汽车电工与电子基础（第3版）：学习任务六-数字电路基本知识认知

汽车电工与电子基础（第3版）

全国中等职业学校课程改革规划新教材

直流电路认知正弦交流电认知磁路与变压器认知汽车电气元件认知学习任务一学习任务二学习任务三学习任务四常用半导体元件应用数字电路基本知识认知新能源汽车电路认知汽车微机控制系统认知学习任务五学习任务六学习任务七学习任务八

学习任务六

活塞连杆组故障诊断与修复数字电路基本知识认知

任务要求

完成本学习任务后，你应该能：1．理解数字电路基础知识；2．掌握基本门电路的结构与功能；3．掌握触发器逻辑功能及触发方式。

任务概述

电子技术中的常用元件一般都是由半导体材料制作的，因此称为半导体元件。半导体元件是在20世纪50年代初发展起来的，因其具有体积小、质量轻、耗电低、使用寿命长、工作可靠等优点获得了迅速发展，并且在计算机、交通、通信、航天、工业自动检测等各个领域都获得了广泛的应用。本学习任务主要学习常用半导体元件及其应用。1.逻辑门电路认知；2.集成门电路认知；3.集成触发器应用。

主要学习任务建议学时12

学时

子任务１

活塞连杆组故障诊断与修复逻辑门电路认知

任务描述

数字电路的发展与模拟电路一样经历了由电子管、半导体分立器件到集成电路等几个时代。现代汽车的检测电路、音响电路等广泛采用了数字电路技术。本任务主要学习数字电路基本知识、简单的数制转换和基本的逻辑门电路。1.了解数字信号的应用；2.理解数制的转换方法；3.掌握与门电路的应用。

学习目标建议学时6

学时

（一）数字电路基础知识1．数字电路的特点电子电路分成两大类：一类叫模拟电路；另一类叫数字电路。这两种类型的电子电路是以它们所处理的电信号的不同来区分的。所谓模拟信号就是信号数值在时间上连续变化的电信号。例如我们所熟悉的正弦波信号就是一种典型的模拟信号，如图6-1a）所示。数字信号是一种信号数值在时间上不连续变化的电信号，例如现代汽车上的曲轴位置传感器信号和用于故障自诊的故障码等，就是一种典型的数字信号，如图6-1b）所示。一、理论知识准备图6-1模拟信号与数字信号a）模拟信号；b）数字信号

（一）数字电路基础知识1．数字电路的特点

数字信号的特点是不随时间连续变化，即信号的变化只发生在一系列离散的瞬间，信号的数值是阶跃变化的。数字信号只有两种状态：高电平、低电平，或者有信号、无信号。在数字电路中，通常把这两种状态用两个符号来表示，即“1”和“0”，也即逻辑1和逻辑0。高电平或有信号用“1”表示，低电平或无信号用“0”表示，这称为正逻辑；相反，低电平或无信号用“1”表示，高电平或有信号用“0”表示，这称为负逻辑。在数字电路的逻辑设计中，有时用正逻辑，有时用负逻辑，一般无特殊声明时，一律采用正逻辑。一、理论知识准备

（一）数字电路基础知识1．数字电路的特点

数字电路也可以进行逻辑运算与判断，此时它大多处理“二值逻辑”问题。例如“真”和“假”，“是”和“非”，“有”和“无”等。学习任务六数字电路基本知识认知因此，可用电路的两种截然不同的状态来表述：例如三极管的饱和导通（开）和截止（关），电平的“低”和“高”两种状态。这就使得数字电路的基本单元电路简单，对元件的精度要求也不太严格，很适合做成集成电路。一、理论知识准备

（一）数字电路基础知识1．数字电路的特点

数字电路重点研究输入信号和输出信号之间的逻辑关系，它的数学分析工具是逻辑代数（又称为“布尔代数”“开关理论”），描述电路逻辑功能的主要方法是逻辑变量的真值表、逻辑函数式、卡诺图、特性方程、状态转换图、时序图、逻辑电路等。其输入与输出的数据以及控制与操作的变量都是数字信号。该电路中含有对数字信号进行传送、逻辑运算、控制、计数、寄存、显示，以及信号的产生、整形、变换等不同功能的数字电路部件。数字电路结构简单，易于制造，便于集成化系列化生产，成本低廉，使用方便；由数字电路组成的数字系统，工作准确可靠，精度高，保密性好，抗干扰能力强；在电子数字计算机、自动控制、电视、雷达、通信、数字仪表、汽车电路，航空航天等各个领域中都得到了广泛的应用。一、理论知识准备

（一）数字电路基础知识2．数制和码制1）数制数制是指数的表示方法。常用的数制有十进制和二进制两种。（1）十进制。在表示数值大小时，允许使用的数字符号的个数称为基数。十进制在表示数值大小时允许使用0～9十个数字符号，因此其基数是10。以10为基数，进位规则是“逢十进一”的数制就称为十进制。十进制数可用各位数值之和的形式表示。例如：十进制数字在不同的数位上表示的数值不同，其中乘数102、101、100是根据数字所在的位置得到的，称为该位的“权”。十进制数位权都是基数10的幂。一、理论知识准备

