《電子應(yīng)用技術(shù)項(xiàng)目教程（第4版）》課件 項(xiàng)目8簡單搶答器的制作

簡單搶答器的制作目錄學(xué)習(xí)目標(biāo)工作任務(wù)知識(shí)鏈接知識(shí)小結(jié)1.會(huì)識(shí)別和測試常用TTL、CMOS集成電路產(chǎn)品。2.能完成簡單搶答器的制作。了解數(shù)字邏輯的概念，理解與、或、非三個(gè)基本邏輯關(guān)系；熟悉邏輯代數(shù)的基本定律和常用公式；掌握邏輯函數(shù)的正確表示方法；熟悉邏輯門電路的邏輯功能，了解集成邏輯門的常用產(chǎn)品，掌握集成邏輯門的正確使用。學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)能力目標(biāo)素質(zhì)目標(biāo)1.培養(yǎng)邏輯思維及自我學(xué)習(xí)能力。2.培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)及奉獻(xiàn)、專研等職業(yè)素養(yǎng)。工作任務(wù)A、B、C、D為搶答操作按鈕開關(guān)。任何一個(gè)人先將某一開關(guān)按下且保持閉合狀態(tài)，則與其對應(yīng)的發(fā)光二極管（指示燈）被點(diǎn)亮，表示此人搶答成功；而緊隨其后的其他開關(guān)再被按下，與其對應(yīng)的發(fā)光二極管則不亮。制作簡易型四人搶答器1.實(shí)訓(xùn)目標(biāo)

（1）了解集成邏輯門芯片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

（2）體驗(yàn)由集成邏輯門實(shí)現(xiàn)復(fù)雜邏輯關(guān)系的一般方法。（3）掌握集成邏輯門的正確使用方法。（1）各小組制訂工作計(jì)劃。（2）識(shí)別簡單搶答器電路原理圖,明確元器件連接和電路連線。（3）畫出裝配圖。（4）完成電路所需元器件的購買與檢測。（5）根據(jù)裝配圖制作搶答器電路。（6）完成搶答器電路功能檢測和故障排除。（7）通過小組討論完成電路的詳細(xì)分析并撰寫任務(wù)工單。2.任務(wù)要求3.實(shí)訓(xùn)電路與說明（1）電路組成

電路原理圖如圖8.1所示,電路中采用了兩種不同的集成門電路,其中,74LS20為雙四輸入與非門,可以實(shí)現(xiàn)4個(gè)輸入信號(hào)與非的邏輯關(guān)系。74LS04為六非門,又稱反相器,可以實(shí)現(xiàn)非邏輯關(guān)系。（2）電路的工作過程初始狀態(tài)（無開關(guān)按下）時(shí)，a、b、c、d端均為低電平，各與非門的輸出端為高電平，反相器的輸出則都為低電平（小于0.7V），因此全部發(fā)光二極管都不亮。當(dāng)某一開關(guān)被按下后(如開關(guān)A被按下),則與其連接的與非門的輸入端變?yōu)楦唠娖?此與非門的輸出端變?yōu)榈碗娖?與之相連反相器的輸出端為高電平,因此發(fā)光二極管L1亮,A組搶答。4.實(shí)訓(xùn)設(shè)備與元器件

實(shí)訓(xùn)設(shè)備：數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)裝置1臺(tái)實(shí)訓(xùn)器件：雙四輸入與非門74LS202片，

六非門74LS04（或CH40106）1片，

發(fā)光二極管4只，

1kΩ電阻8個(gè)，

按鈕開關(guān)4個(gè)，

面包板、配套連接線等。5.安裝與調(diào)試

圖8.2

簡單搶答器裝配圖（1）安裝5.安裝與調(diào)試

圖8.2

簡單搶答器裝配圖（2）功能驗(yàn)證①通電后,分別按下A、B、C、D各開關(guān),觀察對應(yīng)發(fā)光二極管是否點(diǎn)亮。②當(dāng)其中某一發(fā)光二極管點(diǎn)亮?xí)r,再按其他開關(guān),觀察其他發(fā)光二極管的變化。③分別測試IC芯片輸入、輸出引腳的電平變化,自擬表格記錄測試結(jié)果。6.評價(jià)反饋

評分表(與項(xiàng)目1任務(wù)工單的評分表一樣)。8.1邏輯代數(shù)的基本知識(shí)知識(shí)鏈接邏輯代數(shù)又稱為布爾代數(shù)，是用于描述客觀事物邏輯關(guān)系的數(shù)學(xué)方法，也是分析和設(shè)計(jì)邏輯電路的主要數(shù)學(xué)工具。邏輯指事物因果關(guān)系的規(guī)律。例如：開關(guān)通為1燈亮為1電位高為1

