實驗16-TTL與非門測試簡化

1、n實驗目的實驗目的 掌握利用函數(shù)信號發(fā)生器輸出數(shù)字掌握利用函數(shù)信號發(fā)生器輸出數(shù)字 方波信號；方波信號； 掌握掌握TTL邏輯門電路芯片的使用；邏輯門電路芯片的使用； 了解了解CMOS邏輯門電路芯片。邏輯門電路芯片。 實驗實驗16 集成邏輯門特性測試集成邏輯門特性測試 TTLTTL與非門電路的主要參數(shù)與非門電路的主要參數(shù) TTLTTL器件的使用規(guī)則器件的使用規(guī)則 CMOSCMOS與非門電路的主要參數(shù)與非門電路的主要參數(shù) CMOSCMOS器件的使用規(guī)則器件的使用規(guī)則 擴展知識簡介擴展知識簡介 1. TTL與非門電路的主要參數(shù)與非門電路的主要參數(shù) 靜態(tài)功耗PD: 輸出高電平輸出高電平VOH : 輸出低

2、電平輸出低電平VOL : 扇出系數(shù)N : 帶負載能力，N 8 ，較強； 空載 PD 50 mW，相對較大 VOH 3.5 V，VSH故為邏輯故為邏輯1 1； VOL 0.4 VVSL，故為邏輯故為邏輯0 0； （TTL標準高電平VSH =2.4 V，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 : tpLH 50% 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，很小，很小， 一般幾納秒至幾十納秒。一般幾納秒至幾十納秒。 直流噪聲容限直流噪聲容限VNH和和 VNL : 指輸

3、入端所允許的輸入電壓變化的極限范圍。指輸入端所允許的輸入電壓變化的極限范圍。 高電平噪聲容限高電平噪聲容限 VNH = VSH VON 低電平噪聲容限低電平噪聲容限 VNL = VOFF VSL 開門電平電壓開門電平電壓VON : 允許的最小允許的最小輸入輸入高高電平電電平電 壓值，約壓值，約1.8V即當輸入在即當輸入在1.8V以上，以上，TTL門門 電路判別輸入為電路判別輸入為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，即輸入輸入在在0.8V以以 下，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. T

4、TL與非門電路的主要參數(shù)與非門電路的主要參數(shù) 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 測試測試TTL邏輯門邏輯門 電路的電路的電壓傳輸特電壓傳輸特 性性不僅能檢查和判不僅能檢查和判 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(tài)參數(shù)，如態(tài)參數(shù)，如VOH、 VOL、VON、VOFF以及以及 VNH、VNL 。 1. TTL與非門電路的主要參數(shù)與非門電路的主要參數(shù) 2. TTL器件的使用規(guī)則器件的使用

5、規(guī)則 電源電壓電源電壓+VCC : 要求比較嚴格，要求比較嚴格，只允許在只允許在 +5V 10% 范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。電源電壓超過5.5V易損壞 芯片；低于4.5V易導致邏輯功能不正常。 電源濾波電源濾波：TTL器件的高速切換，會產(chǎn)生電流跳 變，其幅度約4mA5mA。該電流在公共走線上的壓降 會引起噪聲干擾，因此，要盡量縮短地線以減小干擾。 可在電源端并接電源端并接1個個100 F的電容作為的電容作為低頻濾波低頻濾波 及及1個個0.01 F0.1 F的電容作為的電容作為高頻濾波高頻濾波。 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，只能接地；只能接地； TTL與門、與非

6、門與門、與非門 多余輸入端：多余輸入端： 理論上可懸空視作高電平；但實用中極易受到外界干擾！但實用中極易受到外界干擾！ 故故實際電路中要實際電路中要接接+VCC 或 與某個有用輸入端并聯(lián)（但 會增加從信號獲取的電流。） TTL門門輸出輸出端的連接端的連接 不允許輸出端直接連+5V或連地。 除除OC門和三態(tài)門和三態(tài)TS門外，其它門電路的輸出端門外，其它門電路的輸出端不允許并在一不允許并在一 起起使用即使用即不可線與不可線與，否則會引起邏輯混亂或損壞器件。，否則會引起邏輯混亂或損壞器件。 2. TTL器件的使用規(guī)則器件的使用規(guī)則 3. CMOS門電路的主要參數(shù)門電路的主要參數(shù) 電源電壓電源電壓+V