（一）数字电路基础知识2．数制和码制1）数制（2）二进制。二进制在表示数值大小时只能使用0和1两个数字符号，因此其基数是2。以2为基数，进位规则是“逢二进一”的数制就称为二进制。与十进制数相同，二进制数也可用各位数值之和的形式表示。例如：（3）二进制数与十进制数的相互转换。二进制数转换为十进制数。方法是将二进制数按位值展开后相加，就得到等值的十进制数。如：十进制数转换为二进制数。方法是除2取余法。一、理论知识准备

（一）数字电路基础知识2．数制和码制1）数制【例6-1】将(13)10转换为二进制数。解:所以(13)10=(1101)2一、理论知识准备

（一）数字电路基础知识2．数制和码制2）码制数字电路只认识二进制数，不认识十进制数、字母、非数字符号、图形和文字等信息。为了用数字电路处理这些信息，需要用二进制数表示。这些有特定意义的二进制数就称为二进制代码，用二进制代码表示信息的方法称为码制。在数字电路中最常用的码制是8421BCD码，简称8421码。它用4位二进制数的前10种组合来表示1位十进制数，对应关系见表6-1。这种对应关系与四位二进制数与十进制数的对应关系相同。由表6-1可见，这种代码每一位的权都是固定不变的，属于恒权代码。它和四位二进制数一样，从高位到低位各位的权分别是8、4、2、1，故称为8421码。每个代码的各位数值之和就是它所表示的十进制数。所以，它便于记忆，应用也比较普遍。一、理论知识准备

（一）数字电路基础知识2．数制和码制2）码制

一、理论知识准备

（二）基本逻辑门电路数字电路的输出状态与各输入状态之间的关系称为逻辑关系，因此数字电路又称为逻辑电路。数字电路实现的逻辑关系可以很简单，也可以很复杂，但基本的逻辑关系仅有三种，即与、或、非。1．“与”逻辑关系和“与”门电路1）“与”逻辑关系图6-2所示简单电路，灯泡要亮必须满足两个条件，即两个开关S1和S2必须都接通，否则灯亮的事件就不会发生，因此我们可以总结出这样一个规律：当决定一件事情的各个条件全部具备时，这件事情才会发生，这样的因果关系称为“与”逻辑关系。一、理论知识准备

（二）基本逻辑门电路1．“与”逻辑关系和“与”门电路1）“与”逻辑关系

一、理论知识准备图6-2“与”逻辑电路举例

（二）基本逻辑门电路1．“与”逻辑关系和“与”门电路2）“与”门电路图6-3所示为二极管与门电路，我们把它的输入端作为条件，输出端作为结果。输入端和输出端能满足“与”逻辑关系的电路称为“与”门电路。一、理论知识准备图6-3二极管与门电路和逻辑符号a)电路；b)符号

（二）基本逻辑门电路1．“与”逻辑关系和“与”门电路2）“与”门电路它有两个输入端A、B，一个输出端L。假定输入信号的高电平为+5V，低电平为0V，则按输入信号的不同可分为以下情况：（1）输入端A、B都处于低电平0V（即A=B=0），这时D1、D2都处于正向导通状态。如果忽略二极管的导通压降，则输出L=0。（2）输入端A、B只有一个处于低电平0V，这时处于低电平的二极管D优先导通，输出L仍为低电平。（3）输入端A和B全处于高电平，这时二极管D1、D2都截止，则输出端L的电位基本上与输入端相等，L为高电平。综合上述分析结果见表6-2，表6-3为“与”门真值表，只有输入端都是高电位1时，输出才是高电位1，否则为低电平0。一、理论知识准备

（二）基本逻辑门电路1．“与”逻辑关系和“与”门电路2）“与”门电路

一、理论知识准备

（二）基本逻辑门电路1．“与”逻辑关系和“与”门电路2）“与”门电路

一、理论知识准备

（二）基本逻辑门电路1．“与”逻辑关系和“与”门电路2）“与”门电路可见，上述电路是一个“与”门电路。逻辑函数表达式为L=A·B=AB式中的“·”表示逻辑乘，逻辑乘的基本运算公式为0×0=00×1=01×0=01×1=1一、理论知识准备

（二）基本逻辑门电路2．“或”逻辑关系和“或”门电路1）“或”逻辑关系图6-4所示电路特点是：只要电路中有一个或一个以上的开关接通，灯泡就会发亮。这个电路使我们总结出另一种逻辑关系：“在决定一件事情的诸条件中，只要具备一个或一个以上的条件，这件事就会发生”这种逻辑关系称为“或”逻辑关系。一、理论知识准备图6-4“或”逻辑电路举例

（二）基本逻辑门电路2．“或”逻辑关系和“或”门电路2）“或”门电路具有“或”逻辑关系的电路，称为“或”门电路，简称“或”门，如图6-5a)所示。图6-5b)是“或”门的符号。当一个或一个以上的输入端为高电平（+5V）时，相应的二极管导通，如果忽略二极管的导通压降，则输出端也为高电平（+5V）；当两个输入端都为低电平（0V）时，所有二极管截止，输出端L才为低电平（0V）。上述分析结果可以用表6-4表示，表6-5为“或”门真值表。一、理论知识准备图6-5“或”门电路和符号a)电路；b)符号