斷為0滅為0低為0邏輯代數(shù)中的0和1不表示數(shù)量大小，只表示事物的兩種對立的狀態(tài)。

控制樓道照明的開關(guān)電路開關(guān)A開關(guān)B燈合向上合向上亮合向上合向下滅合向下合向上滅合向下合向下亮ABF001010100111ABF均為僅有二個(gè)取值的變量，稱為邏輯變量。真值表其中A、B為輸入變量，F(xiàn)為輸出變量。

由上可知，開關(guān)的通、斷決定了發(fā)光二極管的亮、滅，反過來也可以從發(fā)光二極管的狀態(tài)推出開關(guān)的相應(yīng)狀態(tài)，這樣的關(guān)系稱為邏輯函數(shù)關(guān)系。它可用邏輯函數(shù)式（也稱邏輯表達(dá)式）來描述，其一般形式為：Y=f（A、B、C、…）。8.1.1邏輯變量和邏輯函數(shù)1、基本邏輯運(yùn)算基本邏輯函數(shù)

與邏輯

或邏輯

非邏輯與運(yùn)算(邏輯乘)

或運(yùn)算(邏輯加)

非運(yùn)算(邏輯非)

邏輯運(yùn)算即邏輯函數(shù)的運(yùn)算，它包括基本邏輯運(yùn)算和復(fù)合邏輯運(yùn)算兩類。8.1.2邏輯運(yùn)算（1）與邏輯與的含義是只有當(dāng)決定一事件的所有條件全部具備時(shí)，這個(gè)事件才會(huì)發(fā)生。111FAB000001010真值表若有0出0；若全1出1

邏輯表達(dá)式

F

=A·B

或

F

=AB多輸入變量的與邏輯表達(dá)式為F=ABCD…邏輯符號(hào)與門(ANDgate)電路或的含義是在決定一事件的各條件中，只要有一個(gè)條件具備，這個(gè)事件就會(huì)發(fā)生。000111FA

B101110邏輯表達(dá)式

F=A+B多輸入變量的或邏輯表達(dá)式為F=A+B

+C+D真值表（2）或邏輯有1出1全0出0邏輯符號(hào)或門(ORgate)

電路（3）非邏輯真值表00FA

11非的含義是當(dāng)條件不具備時(shí)，事件才發(fā)生。邏輯表達(dá)式

F

=A

送1出0送0出1邏輯符號(hào)

非門(NOTgate)

又稱“反相器”

電路（由三種基本邏輯運(yùn)算組合而成）（1）與非運(yùn)算先與后非100011FA

B101110（2）或非運(yùn)算先或后非011100FA

B001010有0出1全1出0有1出0全0出12、復(fù)合邏輯運(yùn)算（3）與或非運(yùn)算（4）異或和同或運(yùn)算100011FAB001010100111FAB001010100011FA

B101110

表示一個(gè)邏輯函數(shù)有多種方法，常用的有：邏輯函數(shù)表達(dá)式、真值表、卡諾圖、邏輯電路圖等。它們各有特點(diǎn)，又相互聯(lián)系，還可以相互轉(zhuǎn)換。1．邏輯函數(shù)表達(dá)式用與、或、非等邏輯運(yùn)算表示邏輯變量之間關(guān)系的代數(shù)式，叫邏輯函數(shù)表達(dá)式，例如，F(xiàn)=A+B，Y=AB+C+D等。(1)把任意一組變量取值中的1代以原變量,0代以反變量,由此得到一組變量的與組合,如A、B、C三個(gè)變量的取值為110時(shí),代換后得到的變量與組合為ABC。(2)把邏輯函數(shù)值為1所對應(yīng)的變量的與組合進(jìn)行或運(yùn)算,便得到標(biāo)準(zhǔn)與或邏輯表達(dá)式。8.1.3邏輯函數(shù)的表示方法2.真值表

列出輸入變量的各種取值組合及其對應(yīng)輸出邏輯函數(shù)值的表格稱真值表。變量函數(shù)AＢＡＢA⊕B000011010111100111111100兩個(gè)變量函數(shù)真值表１１１０該函數(shù)有兩個(gè)輸入變量，共有4種輸入取值組合,分別將它們代入邏輯表達(dá)式,并進(jìn)行求解,可得到相應(yīng)的輸出函數(shù)值。例8.1列出函數(shù)的真值表。ABF00011011１１１１００００例8.2列出函數(shù)的真值表。該函數(shù)有3個(gè)輸入變量，共有23=8種輸入取值組合,分別將它們代入邏輯表達(dá)式,并進(jìn)行求解,可得到相應(yīng)的輸出函數(shù)值。ABCF000001010011100101110111注意：在列真值表時(shí)，輸入變量的取值組合應(yīng)按照二進(jìn)制遞增的順序排列，這樣做既不易遺漏，也不會(huì)重復(fù)。4.邏輯圖

