1、n實驗目的實驗目的n掌握利用函數信號發生器輸出數掌握利用函數信號發生器輸出數字方波信號；字方波信號；n學習數字邏輯電平標準及特性參學習數字邏輯電平標準及特性參數的基本知識；數的基本知識；n練習練習TTL/CMOS數字邏輯門芯數字邏輯門芯片的使用；片的使用；實驗實驗16 集成邏輯門特性測試集成邏輯門特性測試結合結合TTLTTL門掌握邏輯門電路參數定義門掌握邏輯門電路參數定義TTLTTL器件的使用規則器件的使用規則CMOSCMOS門的主要參數及使用規則門的主要參數及使用規則擴展知識簡述擴展知識簡述1. TTL與非門電路的主要參數與非門電路的主要參數 靜態功耗靜態功耗PD: 輸出高電平輸出高電平VO

2、H : 輸出低電平輸出低電平VOL : 扇出系數N : 帶負載能力，N 8 ，較強；空載 10mW級，相對較大VOH 3.5 V，VSH故為邏輯故為邏輯1；VOL 0.4 VVSL，故為邏，故為邏輯輯0；（TTL標準高電平標準高電平VSH =2.4 V，低電平電壓，低電平電壓VSL =0.4 V） 平均傳輸延遲時間平均傳輸延遲時間tpd :tpLH50%50%50%50%tpHL輸入輸入同相同相輸出輸出tpd= (tPLH+tPHL)/2表征門電路開關速度，表征門電路開關速度，ns納秒納秒級。級。 TTL門較快，門較快，10ns級。級。 直流噪聲容限直流噪聲容限VNH和和VNL :指輸入端所允

3、許的輸入電壓變化的極限范圍。高電平噪聲容限 VNH = VSH VON低電平噪聲容限 VNL = VOFF VSL 開門電平電壓開門電平電壓VON : 允許的最小輸入高電平允許的最小輸入高電平電壓值，約電壓值，約1.8V即當輸入在即當輸入在1.8V以上，以上，TTL門電路判別輸入為門電路判別輸入為1，與非后門電路輸出，與非后門電路輸出VOL。 關門電平電壓關門電平電壓VOFF : 約約0.8V，即輸入在，即輸入在0.8V以下，以下，TTL門判別輸入為門判別輸入為0，與非后門輸出，與非后門輸出VOH。1. TTL與非門電路的主要參數與非門電路的主要參數 vi vO VOH VOL 2.4V VS

4、H VSL 0.4V VOFF VON 0 0.4V 2.4V VSH VSL VNH VNL 與非門電壓傳輸與非門電壓傳輸特性圖特性圖 測試測試TTL邏輯門邏輯門電路的電壓傳輸特電路的電壓傳輸特性不僅能檢查和判性不僅能檢查和判斷門電路好壞，還斷門電路好壞，還可以從傳輸特性上可以從傳輸特性上直接讀出其主要靜直接讀出其主要靜態參數，如態參數，如VOH、VOL、VON、VOFF以及以及VNH、VNL 。1. TTL與非門電路的主要參數與非門電路的主要參數2. TTL器件的使用規則器件的使用規則 工作電源電壓工作電源電壓+VCC : 要求比較嚴格缺點之一），只允許要求比較嚴格缺點之一），只允許在在

5、+5V10% 范圍內。電源電壓超過范圍內。電源電壓超過5.5V易損壞芯片；低于易損壞芯片；低于4.5V易導致邏輯易導致邏輯功能不正常。功能不正常。 實際使用時還要注意電源濾波：實際使用時還要注意電源濾波：盡量縮短地線以減小干擾。可在電盡量縮短地線以減小干擾。可在電源端到地接源端到地接1個個100F的電容做低的電容做低頻濾波及頻濾波及1個個0.01F0.1F的電容的電容做高頻濾波。做高頻濾波。141312111234109856774LS00 四 2 輸入與非門VCC 4B 4A 4Y 3B 3A 3Y& 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND 用到的用到的TTL門門(器件器件)的多

6、余輸入端的連接的多余輸入端的連接 TTL或門、或非門或門、或非門 多余輸入端：多余輸入端： 顯然不能懸空，只能接顯然不能懸空，只能接GND地；地； TTL與門、與非門與門、與非門 多余輸入端：多余輸入端： 理論上可懸空理論上可懸空視作高電平；但實用中易受到外視作高電平；但實用中易受到外界干擾！界干擾！ 故實際電路中要接故實際電路中要接+VCC 或或 與某個有用輸入端并與某個有用輸入端并聯但會增加從信號獲取的電流。）聯但會增加從信號獲取的電流。） TTL門輸出端的連接門輸出端的連接 不允許輸出端直接連不允許輸出端直接連+5V或連地。或連地。 除除OC門和三態門和三態TS門外，其它門電路的輸門外，

