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1、n实验目的掌握利用函数信号发生器输出数字 方波信号； 学习数字逻辑电平标准及特性参数 的基本知识； 练习TTL/CMOS数字逻辑门芯片的 使用；实验16 集成逻辑门特性测试逻辑门电路的主要参数及使用规则逻辑门电路的主要参数及使用规则结合TTL门掌握逻辑门电路参数定义TTL器件的使用规则CMOS门的主要参数及使用规则扩展知识简述1. TTL与非门电路的主要参数 静态功耗PD: 输出高电平VOH : 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1；VOL 0.4 VVSL，故为逻辑0；（TTL标准高电平VSH =2.
2、4 V，低电平电压VSL =0.4 V） 平均传输延迟时间tpd :tpLH50%50%50%50%tpHL输入同相 输出tpd= (tPLH+tPHL)/2表征门电路开关速度，ns纳秒 级。 TTL门较快，10ns级。 直流噪声容限VNH和VNL :指输入端所允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VON : 允许的最小输入高电平电 压值，约1.8V即当输入在1.8V以上，TTL门 电路判别输入为1，与非后门电路输出VOL。 关门电平电压VOFF : 约0.8V，即输入在0.8V以 下，TTL门判别输入
3、为0，与非后门输出VOH。1. TTL与非门电路的主要参数测试TTL逻辑门电路的电压传输特 性不仅能检查和判 断门电路好坏，还 可以从传输特性上 直接读出其主要静 态参数，如VOH、 VOL、VON、VOFF以及 VNH、VNL 。1. TTL与非门电路的主要参数2. TTL器件的使用规则 工作电源电压+VCC : 要求比较严格（缺点之一），只允许许在 +5V10% 范围围内。电源电压超过5.5V易损坏芯 片；低于4.5V易导致逻辑功能不正常。 实际使用时还要注意电源滤波：尽量缩短 地线以减小干扰。可在电源端到地接1个 100F的电容做低频滤波及1个0.01F0.1F 的电容做高频滤波。 用到
4、的TTL门(器件)的多余输入端的连接TTL或门门、或非门门 多余输输入端：显然不能悬空，只能接GND地； TTL与门门、与非门门 多余输输入端：理论上可悬空视作高电平；但实实用中易受到外界干扰扰 ！故实际电实际电 路中要接+VCC 或 与某个有用输入端并联（但会增加从信号获取的电流。） TTL门输出端的连接不允许输出端直接连+5V或连地。除OC门门和三态态TS门门外，其它门电门电 路的输输出端不允许许并 在一起使用即不可线线与，否则则会引起逻辑逻辑 混乱或损损坏器件。2. TTL器件的使用规则 电源电压+VDD和VSS: +VDD接电源正极，VSS接电源 负极(常为共地0V) ，不可以接反！+
5、VDD一般在+5V +15V较宽范围围内均可正常工作 ，还还允许许波动动10%。 CMOS芯片优点之一 静态功耗: 约在微瓦量级，很低。优于TTL mW 输出高电平VOH : VOHVDD 0.5V 为逻辑为逻辑 1。 输出低电平VOL : VOLVSS+0.5V 为逻辑为逻辑 0 。 输入高、低电平: ViH 0.7VDD；ViL 0.2VDD 平均传输延迟时间tpd : 相对大，50ns级-缺点3. CMOS门参数及使用规则 CMOS门多余输入端的连接：用到的逻辑门逻辑门 的多余输输入端不能悬悬空！必须须按逻逻 辑辑要求接+VDD或VSS；（CMOS输入端悬空时，极易受到感应信号干扰出现错
6、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 CMOS门输出端的连接： （与TTL门规则相同， 除了三态门和OC门），输出端不允许并接 恒定电压 或 其他器件的输出端。 扇出系数N : 一般取N=1020，稍强于TTL。 CMOS输入电流超过1mA就有可能烧坏，注意各种保护措 施。4. 相关扩展知识TTL电路的速度快-传输延迟时间短（10ns级）； 但功耗大（mW级）；工作电源范围严格（5V左右）CMOS电路的速度慢-传输延迟时间长（50ns级） ；但功耗低（静态功耗uW级）；工作电源范围很宽 318V，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
7、特性参数有个基本概念，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DataSheet 所列明的参数来做相应选择或处理。 4. 相关扩展知识74 标准TTL 10mWCD40 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、LVCMOS、ECL、 PECL、LVPECL、RS232、
8、RS485、高速的 LVDS、GTL、数字芯片电平标准转换问题n同样5V工作电源电压74LS系列的TTL门电路输出VOH(min)仅2.7V 而 CD40系列的CMOS电路VIH(min) =3.5V74HC系列的高速CMOS电路VIH(min) =3.15Vn根据前述特性参数可看出，在同样5V电源电压情 况下，CMOS电路可以直接驱动TTL电路；而TTL 电路常常难以直接驱动CMOS电路。故实验中尽量 不要杂用TTL/CMOS门电路芯片。必要时用适当方法（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）使用？ 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