（二）基本逻辑门电路2．“或”逻辑关系和“或”门电路2）“或”门电路

一、理论知识准备

（二）基本逻辑门电路2．“或”逻辑关系和“或”门电路2）“或”门电路

一、理论知识准备

（二）基本逻辑门电路2．“或”逻辑关系和“或”门电路2）“或”门电路“或”逻辑函数表达式为L=A+B式中的“+”号叫“逻辑加”，逻辑加的基本运算公式为0+0=00+1=11+0=11+1=1一、理论知识准备

（二）基本逻辑门电路3．“非”逻辑关系和“非”门电路1）“非”逻辑关系“非”逻辑关系就是输出的状态与输入的状态相反。“非”在逻辑上就是否定的意思。2）“非”门电路“非”门电路具有非逻辑功能的电路称为“非”门电路，简称“非”门。图6-6a）、b)分别是三极管组成的“非”门电路和逻辑符号。从前一节分析可知，当输入为高电平时，三极管饱和导通，输出低电平“0”。反之，三极管VT截止，输出为高电平。输出输入相反，实现了“非”的逻辑功能。一、理论知识准备

（二）基本逻辑门电路3．“非”逻辑关系和“非”门电路2）“非”门电路

一、理论知识准备图6-6非门电路和逻辑符号a)电路；b)符号

（二）基本逻辑门电路3．“非”逻辑关系和“非”门电路2）“非”门电路“非”逻辑关系可用表6-6的真值表来表示，也可用下列逻辑函数表达式来表示：一、理论知识准备

（二）基本逻辑门电路4．复合门电路1）与非门图6-7a)、b)所示是典型的与非门电路及符号。它由二极管与门和三极管非门串接而成，故输入与输出之间的关系是与非关系，表6-7是与非门真值表。其逻辑函数表达式为一、理论知识准备图6-7与非门电路和符号a)电路；b)符号

（二）基本逻辑门电路4．复合门电路1）与非门

一、理论知识准备

（二）基本逻辑门电路4．复合门电路2）或非门图6-8所示是一个或非门电路及其符号，它由一个二极管或门和一个非门组成，因此输入输出之间是或非关系，其特点是：只要输入有“1”，输出就为“0”，只有输入全为“0”时，输出才为“1”。其逻辑表达式为

一、理论知识准备图6-8或非门电路和符号a)电路；b)符号

（一）实践准备电工电子实验台、连接线。（二）技术要求及注意事项（1）熟知电工电子实训室管理规章制度。（2）在指导教师的指导下完成实践操作。（三）操作步骤通过实训，在通用电工电子实验室设备上实现二极管“与”门电路、二极管“或”门电路、三极管“非”门电路的测试。二、实践操作

（三）操作步骤1．二极管“与”门电路（1）二极管“与”门电路的连接如图6-9所示。二、实践操作图6-9二极管“与”门电路的测试图

（三）操作步骤1．二极管“与”门电路（2）填写真值表。按线路图接通电源，开关S1、S2的状态按表所列要求设置对照每次输出端Y的逻辑关系，验证Y=AB并填写表6-8。二、实践操作

（三）操作步骤2．二极管“或”门电路（1）二极管“或”门电路的连接如图6-10所示。二、实践操作图6-10二极管“或”门电路的测试图

（三）操作步骤2．二极管“或”门电路（2）按线路图接通电源，开关S1、S2的状态按表所列要求设置对照每次输出端Y的逻辑关系，验证Y=A+B并填写表6-9。二、实践操作

（三）操作步骤3．三极管“非”门电路（1）三极管“非”门电路的连接如图6-11所示。二、实践操作图6-11三极管“非”门电路的测试图

（三）操作步骤3．三极管“非”门电路（2）按线路图接通电源，开关S的状态按表所列要求设置对照每次输出端Y的逻辑关系，验证Y=A并填写表6-10。二、实践操作

数字电路的两个基本工作信号用0和1表示，对应的电路有两种不同的工作状态，即低电平和高电平（或低电位和高电位）。为了简便地描述这种关系，规定用1表示高电平，用0表示低电平，称为正逻辑。若用0表示高电平，用1表示低电平，则称为负逻辑。三、学习拓展

子任务2

活塞连杆组故障诊断与修复集成门电路认知

任务描述

在通用电工电子实验室设备上实现TTL与非门电路。本任务主要学习TTL集成门电路。1.了解集成门电路的特点；2.理解逻辑符号和逻辑表达式的的含义；3.掌握集成门电路的应用。

学习目标建议学时4

学时

（一）集成门电路上面介绍的一些常见门电路，如果用分立元件构成时，不但连线和焊点太多，而且电路的体积很大，造成电路的可靠性很差。随着电子技术的飞速发展和集成工艺的规模生产，数字集成电路得到了广泛的应用。数字集成电路只有电源、输入、输出和控制等引线，因此与分立电路相比，数字集成电路成本低、可靠性高且便于安装调试。目前使用的门电路均是集成逻辑门电路。数字集成门电路按开关元件的不同可分为双极型逻辑门和单极型逻辑门两大类。本节主要介绍双极型TTL集成逻辑门和单极型的CMOS集成逻辑门电路。一、理论知识准备