7、其它門電路的輸出端不允許并在一起使用即不可線與，否則出端不允許并在一起使用即不可線與，否則會引起邏輯混亂或損壞器件。會引起邏輯混亂或損壞器件。2. TTL器件的使用規則器件的使用規則 電源電壓電源電壓+VDD和和VSS: +VDD接電源正極，接電源正極，VSS接電源負極接電源負極(常為共地常為共地0V) ，不可以接反！，不可以接反！ +VDD一般在一般在+5V +15V較寬范圍內均可較寬范圍內均可正常工作，還允許波動正常工作，還允許波動10%。 CMOS芯片優點之一芯片優點之一 靜態功耗靜態功耗: 約在微瓦量級，很低。優于約在微瓦量級，很低。優于TTL mW 輸出高電平輸出高電平VOH : V

8、OHVDD 0.5V 為為邏輯邏輯1。 輸出低電平輸出低電平VOL : VOLVSS+0.5V 為邏輯為邏輯0 。 輸入高、低電平輸入高、低電平: ViH 0.7VDD；ViL 0.2VDD 1413121112341098567CC4011 四 2 輸入與非門 VDD 4B 4A 4Y 3Y 3B 3A 1A 1B 1Y 2Y 2A 2B VSS 平均傳輸延遲時間tpd : 相對大，50ns級-缺陷3. CMOS門參數及使用規則門參數及使用規則 CMOS門多余輸入端的連接：門多余輸入端的連接： 用到的邏輯門的多余輸入端不能懸空！必須按邏用到的邏輯門的多余輸入端不能懸空！必須按邏輯要求接輯要求

9、接+VDD或或VSS； （CMOS輸入端懸空時，極易受到感應信號干擾出輸入端懸空時，極易受到感應信號干擾出現錯誤的輸出，甚至造成輸入端永久性的擊穿損壞。）現錯誤的輸出，甚至造成輸入端永久性的擊穿損壞。）3. CMOS門參數及使用規則門參數及使用規則 CMOS門輸出端的連接：門輸出端的連接： （與（與TTL門規則相同，除了三態門規則相同，除了三態門和門和OC門），輸出端不允許并接門），輸出端不允許并接 恒定電壓恒定電壓 或或 其他器件的其他器件的輸出端。輸出端。 扇出系數扇出系數N : 一般取一般取N=1020，稍強于，稍強于TTL。 CMOS輸入電流超過輸入電流超過1mA就有可能燒壞，注意各種

10、保護措施。就有可能燒壞，注意各種保護措施。4. 相關擴展知識相關擴展知識 TTL電路的速度快電路的速度快-傳輸延遲時間短傳輸延遲時間短10ns級）；級）；但功耗大但功耗大mW級）；工作電源范圍嚴格級）；工作電源范圍嚴格5V左右）左右） CMOS電路的速度慢電路的速度慢-傳輸延遲時間長傳輸延遲時間長50ns級）；級）；但功耗低靜態功耗但功耗低靜態功耗uW級）；工作電源范圍很寬級）；工作電源范圍很寬318V，其直流噪聲容限也高。，其直流噪聲容限也高。 本實驗是為了讓大家對數字邏輯電平標準及特性參本實驗是為了讓大家對數字邏輯電平標準及特性參數有個基本概念，上述參數不絕對。在實際工程中，數有個基本概念

11、，上述參數不絕對。在實際工程中，嚴格條件下，必須要根據芯片生產商給的嚴格條件下，必須要根據芯片生產商給的DataSheet所列明的參數來做相應選擇或處理。所列明的參數來做相應選擇或處理。 4. 相關擴展知識相關擴展知識 74 標準TTL 10mW CD40 常用小規模CMOS 0.7mW動態功耗）現代發展 課程用的 74LS 低功耗肖特基TTL 2mW CC40 國產的40系列 0.7mW 74HC 高速CMOS 0.2mW 延遲10ns級 （兼具LS高速-低延遲和CMOS低功耗，工作電源26V） 74HCT 兼容TTL電平標準的高速CMOS 當代發展 新器件中的新數字電平標準： LVTTL、

12、LVCMOS、ECL、PECL、LVPECL、RS232、RS485、高速的 LVDS、GTL、數字芯片電平標準轉換問題數字芯片電平標準轉換問題n同樣同樣5V工作電源電壓工作電源電壓n 74LS系列的系列的TTL門電路輸出門電路輸出VOH(min)僅僅2.7V n而而 CD40系列的系列的CMOS電路電路VIH(min) =3.5Vn 74HC系列的高速系列的高速CMOS電路電路VIH(min) =3.15Vn根據前述特性參數可看出，在同樣根據前述特性參數可看出，在同樣5V電源電壓情電源電壓情況下，況下，CMOS電路可以直接驅動電路可以直接驅動TTL電路；而電路；而TTL電路常常難以直接驅動電