7、DD和和VSS: +VDD接電源正極，接電源正極，VSS接電源接電源 負極負極(常為共地常為共地0V) ，不能接反！，不能接反！ +VDD一般在一般在+5V +15V較寬較寬范圍內(nèi)均可正常工作，范圍內(nèi)均可正常工作， 還允許波動還允許波動10%。 CMOS芯片優(yōu)點之一芯片優(yōu)點之一 靜態(tài)功耗靜態(tài)功耗: 約在微微瓦量級，很低。優(yōu)于TTL mW 輸輸出高出高電平電平VOH : VOHVDD 0.5V 為邏輯為邏輯1。 輸輸出低出低電平電平VOL : VOLVSS+0.5V 為邏輯為邏輯0 。 輸輸入高、低入高、低電平電平: ViH 0.7VDD；ViL 0.2VDD 扇出系數(shù)扇出系數(shù)N : 一般取N=

8、1020，稍強于TTL。 CMOS門輸門輸入入端的連接：端的連接： 輸入輸入Vi 應有應有VSSViVDD，可在輸入端串接一只限，可在輸入端串接一只限 流電阻流電阻(10100 ) k （且高速電路不允許輸入端并接） 用到的邏輯門的多余用到的邏輯門的多余的輸入端的輸入端不能懸空！不能懸空！必須按必須按 邏輯要求接邏輯要求接+VDD或或VSS；（；（CMOS集成電路的輸入阻抗相當 高，輸入端懸空時，極易受到感應信號干擾出現(xiàn)錯誤的輸出， 甚至造成輸入端永久性的擊穿損壞。） 4. CMOS器件使用規(guī)則器件使用規(guī)則 CMOS門輸門輸出出端的連接：端的連接： （與（與TTL門規(guī)則相同）門規(guī)則相同） CM

9、OSCMOS門輸出端不允許直接接門輸出端不允許直接接+V+VDD DD或地；除三態(tài)門 或地；除三態(tài)門 外，不允許多個器件的輸出端并接使用。外，不允許多個器件的輸出端并接使用。 數(shù)字芯片電平標準轉(zhuǎn)換問題數(shù)字芯片電平標準轉(zhuǎn)換問題 n根據(jù)前述特性參數(shù)可看出，在同樣根據(jù)前述特性參數(shù)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(qū)動電路可以直接驅(qū)動TTL電路；而電路；而TTL 電路常常不能直接驅(qū)動電路常常不能直接驅(qū)動CMOS電路。故實驗中電路。故實驗中盡量盡量 不要雜用不要雜用不同類型的門電路芯片。必要時用適當方不同類型的門電路芯片。必要時用適當方 法（如上拉電阻等）作法（如上

10、拉電阻等）作電平轉(zhuǎn)換電平轉(zhuǎn)換。 n實例：發(fā)放的數(shù)字芯片有實例：發(fā)放的數(shù)字芯片有 74LS系列的系列的TTL門電路輸出門電路輸出VOH(min)僅僅2.7V， 而而 CD40系列的系列的CMOS電路電路VIH(min)=3.5V， 74HC系列的系列的高速高速CMOS電路電路VIH(min)=3.15V， 相關擴展知識相關擴展知識 本實驗是為了讓大家對本實驗是為了讓大家對數(shù)字電平標準數(shù)字電平標準及其參數(shù)有及其參數(shù)有 個基本概念，故以個基本概念，故以最早的最早的TTL標準標準和早期的和早期的CMOS電電 平標準來講解和實驗。而在實際工程中，平標準來講解和實驗。而在實際工程中，TTL電平芯電平芯 片

11、比較少用了，大多用的是片比較少用了，大多用的是CMOS電平標準電平標準 以及以及 新器件中的新數(shù)字電平標準新器件中的新數(shù)字電平標準，比如 LVTTL、 LVCMOS、ECL、PECL、LVPECL、RS232、RS485 等；還有一些在速度比較高場合用的LVDS、GTL、 PGTL、CML、HSTL、SSTL等電平標準。 本次實驗內(nèi)容本次實驗內(nèi)容 n內(nèi)容內(nèi)容1：測量：測量TTL與非門輸出高、低電平與非門輸出高、低電平 & +VCC （+5V） VOH RL 5.1k & VOL +VCC （+5V） RL 500 * TTL門門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

12、用。以上，低于該值建議棄用。 內(nèi)容內(nèi)容2：測量門傳輸延遲時間：測量門傳輸延遲時間 ntpd納秒級納秒級別。測量用多個門電路串聯(lián)再別。測量用多個門電路串聯(lián)再做平均做平均。 2 pLHpHL pd tt t n ；n為門個數(shù)為門個數(shù) 方波展開很寬可見方波展開很寬可見 500Hz 正方波正方波 若展寬波形后仍難以觀測到雙邊沿，可先測單邊，然后改若展寬波形后仍難以觀測到雙邊沿，可先測單邊，然后改 示波器示波器-觸發(fā)設置觸發(fā)設置-邊沿類型：邊沿類型：上邊沿上邊沿/ /下邊沿下邊沿，測另一邊；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。 n自學自練自學自練示