（一）集成门电路1．TTL集成门电路TTL是“晶体管—晶体管逻辑电路”的简称。TTL集成电路相继生产的产品有74（标准），74S（肖特基）、74H（高速）和74LS（低功耗肖特基）四个系列，其中LS系列综合性能最优，应用最广泛。常见的集成电路是将几个门封装在同一芯片上，如74LS08为四个2输入端与门，74LS20为两个4输入端与非门。内部结构如图6-12所示。一、理论知识准备图6-12TTL与非门电路和逻辑符号a)电路图；b)逻辑符号

（一）集成门电路1．TTL集成门电路1）TTL与非门的组成TTL与非门由以下三部分组成：（1）输入级：由多发射极三极管T1和电阻R1组成。输入信号通过多发射极管T1实现“与”的功能。（2）中间级：三极管T2和电阻R2和R3组成中间级，这一级又称倒相极，即在T2的集电极和发射极同时输出两个相位相反的信号，能同时控制输出级的T4、T5管工作在截然相反的两个状态，以满足输出级互补工作的要求。（3）输出级：三极管T3、T4、T5和电阻R4及R5组成推拉式输出级。其中三极管T3、T4组成达林顿电路，以提高负载驱动的能力。一、理论知识准备

（一）集成门电路1．TTL集成门电路2）工作原理（1）当输入信号A、B、C中至少有一个为低电平（0.3V）时，低电平所对应的PN结导通，T1的基极电位被固定在1V（0.3V+0.7V）上，由于T1的集电极经T2基极→发射结→R3接地，所以1V的基极电位无法使集电结导通。T1的基极电流远大于集电极电流，T1处于深度饱和状态。T2、T5都截止，使T3、T4处于导通状态。因R2和IR3都很小，均可忽略不计，所以输出为高电平：F=3.6V。（2）当输入信号全部为高电平（3.6V）时，电源经R1、T1集电结向T2、T5基极提供电流，T2、T5发射结导通后，T4处于截止状态。这时输出电位为三极管T5的饱和电压值，输出低电平，F=0.3V。显然，TTL电路满足与非门的输入、输出逻辑关系。一、理论知识准备

（一）集成门电路2．集成门电路的主要参数现以TTL与非门的主要参数为例加以介绍，其他门电路的主要参数基本相同。(1)输入高电平电压UIH。指符合高电平的相应输入电压值，取下限。一般为2V。(2)输入低电平电压UIL。指符合低电平的相应输入电压值，取上限。一般为0.8V。(3)输出高电平电压UOH。指符合高电平的相应输出电压值，取下限。一般为2.4V。(4)输出低电平电压UOL。指符合低电平的相应输出电压值，取上限。一般为0.4V。(5)噪声容限UN指上级输出高电平和下级输入高电平之间的差别裕量，用UNH表示；上级输出低电平和下级输入低电平的差别裕量，用UNL表示。若裕量为零，则工作情况将不可靠。由前四个参数可知UNH=2.4-2=0.4（V），UNH=0.3～0.4V。一、理论知识准备

（一）集成门电路2．集成门电路的主要参数(6)输入高电平电流IIH。用来估计前一级的带拉电源（电流由前级的输出端注向下级的输入端）负载能力。(7)输入低电平电流IIL。用来估计前一级的带灌电流（电流由下级的输入端流向前级的输出端）负载能力。(8)输出短路电流IOS。指输出端对地短路时的输出电流，为20～120mA，如持续时间长，集成电路将被烧毁。(9)每个门的静态功耗PS。由电源电压和电源电流的乘积决定。一般为10～20mW。(10)扇出系数。指该门电路最多可以驱动多少个同样的门电路负载，74LS系列的扇出系数为N=8～10。一、理论知识准备

（一）集成门电路2．集成门电路的主要参数(11)传输延迟时间。通常以输入电压上升到0.5UIH时刻起，到其输出电压下降到0.5UOH时刻止，将输出波形由高到低时的滞后时间记作tpHL，由低到高时的滞后时间记作tpLH，如图6-13所示。74LS00的tpHL值最大为15ms,tpLH值最大为22ms。一、理论知识准备图6-13传输延迟时间的定义

（一）集成门电路2．集成门电路的主要参数(12)工作温度范围TA和贮存温度范围TS。TTL门电路的TA分成三个档次，I类的TA为-55～+125℃；Ⅱ类的TA为-40～+85℃；Ⅲ类的TA为0～+70℃。TS为-65～+150℃。3.CMOS集成逻辑门电路CMOS集成逻辑门电路是由NMOS管和PMOS管构成的，它静态功耗低，抗干扰能力强，稳定性好，开关速度较高，扇出系数大，由于优点突出，在中、大规模集成电路中得到了广泛的应用。一、理论知识准备

（一）集成门电路3.CMOS集成逻辑门电路1）CMOS反相器（1）电路的组成。在图6-14中，工作管T1是增强型NMOS管，负载管T2是PMOS管，两管的漏极D接在一起作为电路输出端，两管的栅极G接在一起作为电路的输入端，T1的源极S1与其衬底相连并搭铁，T2的源极S2与其衬底相连并接电源UDD。一、理论知识准备图6-14CMOS反相器