13、路常常難以直接驅動CMOS電路。故實驗中盡量電路。故實驗中盡量不要雜用不要雜用TTL/CMOS門電路芯片。必要時用適當方門電路芯片。必要時用適當方法如上拉電阻等作電平轉換。法如上拉電阻等作電平轉換。 普通邏輯門的輸出端不能并聯線與運用？源于 OC門輸出端是懸空的，使用時一定要在輸出端與電源之間接電阻。 也因此，OC門輸出可以線與！自學自學-線與線與 和集電極開路和集電極開路OC門門實例：實例： 74HC03 是二輸入與非是二輸入與非OC門，管腳定義與門，管腳定義與74LS00相同相同VOL & 5V 74LS00 RL & & VCC 74LS03 & m &a

14、mp; n n個個OC門線與驅動門線與驅動TTL門電路門電路IILIILILIOLVOHVOHIOH多多OC門輸出線與驅動門輸出線與驅動TTL門電路門電路CCOL maxP minOLILVVRImI n個個OC門輸出線與，門輸出線與，其中任一其中任一OC門輸出為門輸出為低，邏輯總輸出即為低，邏輯總輸出即為0。電路中電流情況如右圖，電路中電流情況如右圖，依此可算出外接電阻允依此可算出外接電阻允許的最小值：許的最小值：VOH & 5V 74LS00 RP & & VCC 74LS03 & m & n n個個OC門線與驅動門線與驅動TTL門電路門電路CCOH

15、 minPmaxOHIHVVRnIm I IIHIIHILIOHCCOL maxP minOLILVVRImI 結合前述：結合前述： 線與的線與的OC門輸出全為高，門輸出全為高，邏輯總輸出即為邏輯總輸出即為1。電路中電。電路中電流情況如右圖，依此可算出流情況如右圖，依此可算出外接電阻允許的最大值：外接電阻允許的最大值：多多OC門輸出線與驅動門輸出線與驅動TTL門電路門電路三態門n三態門，簡稱三態門，簡稱 TS(Three-state Logic)門，門，是在普通門電路的基礎上，加使能控制端是在普通門電路的基礎上，加使能控制端EN和控制電路。和控制電路。n三態門除了通常的高、低電平兩種輸出狀態三

16、態門除了通常的高、低電平兩種輸出狀態外，還有第三種輸出狀態外，還有第三種輸出狀態高阻態。處于高高阻態。處于高阻態時，電路與負載之間相當于開路。阻態時，電路與負載之間相當于開路。（實驗（實驗23用到用到 74HC125）n也因此三態門輸出可以并接為共享總線形也因此三態門輸出可以并接為共享總線形式但禁止同時選通占用！式但禁止同時選通占用！n故雖然輸出并接，但并非線與。故雖然輸出并接，但并非線與。三態門（實驗（實驗23用到用到 74HC125）本次實驗內容本次實驗內容 1 1n測量測量TTL/CMOSTTL/CMOS與非門輸出高、低電平與非門輸出高、低電平 & +VCC （+5V） VOH

17、RL 5.1k & VOL +VCC （+5V） RL 500 *通常通常VOH輸出帶下拉也應該在輸出帶下拉也應該在3V以上，低于該值建議棄用。以上，低于該值建議棄用。萬用表直萬用表直流電壓檔流電壓檔空空載載 下拉負載下拉負載(拉電流拉電流)輕載輕載 5.1k 下拉負載下拉負載(拉電流拉電流)重載重載 510 上拉負載上拉負載(灌電流灌電流)510 VOH (V)VOL (V)根據測量的根據測量的器件標明管器件標明管腳號，再接腳號，再接線！線！74HC74HC管管腳同腳同74LS74LS，但但4040不同！不同！內容內容2：測量門傳輸延遲時間：測量門傳輸延遲時間ntpd納秒級別。用多個

18、門電路串聯測量再做平均。納秒級別。用多個門電路串聯測量再做平均。2pLHpHLpdtttn ；n為門個數為門個數時基要展開很寬時基要展開很寬500Hz數字數字電平方波電平方波 展寬波形后仍難同時觀測到雙邊沿，可先測單邊，然后調整展寬波形后仍難同時觀測到雙邊沿，可先測單邊，然后調整 示波器示波器- -觸發設置觸發設置- -邊沿類型：上邊沿邊沿類型：上邊沿/ /下邊沿，可測另一邊；下邊沿，可測另一邊； 實在不行則假設兩邊對稱，以單邊沿來推算。實在不行則假設兩邊對稱，以單邊沿來推算。74HC74HC管腳同管腳同74LS74LS，但，但40114011不同！不同！n自學自練自學自練示波器示波器Curs

