及使用规则 CMOS门多余输入端的连接：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！必须按逻用到的逻辑门的多余输入端不能悬空！必须按逻辑要求接辑要求

9、接+VDD或或VSS； （CMOS输入端悬空时，极易受到感应信号干扰出输入端悬空时，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。）现错误的输出，甚至造成输入端永久性的击穿损坏。）3. CMOS门参数及使用规则门参数及使用规则 CMOS门输出端的连接：门输出端的连接： （与（与TTL门规则相同，除了三态门规则相同，除了三态门和门和OC门），输出端不允许并接门），输出端不允许并接 恒定电压恒定电压 或或 其他器件的其他器件的输出端。输出端。 扇出系数扇出系数N : 一般取一般取N=1020，稍强于，稍强于TTL。 CMOS输入电流超过输入电流超过1mA就有可能烧坏，注意各种

10、保护措施。就有可能烧坏，注意各种保护措施。4. 相关扩展知识相关扩展知识 TTL电路的速度快电路的速度快-传输延迟时间短传输延迟时间短10ns级）；级）；但功耗大但功耗大mW级）；工作电源范围严格级）；工作电源范围严格5V左右）左右） CMOS电路的速度慢电路的速度慢-传输延迟时间长传输延迟时间长50ns级）；级）；但功耗低静态功耗但功耗低静态功耗uW级）；工作电源范围很宽级）；工作电源范围很宽318V，其直流噪声容限也高。，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，数有个基本概念

11、，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。所列明的参数来做相应选择或处理。 4. 相关扩展知识相关扩展知识 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 74LS 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） 74HCT 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、

12、LVCMOS、ECL、PECL、LVPECL、RS232、RS485、高速的 LVDS、GTL、数字芯片电平标准转换问题数字芯片电平标准转换问题n同样同样5V工作电源电压工作电源电压n 74LS系列的系列的TTL门电路输出门电路输出VOH(min)仅仅2.7V n而而 CD40系列的系列的CMOS电路电路VIH(min) =3.5Vn 74HC系列的高速系列的高速CMOS电路电路VIH(min) =3.15Vn根据前述特性参数可看出，在同样根据前述特性参数可看出，在同样5V电源电压情电源电压情况下，况下，CMOS电路可以直接驱动电路可以直接驱动TTL电路；而电路；而TTL电路常常难以直接驱动电

13、路常常难以直接驱动CMOS电路。故实验中尽量电路。故实验中尽量不要杂用不要杂用TTL/CMOS门电路芯片。必要时用适当方门电路芯片。必要时用适当方法如上拉电阻等作电平转换。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运用？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！自学自学-线与线与 和集电极开路和集电极开路OC门门实例：实例： 74HC03 是二输入与非是二输入与非OC门，管脚定义与门，管脚定义与74LS00相同相同VOL & 5V 74LS00 RL & & VCC 74LS03 & m &a

14、mp; n n个个OC门线与驱动门线与驱动TTL门电路门电路IILIILILIOLVOHVOHIOH多多OC门输出线与驱动门输出线与驱动TTL门电路门电路CCOL maxP minOLILVVRImI n个个OC门输出线与，门输出线与，其中任一其中任一OC门输出为门输出为低，逻辑总输出即为低，逻辑总输出即为0。电路中电流情况如右图，电路中电流情况如右图，依此可算出外接电阻允依此可算出外接电阻允许的最小值：许的最小值：VOH & 5V 74LS00 RP & & VCC 74LS03 & m & n n个个OC门线与驱动门线与驱动TTL门电路门电路CCOH

15、 minPmaxOHIHVVRnIm I IIHIIHILIOHCCOL maxP minOLILVVRImI 结合前述：结合前述： 线与的线与的OC门输出全为高，门输出全为高，逻辑总输出即为逻辑总输出即为1。电路中电。电路中电流情况如右图，依此可算出流情况如右图，依此可算出外接电阻允许的最大值：外接电阻允许的最大值：多多OC门输出线与驱动门输出线与驱动TTL门电路门电路三态门n三态门，简称三态门，简称 TS(Three-state Logic)门，门，是在普通门电路的基础上，加使能控制端是在普通门电路的基础上，加使能控制端EN和控制电路。和控制电路。n三态门除了通常的高、低电平两种输出状态三

16、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外，还有第三种输出状态高阻态。处于高高阻态。处于高阻态时，电路与负载之间相当于开路。阻态时，电路与负载之间相当于开路。（实验（实验23用到用到 74HC125）n也因此三态门输出可以并接为共享总线形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！式但禁止同时选通占用！n故虽然输出并接，但并非线与。故虽然输出并接，但并非线与。三态门（实验（实验23用到用到 74HC125）本次实验内容本次实验内容 1 1n测量测量TTL/CMOSTTL/CMOS与非门输出高、低电平与非门输出高、低电平 & +VCC （+5V） VOH