（一）集成门电路3.CMOS集成逻辑门电路1）CMOS反相器（2）工作原理。如果要使电路中的绝缘栅型场效应管形成导电沟道，T1的栅源电压必须大于开启电压的值，T2的栅源电压必须低于开启电压的值，所以，为使电路正常工作，电源电压UDD必须大于两管开启电压的绝对值之和。当输入电压ui为低电平0V时，T1管的栅源电压小于开启电压，不能形成导电沟道，T1截止，S1和D1之间呈现很大的电阻；T2管的栅源电压大于开启电压，能够形成导电沟道，T2导通，S2和D2之间呈现较小的电阻。电路的输出为高电平UDD。一、理论知识准备

（一）集成门电路3.CMOS集成逻辑门电路1）CMOS反相器（2）工作原理。当输入电压ui为高电平UDD时，T1管的栅源电压大于开启电压，形成导电沟道，T1导通，S1和D1之间呈现较小的电阻；T2管的栅源电压为0V，不满足形成导电沟道的条件，T2截止，S2和D2之间呈现很大的电阻。电路的输出为低电平0V。通过上述分析，电路的输出和输入之间满足“非”逻辑关系，所以该电路为非门电路。由于在稳态时，T1和T2中必然有一个管子是截止的，所以电源向电路提供的电流极小，电路的功率损耗很低。一、理论知识准备

（一）集成门电路3.CMOS集成逻辑门电路2）CMOS传输门和模拟开关当一个PMOS管和一个NMOS管并联时就构成一个传输门，如图6-15所示，其中两管源极相接，作为输入端，两管漏极相连作为输出端，两管的栅极作为控制端，加互为相反的控制电压CP和。PMOS管的衬底接UDD，NMOS管的衬底搭铁。由于CMOS管的结构对称，源极和漏极可以互换，所以输入、输出端可以对换。传输门也称为双向开关。一、理论知识准备图6-15CMOS传输门

（一）集成门电路3.CMOS集成逻辑门电路2）CMOS传输门和模拟开关传输门的工作原理如下。设高电平为10V，低电平为0V，电源电压为10V，开启电压为3V。当控制电压CP=“1”，=“0”时，若输入电压为0～7V，则TN的栅源电压不低于3V，因此TN管导通；若输入电压为3～10V，在0～10V的范围内，至少有一个管子是导通的，输入电压可以传送到输出端。此时传输门相当于接通的开关，双向导通。一、理论知识准备

（一）集成门电路3.CMOS集成逻辑门电路2）CMOS传输门和模拟开关当控制电压CP=“0”，=“1”时，无论输入电压在0～10V之间如何变化，栅极和源极之间的电压无法满足管子导通沟道产生的条件，所以两管子都截止，输入电压无法传送到输出端。此时传输门相当于断开的开关。当传输门的控制信号由一个非门的输入和输出来提供时，就构成一个模拟开关，如图6-16所示。常见的型号有CD4066、CD4051等。一、理论知识准备图6-16CMOS双向模拟开关的电路图和逻辑符号

（一）集成门电路3.CMOS集成逻辑门电路2）CMOS传输门和模拟开关CD4066是一块四双向模拟开关电路，其引脚和内部结构如图6-17所示。一、理论知识准备图6-17CD4066引脚和内部结构图

（一）集成门电路3.CMOS集成逻辑门电路3）门电路使用注意事项（1）电源电压应根据门电路参数的要求选定。一般TTL门电路的电源电压为5V±0.5V。CMOS门电路的电源电压为3～15V。电源电压的极性不能接反。为防止通过电源引入干扰信号，应根据具体情况对电源进行去耦合滤波。（2）输入信号电压的选择，TTL门应在0～5V之间，CMOS门应在0～UCC之间。（3）具有图腾柱结构（集成电路输出级具有有源负载）的TTL门输出端，不允许并联使用。同一芯片上的CMOS门，在输入相同时，输出端可以并联使用（目的是增大驱动能力），否则，输出端不许并联使用。（4）焊接时应选用45W以下的电烙铁，最好用中性焊剂，所用设备应搭铁良好。CMOS电路应在静电屏蔽下运输和存放。严禁带电从插座上拔插器件。一、理论知识准备

（一）集成门电路3.CMOS集成逻辑门电路3）门电路使用注意事项（5）电路的输出端接容性负载时，应在电容之前接限流电阻，避免出现在开机的瞬间，较大的冲击电流烧坏电路。（6）TTL门输入端口为“与”逻辑关系时，多余的输入端可以悬空（但不能带开路长线）、接高电平或并联接到一个已被使用的输入端上。TTL门输入端口为“或”逻辑关系时，多余的输入端可以接电平、搭铁或并联到一个已被使用的输入端上。（7）具有“与”逻辑端口的CMOS门多余的输入端应接UDD或高电平，具有“或”逻辑端口的CMOS门多余的输入端应接UDD或低电平。CMOS门的输入端不允许悬空。一、理论知识准备