9、接 电阻。 也因此，OC门 输出可以线与！自学-线与 和集电极开路OC门实例： 74HC03 是二输入与非 OC门，管脚定义与74LS00相同VOLn个OC门线与驱动TTL门电路IILIILILIOLVOHVOHIOH多OC门输出线与驱动TTL门电路n个OC门输出线与， 其中任一OC门输出为 低，逻辑总输出即为0 。电路中电流情况如右 图，依此可算出外接电 阻允许的最小值：VOHn个OC门线与驱动TTL门电路IIHIIHILIOH结合前述：线与的OC门输出全为高， 逻辑总输出即为1。电路中电 流情况如右图，依此可算出 外接电阻允许的最大值：多OC门输出线与驱动TTL门电路三态门n三态门，简称
10、TS(Three-state Logic)门， 是在普通门电路的基础上，加使能控制端EN 和控制电路。n三态门除了通常的高、低电平两种输出状态 外，还有第三种输出状态高阻态。处于高 阻态时，电路与负载之间相当于开路。（实验23用到 74HC125）n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！n故虽然输出并接，但并非线与。三态门（实验23用到 74HC125）本次实验内容 1n测量TTL/CMOS与非门输出高、低电平 *通常VOH输出带下拉也应该在3V以上，低于该值建议弃用。万用表直 流电压档空 载 下拉负载(拉电流) 轻载 5.1k下拉负载(拉电流) 重载 510上拉负载(灌
11、电流) 510VOH (V)VOL (V)根据测量的 器件标明管 脚号，再接 线！74HC管 脚同74LS， 但40不同！内容2：测量门传输延迟时间ntpd纳秒级别。用多个门电路串联测量再做平均。；n为门个数时基要展开很宽500Hz数字 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 示波器-触发设置-边沿类型：上边沿/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。74HC管脚同74LS，但4011不同！n自学自练示波器Cursor光标测量操作内容2：测量门传输延迟时间信号源的数字电平方波(同步)输出TTL波形3V的CMOS波形15V的CMOS波形 数字电平方波信号
12、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！内容3：测量电压传输特性 n在示波器上用X-Y显示方式观察曲线，并 用坐标纸描绘出特性曲线，在曲线上标出 VOH、VOL、VON、VOFF，计算VNH、VNL 。 相关仪器操作还记得否？直流电平 & 直流耦合 & 0电平指示X-Y显示切换，X-Y下定原点，读数示波器X-Y方式操作操 作 要 点 ：（1）确认CH1、CH2信号本身正确。正常YT方式，CH1 输入，CH2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 动通道Position。（或 直接在X-Y显示下确定坐标原点）（
13、2）切换模式。TekTDS示波器： Display命令键，屏显菜 单中“格式”。 DS2000示波器：水平调节菜单键，屏显菜 单中“时基”。 由YTXY。（3）确定XY坐标系（原点在屏幕中心点 或 操作确定） ，根据垂直灵敏度读取关键点数据，作图！X-Y方式：CH1X轴接电路输入信号，CH2Y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。还记得么？74LS00电压传输特性根据原点和通道垂 直灵敏度，从电压传 输特性曲线上直接读 出其主要静态参数具 体数值并标记，如 VOH、VOL、VON、 VOFF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
14、电阻上并联0.01uF电容（降低速度）。CD4011电压传输特性芯片管脚图（74HC与LS相同，与40xx不相同）数字芯片工作电源及布线问题Vcc/VDD+5V，GND/Vss电源负极，公共地常用于数字实验的固定5V电源专线分色；缺口齐左；利用边条，横平竖直，不要跨片飞线！选做内容：OC门的应用教材p129面 实验内容8估算并选取适当电阻，再根据实际（二极管不能过亮或太暗）调整。74LS03是OC二输入与非门，虽管脚定义与74LS00相同，但输出要加上拉电阻。1电源5V核对无误，再接入！尽量用固定5V端。2普通TTL、CMOS门输出端不能短路、线与；3用到的门的多余输入端处理方法： TTL与非门、与门：并联、接+5V 、悬空 TTL或非门、或门：并联、接地、悬空 CMOS电路的任何多余输入端均不能悬空！4. 示波器“通道设置”务必保持“直流耦合”，否 则容易发生方波波形畸变！5. 信号发生器注意数字/模拟方波不同输出口！注意事项 小结实验报告要求n内容1电路图（电路图上要标注实际用芯 片及引脚号）和结果表格。n内容2电路图，测量值及tpd计算结果。n内容3传输特性图（坐标系、原点、特征 静态参数值全部要标明，传输特性混乱部分只 需示意）。n内容4的电路图（标明引脚号），参数计 算过程，实验实际波形。n思考题 p130 题3,4,5,6。下次实验请完成预习报告（注意有设计要求）