17、RL 5.1k & VOL +VCC （+5V） RL 500 *通常通常VOH输出带下拉也应该在输出带下拉也应该在3V以上，低于该值建议弃用。以上，低于该值建议弃用。万用表直万用表直流电压档流电压档空空载载 下拉负载下拉负载(拉电流拉电流)轻载轻载 5.1k 下拉负载下拉负载(拉电流拉电流)重载重载 510 上拉负载上拉负载(灌电流灌电流)510 VOH (V)VOL (V)根据测量的根据测量的器件标明管器件标明管脚号，再接脚号，再接线！线！74HC74HC管管脚同脚同74LS74LS，但但4040不同！不同！内容内容2：测量门传输延迟时间：测量门传输延迟时间ntpd纳秒级别。用多个

18、门电路串联测量再做平均。纳秒级别。用多个门电路串联测量再做平均。2pLHpHLpdtttn ；n为门个数为门个数时基要展开很宽时基要展开很宽500Hz数字数字电平方波电平方波 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 示波器示波器- -触发设置触发设置- -边沿类型：上边沿边沿类型：上边沿/ /下边沿，可测另一边；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。实在不行则假设两边对称，以单边沿来推算。74HC74HC管脚同管脚同74LS74LS，但，但40114011不同！不同！n自学自练自学自练示波器示波器Curs

19、orCursor光标测量操作光标测量操作内容内容2：测量门传输延迟时间：测量门传输延迟时间信号源的数字电平方波信号源的数字电平方波( (同步同步) )输出输出TTLTTL波形波形3V3V的的CMOSCMOS波形波形15V15V的的CMOSCMOS波形波形数字电平方波信号来自同步输出，数字实验常用到。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！只方波，能调频率和占空比，幅度则由右边旋钮调！内容内容3 3：测量电压传输特性：测量电压传输特性 n在示波器上用在示波器上用X-YX-Y显示方式观察曲线，并用显示方式观察曲线，并用坐标纸描绘出特性曲线，在曲线

20、上标出坐标纸描绘出特性曲线，在曲线上标出VOHVOH、VOLVOL、VONVON、VOFFVOFF，计算，计算VNHVNH、VNL VNL 。 & Y 5.1K 示波器示波器 正正三角波三角波 CH2 CH1 500Hz 峰值峰值 4V 相关仪器操作还记得否？直流电平相关仪器操作还记得否？直流电平 & & 直流耦合直流耦合 & 0 & 0电平指示电平指示 X-Y X-Y显示切换，显示切换，X-YX-Y下定原点，读数下定原点，读数示波器示波器X-Y方式操作方式操作操操作作要要点：点： （1确认确认CH1、CH2信号本身正确。正常信号本身正确。正常YT方式，

21、方式，CH1输入，输入，CH2输出，（耦合直流，垂直灵敏度合适）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动通道Position。（或。（或 直接在直接在X-Y显示下确定坐标原点）显示下确定坐标原点）（2切换模式。切换模式。TekTDS示波器：示波器： Display命令键，屏显菜命令键，屏显菜单中单中“格式格式”。 DS2000示波器：水平调节菜单键，屏显示波器：水平调节菜单键，屏显菜单中菜单中“时基时基”。 由由YTXY。（3确定确定XY坐标系原点在屏幕中心点坐标系原点在屏幕中心点 或或 操作

22、确定），操作确定），根据垂直灵敏度读取关键点数据，作图！根据垂直灵敏度读取关键点数据，作图！ X-Y X-Y方式：方式：CH1CH1X X轴接电路输入信号，轴接电路输入信号，CH2CH2Y Y轴接电路输出轴接电路输出信号，所以构成的曲线称为电路的输入输出传输特性曲线。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？还记得么？74LS00电压传输特性电压传输特性 vi vO VOH VOL 2.4V VSH VSL 0.4V VOFF VON 0 0.4V 2.4V VSH VSL VNH VNL 与非门电压传输与非门电压传输特性图特性图 根据原点和通道垂根据原点和通道垂直灵敏度，

23、从电压传直灵敏度，从电压传输特性曲线上直接读输特性曲线上直接读出其主要静态参数具出其主要静态参数具体数值并标记，如体数值并标记，如VOH、VOL、VON、VOFF以及以及VNH、VNL 。 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电压传输特性电压传输特性芯片管脚图芯片管脚图74HC与与LS相同，与相同，与40 xx不相不相同）同） 141312111234109856774LS00 四 2 输入与非门VCC 4B 4A 4Y 3B 3A 3Y& 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND 14131211123410985

24、6774LS04 六反相器VCC 6A 6Y 5A 5Y 4A 4Y 1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y GND111111141312111234109856774LS10 三 3 输入与非门 VCC 1C 1Y 3C 3B 3A 3Y& 1A 1B 2A 2B 2C 2Y GND&1413121112341098567CC4011 四2输入与非门 VDD 4B 4A 4Y 3Y 3B 3A 1A 1B 1Y 2Y 2A 2B VSS数字芯片工作电源及布线问题数字芯片工作电源及布线问题141312111234109856774LS00 四 2 输入与非门VCC 4B 4A 4Y 3B 3A 3Y& 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GNDVcc/VDD+5V，GND/Vss电源负极，公共电源负极，公共地地常用于数字实验的固定常用于数字实验的固定5V电源电源专线分色；缺口齐左；利用边条，横平竖直