（一）集成门电路3.CMOS集成逻辑门电路4）TTL门与CMOS门之间的互连在实际的数字电路系统中，总是将一定数量的集成逻辑电路按需要前后连接起来。由于前级电路的输出将与后级电路的输入端相连，并驱动后级电路工作。这时就存在着电平的配合和负载能力这两个需要妥善解决的问题。（1）TTL电路驱动CMOS电路。TTL电路驱动CMOS电路时，由于CMOS电路的输入阻抗高，所以驱动电流一般不会受到限制，但在电平配合上，低电平是可以的，高电平有时有困难。因为TTL电路在满载时，输出高电平通常低于CMOS电路对输入高电平的要求。因此，为保证TTL电路在输出高电平时，后级的CMOS电路能可靠工作，通常要外接一个提拉电阻R，使输出高电平达到3.5V以上，如图6-18所示。若TTL门和CMOS门的电源不同时，两种门之间可以插入OC门，实现逻辑电平上的过渡。一、理论知识准备

（一）集成门电路3.CMOS集成逻辑门电路4）TTL门与CMOS门之间的互连（1）TTL电路驱动CMOS电路。

一、理论知识准备图6-18TTL电路驱动CMOS电路

（一）集成门电路3.CMOS集成逻辑门电路4）TTL门与CMOS门之间的互连（2）CMOS电路驱动TTL电路。CMOS的输出电平能满足TTL电路对输入电平的要求，而驱动电流将受到限制，主要是低电平时的负载能力。可以采用以下两种方法来解决。①采用CMOS驱动器，如CC4049、CC4050是专门为给出较大驱动能力而设计的CMOS电路。②同一芯片上几个同功能的CMOS电路并联使用，即将其输入端并联，输出端也并联，如图6-19所示。表6-11为TTL和CMOS常用集成门电路。一、理论知识准备

（一）集成门电路3.CMOS集成逻辑门电路4）TTL门与CMOS门之间的互连（2）CMOS电路驱动TTL电路。

一、理论知识准备图6-19CMOS电路驱动TTL电路

（一）集成门电路3.CMOS集成逻辑门电路4）TTL门与CMOS门之间的互连（2）CMOS电路驱动TTL电路。

一、理论知识准备

（二）应用举例1.制动灯故障监测器该电路用一块CMOS与非门数字集成电路CD4011接成非门的形式，用来自动监测汽车制动灯泡的工作状况，如图6-20所示中XD1、XD2为尾部制动信号灯泡，LED1和LED2为驾驶室内的工作指示灯，其工作状况和尾部信号灯相对应，K为制动开关。一、理论知识准备图6-20制动灯故障检测器

（二）应用举例1.制动灯故障监测器当信号灯XD1、XD2完好时，由于灯丝阻值较小，故二极管与YF1和YF3的输入端全为低电平，YF2和YF4的输出端也为低电平，发光二极管LED1和LED2均不亮。当XD1或XD2断路时，YF1或YF3的输入端由于R1、R2接入变高电平，故YF2、YF4输出端为高电平，发光二极管亮。LED1和XD1对应，LED2和XD2相对应。一、理论知识准备

（二）应用举例2.汽车前照灯电子变光器图6-21所示是由一块CMOS双D触发器CD4013构成的汽车前照灯变光电子开关。在图6-21中，触发器D1构成单稳态电路，用来消除开关抖动，保证开关动作时，只输出一个等宽的高电平。输出脉冲宽度由时间常数R2、C1的数值决定。开关K选用不带锁按键开关，当开关按动一下时，S为高电位，使Q输出高电位，经R2对C1充电，R上的电位慢慢升高，当升高到R的阈值电平时，D1触发器复位，Q1变为低电平“0”，这样开关按下一次，保证输出只有一个等宽的脉冲去触发D2。一、理论知识准备

（二）应用举例2.汽车前照灯电子变光器D2构成T触发器，C2、R3为上电复位电路，使开机时D2输出为低电平，继电器不吸合，处在近光位置，每按一次开关，D2在脉冲作用下，翻转一次，继电器改变一次状态，由吸合变放开或由释放变吸合，起到远近光切换的作用。图中R4、DW、C3是稳压电路，为CD4013提供一个稳定的电压。一、理论知识准备图6-21汽车前照灯变光电子开关

（一）实践准备电工电子实验台、连接线。（二）技术要求及注意事项（1）熟知电工电子实训室管理规章制度。（2）在指导教师的指导下完成实践操作。（三）操作步骤通过实训，在通用电工电子实验室设备上测试TTL与非门的最小输入高电平Von和测试TTL与非门的最大输入低电平Voff。二、实践操作

（三）操作步骤1.线路的连接与检验（1）测试TTL与非门的最小输入高电平Von的连接如图6-22所示。二、实践操作图6-22TTL与非门的最小输入高电平Von的测试

（三）操作步骤1.线路的连接与检验（2）测试TTL与非门的最大输入低电平Voff的连接如图6-23所示。二、实践操作图6-23TTL与非门的最大输入低电平Voff的测试图