19、orCursor光標測量操作光標測量操作內容內容2：測量門傳輸延遲時間：測量門傳輸延遲時間信號源的數字電平方波信號源的數字電平方波( (同步同步) )輸出輸出TTLTTL波形波形3V3V的的CMOSCMOS波形波形15V15V的的CMOSCMOS波形波形數字電平方波信號來自同步輸出，數字實驗常用到。數字電平方波信號來自同步輸出，數字實驗常用到。只方波，能調頻率和占空比，幅度則由右邊旋鈕調！只方波，能調頻率和占空比，幅度則由右邊旋鈕調！內容內容3 3：測量電壓傳輸特性：測量電壓傳輸特性 n在示波器上用在示波器上用X-YX-Y顯示方式觀察曲線，并用顯示方式觀察曲線，并用坐標紙描繪出特性曲線，在曲線

20、上標出坐標紙描繪出特性曲線，在曲線上標出VOHVOH、VOLVOL、VONVON、VOFFVOFF，計算，計算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 相關儀器操作還記得否？直流電平相關儀器操作還記得否？直流電平 & & 直流耦合直流耦合 & 0 & 0電平指示電平指示 X-Y X-Y顯示切換，顯示切換，X-YX-Y下定原點，讀數下定原點，讀數示波器示波器X-Y方式操作方式操作操操作作要要點：點： （1確認確認CH1、CH2信號本身正確。正常信號本身正確。正常YT方式，

21、方式，CH1輸入，輸入，CH2輸出，（耦合直流，垂直靈敏度合適）輸出，（耦合直流，垂直靈敏度合適）兩通道零電平位置重合并對準屏幕中線，之后不要再隨意兩通道零電平位置重合并對準屏幕中線，之后不要再隨意動通道動通道Position。（或。（或 直接在直接在X-Y顯示下確定坐標原點）顯示下確定坐標原點）（2切換模式。切換模式。TekTDS示波器：示波器： Display命令鍵，屏顯菜命令鍵，屏顯菜單中單中“格式格式”。 DS2000示波器：水平調節菜單鍵，屏顯示波器：水平調節菜單鍵，屏顯菜單中菜單中“時基時基”。 由由YTXY。（3確定確定XY坐標系原點在屏幕中心點坐標系原點在屏幕中心點 或或 操作

22、確定），操作確定），根據垂直靈敏度讀取關鍵點數據，作圖！根據垂直靈敏度讀取關鍵點數據，作圖！ X-Y X-Y方式：方式：CH1CH1X X軸接電路輸入信號，軸接電路輸入信號，CH2CH2Y Y軸接電路輸出軸接電路輸出信號，所以構成的曲線稱為電路的輸入輸出傳輸特性曲線。信號，所以構成的曲線稱為電路的輸入輸出傳輸特性曲線。還記得么？還記得么？74LS00電壓傳輸特性電壓傳輸特性 vi vO VOH VOL 2.4V VSH VSL 0.4V VOFF VON 0 0.4V 2.4V VSH VSL VNH VNL 與非門電壓傳輸與非門電壓傳輸特性圖特性圖 根據原點和通道垂根據原點和通道垂直靈敏度，

23、從電壓傳直靈敏度，從電壓傳輸特性曲線上直接讀輸特性曲線上直接讀出其主要靜態參數具出其主要靜態參數具體數值并標記，如體數值并標記，如VOH、VOL、VON、VOFF以及以及VNH、VNL 。 門輸出翻轉時，出現負電壓毛刺之類不穩定現象，可以在負載電阻上并聯0.01uF電容降低速度）。CD4011電壓傳輸特性電壓傳輸特性芯片管腳圖芯片管腳圖74HC與與LS相同，與相同，與40 xx不相不相同）同） 141312111234109856774LS00 四 2 輸入與非門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 輸入與非門 VCC 1C 1Y 3C 3B 3A 3Y& 1A 1B 2A 2B 2C 2Y GND&1413121112341098567CC4011 四2輸入與非門 VDD 4B 4A 4Y 3Y 3B 3A 1A 1B 1Y 2Y 2A 2B VSS數字芯片工作電源及布線問題數字芯片工作電源及布線問題141312111234109856774LS00 四 2 輸入與非門VCC 4B 4A 4Y 3B 3A 3Y& 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GNDVcc/VDD+5V，GND/Vss電源負極，公共電源負極，公共地地常用于數字實驗的固定常用于數字實驗的固定5V電源電源專線分色；缺口齊左；利用邊條，橫平豎直