13、波器（時間時間）光標測量光標測量操作 內(nèi)容內(nèi)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(shù)字方波信號源的數(shù)字方波( (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(shù)字正方波信號來自數(shù)字正方波信號來自同步輸出同步輸出，數(shù)字實驗中常用到。，數(shù)字實驗中常用到。 只方波只方波，能調(diào)頻率和占空比，能調(diào)頻率和占空比，幅度幅度則由則由右邊旋鈕右邊旋鈕調(diào)！調(diào)！ 內(nèi)容內(nèi)容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-Y顯示方式顯示方式觀察曲線，并觀察曲線，并 用坐標紙描繪出特性曲線，在曲線上標出用坐標

14、紙描繪出特性曲線，在曲線上標出 VOH、VOL、VON、VOFF，計算，計算VNH、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？相關儀器操作還記得否？直流電平直流電平 & & 直流耦合直流耦合 & 0& 0電平指示電平指示 X-YX-Y顯示切換，顯示切換，X-YX-Y下定原點，讀數(shù)下定原點，讀數(shù) 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，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

15、直流，垂直靈敏度合適） 兩通道兩通道零電平位置重合零電平位置重合并對準屏幕中線，并對準屏幕中線，之后不要再隨意之后不要再隨意 動通道動通道Position。（。（或或 等會在等會在X-YX-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(diào)節(jié)菜單鍵，屏顯示波器：水平調(diào)節(jié)菜單鍵，屏顯 菜單中菜單中“時基時基”。 由由YTXY。 （3）確定確定XY坐標系坐標系（原點在屏幕中心點（原點在屏幕中心點 或或 操作確定），操作確定）， 根據(jù)垂直靈敏度讀取關鍵點數(shù)據(jù)

16、，作圖！根據(jù)垂直靈敏度讀取關鍵點數(shù)據(jù)，作圖！ X-Y方式方式：CH1CH1X X軸接電路輸入軸接電路輸入信號，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信號，所以構成的曲線稱為電路的輸入輸出傳輸特性輸入輸出傳輸特性曲線。曲線。 還記得么？還記得么？ TTL與非門電壓傳輸特性與非門電壓傳輸特性 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(jù)原點和通道垂根據(jù)原點和通道垂 直靈敏度，從電壓傳直靈敏度，從電壓傳 輸特性曲線上輸

17、特性曲線上直接讀直接讀 出出其主要靜態(tài)參數(shù)具其主要靜態(tài)參數(shù)具 體數(shù)值并標記，如體數(shù)值并標記，如 VOH、VOL、VON、 VOFF以及以及VNH、VNL 。 門輸出翻轉(zhuǎn)時，出現(xiàn)負電壓毛刺之類不穩(wěn)定現(xiàn)象，可以在負 載電阻上并聯(lián)0.01uF電容（降低速度）。 芯片管腳圖芯片管腳圖 14131211 1234 1098 567 74LS00 四 2 輸入與非門 VCC 4B 4A 4Y 3B 3A 3Y & & 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND 14131211 1234 1098 567 74LS04 六反相器 VCC 6A 6Y 5A 5Y 4A 4Y 1A 1Y 2A 2Y 3A 3

18、Y GND 111 111 14131211 1234 1098 567 74LS10 三 3 輸入與非門 VCC 1C 1Y 3C 3B 3A 3Y & 1A 1B 2A 2B 2C 2Y GND & & 14131211 1234 1098 567 74LS20 雙 4 輸入與非門 VCC 2D 2C NC 2B 2A 3Y & 1A 1B NC 1C 1D 1Y GND & 118頁頁 數(shù)字芯片工作電源及布線問題數(shù)字芯片工作電源及布線問題 14131211 1234 1098 567 74LS00 四 2 輸入與非門 VCC 4B 4A 4Y 3B 3A 3Y & & 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND Vcc/VDD+5V，GND/Vss電源負極，公共地電源負極，公共地 常用于數(shù)字實驗的常用于數(shù)字實驗的固定固定5V電源電源 專線分色；缺口齊左；利用邊條，橫平豎直，不要跨片飛線！專線分色；缺口齊左；利用邊條，橫平豎直，不要跨片飛線！ 1 1電源電源5V5V核對無誤，再接入！盡量用固定核對無誤，再接入！盡量用固定5V5V端。端。 2 2普通普通TTLTTL、CMOSCMOS門輸出端不能短路、線與；門輸出端不能短路、線與； 3 3用到的門的多余輸入端處理方法：用到的門的多余輸入端處理方法： TTLTTL與非門、與門：并聯(lián)、接與非門、與門：并聯(lián)、接+5V +