（三）操作步骤

2.测试（1）将输入端可调直流电源U进行调节，使电压表的读数为2.7V时，用万用表测出U电压值，即为最小输入高电平，又称开门电平Von。记录：（2）将输入端可调直流电源U进行调节，使电压表的读数为0.35V时，用万用表测出U电压值，即为最大输入低电平，又称关门电平Voff。记录：二、实践操作

（1）安装时要注意集成电路外引脚的排列顺序，不要从外引脚根部弯曲，以防折断。（2）焊按时用25W烙铁较合适，焊接时间不要超过3s，焊后用酒精擦干净，以防焊剂腐蚀引线。（3）在调试及使用时，要注意电源电压的大小和极性，以保证+Vcc在4.75～5.25V之间，尽量稳定在+5V，不要超过7V，以免损坏集成电路。（4）输入电压不要高于6V，否则输入管易发生击穿损坏。输入电压也不要低于-0.7V，否则输入管易发生过热损坏。（5）输出为高电平时，输出端绝对不允许碰地，否则输出管会过热损坏，输出为低电平时，输出端绝对不允许碰+Vcc，否则输出管会过热损坏。几个普通TTL与非门的输出端不能接在一起。（6）要注意防止外界电磁干扰的影响，引线要尽量短。若引线不能缩短，要考虑加屏蔽措施或用绞合线。三、学习拓展

子任务3

活塞连杆组故障诊断与修复集成触发器应用

任务描述

在通用电工电子实验室设备上验证RS触发器、D触发器的逻辑关系。本任务主要学习集成触发器。1.了解集成触发器的性能特点；2.理解触发器逻辑表达式的的含义；3.掌握集成触发器的应用。

学习目标建议学时4

学时

（一）集成触发器

各种门电路是构成计算机系统的基本单元电路。这些门电路某一时刻的输出是由当时的输入状态决定的，只要输入发生了变化，输出也随之变化，这类电路称为逻辑电路。然而，在一个复杂的计算机系统中，仅有组合逻辑电路是远远不够的，计算机中还使用着另一种类型的电路，称为时序逻辑电路。这种电路的特点是，它们在某一时刻的输出不仅和当时的输入状态有关，还与电路原来的输出状态有关，触发器是构成时序逻辑电路的基本单元。具有两个基本特征：一、理论知识准备

（一）集成触发器第一，触发器具有两个稳定状态，分别称为“0”状态和“1”状态，在没有外界信号作用时，触发器维持原来的稳定状态不变，即触发器具有记忆功能。具有两个稳定状态的触发器称为双稳态触发器，简称触发器。第二，在一定的外界信号作用下，触发器可以从一个稳定状态转变到另一个稳定状态。这表明触发器可以接收信号，并保存下来。外界信号的作用称为触发，这也是触发器名称的由来。触发器从一个稳态转变到另一个稳态的过程称为翻转。一、理论知识准备

（一）集成触发器1．基本RS触发器基本RS触发器是任何结构复杂的触发器必须包含的一个组成单元，它由两个与非门（可以用两个或非门）交叉连接构成，如图6-24所示。它有两个输入端R和S，两个输出端Q和，在正常工作条件下，两个输出端的逻辑关系是互非的，所以用一个字母表示。当Q=0，=1时，称触发器的状态为“0”态；当Q=1，=0时，称触发器的状态为“1”态。一、理论知识准备图6-24基本RS型触发器

（一）集成触发器1．基本RS触发器1）基本RS触发器的工作原理当时，由于（复位端）为0，这时与非门2的两个输入信号都为1，所以Q=0、=1。当时，由于（置1端）为0，Q=1，这时与非门1的两个输入信号都为1，所以=0。当时，若触发器原来的状态Q=0、=1，与非门1的两个输入信号中一个为0，所以=1；与非门2的两个输入信号都为1，所以Q=0；若触发器原来的状态为Q=1、=0，经分析可得，触发器的状态仍然为Q=1、=0，所以无论触发器原来是何种状态，在输入信号全为1时，触发器保持原状态。一、理论知识准备

（一）集成触发器1．基本RS触发器1）基本RS触发器的工作原理当时，两个与非门的输入信号中均有0，即Q=1、=1，不能满足互非的规定，致使基本RS触发器不能正常工作，因此禁止这种状态发生。这种情况下触发器的状态称为“不定”状态。根据上述分析可知，输入信号是低电平有效，所以在标识的字母上加非门号。一、理论知识准备

（一）集成触发器1．基本RS触发器2）基本RS触发器的逻辑功能的描述描述触发器的逻辑功能通常用下面几种方法：（1）功能真值表。功能真值表以表格的形式反映了触发器从原状态（原态）向新状态（次态）转移的规律。原态用“Qn”表示，次态用“Qn+1”表示。这种方法很适合在时序逻辑电路的分析中使用。基本RS触发器的功能真值表，见表6-12。一、理论知识准备

（一）集成触发器1．基本RS触发器2）基本RS触发器的逻辑功能的描述（2）时序图。时序图是以波形图的形式直观地表示触发器的特性和工作状态的一种方法，在时序逻辑电路的分析中经常使用。如图6-25所示。一、理论知识准备图6-25基本RS触发器时序图

（一）集成触发器2．钟控RS触发器当一个逻辑电路中有多个触发器时，为了使各触发器输出状态的变化在规定时刻发生，所以引入了时钟脉冲信号CP作为触发器状态翻转时刻的控制信号。具有时钟脉冲控制端的触发器称为钟控触发器，也称同步触发器。钟控触发器状态的变化不仅取决于输入信号的变化，还取决于时钟脉冲CP的作用。由此以来，多个触发器就可以在统一的时钟脉冲控制下协调地工作。钟控RS触发器的逻辑电路如图6-26所示。一、理论知识准备图6-26钟控RS触发器

（一）集成触发器2．钟控RS触发器1）工作原理钟控RS触发器由4个与非门组成，与非门1、2组成基本RS触发器，与非门3、4组成引导触发门，称直接复位端（清0端），称直接置位端（置1端），R、S为输入端，CP为时钟输入端。当CP为0时，不论R、S为何电平，引导触发门输出为1，根据基本RS触发器工作原理，触发器输出状态保持不变。当CP为1时，触发器的输出状态由R和S决定。若R=0，S=0，则引导触发门输出都为1，输出次态保持原态不变；若R=1，S=0，则引导触发门3输出0，门4输出1，输出次态为Qn+1=0；若R=0，S=1，则引导触发门3输出1，门4输出0，输出次态为Qn+1=1；若R=1，S=1，则引导触发门3输出0，门4输出0，输出次态不定，为禁止态。一、理论知识准备

（一）集成触发器2．钟控RS触发器2）功能表示图6-27所示为时序图。表6-13是钟控RS触发器真值表。一、理论知识准备图6-27钟控RS触发器的时序图

（一）集成触发器3．JK触发器钟控RS触发器采用电位触发方式，此类触发器存在的主要问题，就是在CP=1期间，若R和S发生多次变化，输出将随着发生多次翻转，即存在“空翻”现象。若触发器出现了空翻，就无法判定触发器的状态。触发器的使用也会因此而受到限制。为确保数字系统的可靠工作，要求触发器来一个CP时钟脉冲至多翻转一次，即避免“空翻”现象。为此，人们研制出电平触发方式的主从触发器、边沿触发方式的维持阻塞触发器等多种类型的、能够抑制“空翻”现象的触发器。JK触发器是功能完善、使用灵活和通用性较强的一种触发器。常用型号有74LS112（下降边沿触发的双JK触发器）、CC4027（上升沿触发的双JK触发器）及74LS276（4JK触发器）等。一、理论知识准备

（一）集成触发器3．JK触发器图6-28所示是74LS112双JK触发器的引脚功能及逻辑符号。其中J和K是控制信号输入端，Q和是输出端，CP是时钟控制输入端，是直接置位（置1）端，是直接复位（清0）端。引脚功能图中字符前的数字相同时，表示为同一个JK触发器端口。一、理论知识准备图6-2874LS112双JK触发器的引脚功能及逻辑符号图

（一）集成触发器3．JK触发器逻辑符号图中CP引线上端的“∧”符号表示边沿触发，无此“∧”符号表示电位触发；引线端处的小圆圈仍然表示低电平触发。两种符号同时都有时，表示触发器状态变化发生在时钟脉冲下降沿到来时刻；有“∧”符号而无小圆圈时表示触发器状态变化发生在时钟脉冲上升沿到来时刻。在时钟触发脉冲CP作用下，JK触发器的输出、输入端子对应关系如下。当J=0，K=0时，触发器的次态保持原态不变，即Qn+1=Qn；当J=1，K=0时，触发器为“1”状态，即无论原态如何，次态Qn+1=1；当J=0，K=1时，触发器为“0”状态，即无论原态如何，次态Qn+1=0；当J=1，K=1时，触发器发生翻转，总有次态Qn+1=。一、理论知识准备

（一）集成触发器3．JK触发器图6=29所示为JK触发器的状态转换图和时序图，表6=14为74LS112JK触发器的功能真值表。一、理论知识准备图6-29JK触发器的时序图

（一）集成触发器3．JK触发器

一、理论知识准备

（一）集成触发器4．D触发器D触发器是只有一个控制信号输入端的触发器，通常为边沿触发器。D触发器分为上升沿触发和下降沿触发两种。它的次态只取决于时钟脉冲触发边沿到来前控制信号D端的状态。图6-30所示为双D74LS74的引脚排列及逻辑符号。一、理论知识准备图6-30双D74LS74的引脚排列及逻辑符号a)引脚排列；b)逻辑符号

（一）集成触发器4．D触发器D触发器的输出和输入之间的关系为：在触发脉冲CP作用下，D=0，则输出Q=0；D=1，则输出Q=1。表6-15是上升沿触发的D触发器真值表。D触发器的时序图如图6-31所示。一、理论知识准备

（一）集成触发器4．D触发器

一、理论知识准备图6-31D触发器的时序图

（一）集成触发器5．T触发器T触发器属于只有一个控制信号输入端的触发器，又称计数触发器，其逻辑功能较简单。当T=1时，触发器的状态翻转；当T=0时，触发器的状态保持不变。相当于将JK触发器的控制端J和K连接在一起时得到的触发器功