例如畫F=+AB的邏輯圖反變量用非門實(shí)現(xiàn)

與項(xiàng)用與門實(shí)現(xiàn)相加項(xiàng)用或門實(shí)現(xiàn)運(yùn)算次序?yàn)橄确呛笈c再或，因此用三級電路實(shí)現(xiàn)之。由邏輯符號(hào)及相應(yīng)連線構(gòu)成的電路圖。

3.卡諾圖

卡諾圖是圖形化的真值表。

邏輯代數(shù)表示的是邏輯關(guān)系,而不是數(shù)量關(guān)系,這是它與普通代數(shù)的本質(zhì)區(qū)別。邏輯代數(shù)的基本定律顯示了邏輯運(yùn)算應(yīng)遵循的基本規(guī)律,是化簡和變換邏輯函數(shù)的基本依據(jù)。這些定律有其自身的特性,但也有一些和普通代數(shù)相似,因此要嚴(yán)格區(qū)分,不能混淆。在邏輯代數(shù)中只有與邏輯、或邏輯和非邏輯3種基本運(yùn)算。根據(jù)這3種基本運(yùn)算可以導(dǎo)出邏輯代數(shù)的基本法則和定律,如表8.6所示。8.1.4邏輯代數(shù)的基本定律8.2邏輯門電路的基礎(chǔ)知識(shí)知識(shí)鏈接

邏輯門電路：能實(shí)現(xiàn)一些基本邏輯關(guān)系的電路。簡稱門電路或邏輯元器件。

基本門電路有與門、或門、非門。8.2.1基本邏輯門電路

門電路可以由二極管、三極管及阻容等分立元件構(gòu)成，也可由TTL型或CMOS型集成電路構(gòu)成。三種基本門電路邏輯關(guān)系邏輯表達(dá)式電路組成邏輯功能簡述邏輯符號(hào)與Y=A·B全1出1見0出0或Y=A+B全0出0見1出1非見0出1見1出0常見的復(fù)合門電路與非門

異或門

同或門

或非門

與或非門

8.2.2復(fù)合邏輯門

異或門同或門幾種常見的復(fù)合門電路邏輯關(guān)系邏輯表達(dá)式邏輯功能簡述邏輯符號(hào)與非全1出0見0出1或非全0出1見1出0與或非只要有1個(gè)乘積項(xiàng)為1,則輸出為0;其余輸出全為1異或相同出0相異出1同或相同出1相異出08.2.3TTL集成門電路

TTL集成門電路，即晶體管-晶體管邏輯（Transistor-transistorLogic）電路，該電路的內(nèi)部各級均由晶體管構(gòu)成。

74LS00四2輸入與非門的邏輯電路芯片結(jié)構(gòu)及引腳1.常用的TTL集成門（1）TTL與非門74LS00內(nèi)含四個(gè)2輸入與非門，輯表達(dá)式為：74LS20內(nèi)含兩個(gè)4輸入與非門，邏輯表達(dá)式為：74LS20的引腳排列圖（2）TTL與門74LS08內(nèi)含四個(gè)2輸入與門，輯表達(dá)式為：Y=AB74LS08的引腳排列圖（3）TTL非門74LS04內(nèi)含6個(gè)非門，邏輯表達(dá)式為：74LS04的引腳排列圖（4）TTL或非門74LS02內(nèi)含四個(gè)2輸入或非門，輯表達(dá)式為：74LS02的引腳排列圖（5）TTL異或門74LS86內(nèi)含四個(gè)2輸入異或門，邏輯表達(dá)式為：74LS04的引腳排列圖（6）TTLOC門

OC門主要用途：（1）實(shí)現(xiàn)“線與”（2）驅(qū)動(dòng)顯示（3）電平轉(zhuǎn)換返回74LS03內(nèi)含四個(gè)2輸入TTLOC門，輯表達(dá)式為：74LS03的引腳排列圖（7）三態(tài)輸出門（TSL門）控制端高電平有效的三態(tài)功能表EN（控制端）Y（輸出端）EN=1

（正常）EN=0Y呈高阻（懸空）

控制端低電平有效的三態(tài)功能表

（控制端）Y（輸出端）

（正常）Y呈高阻（懸空）三態(tài)輸出門的輸出有高阻態(tài)、高電平和低電平3種狀態(tài)，簡稱三態(tài)門。2、TTL集成門電路參數(shù)（1）輸出高電平UOH和輸出低電平UOL

UOH典型值3.6V,UOL典型值0.3V。對通用的TTL與非門，UOH≥2.4V，UOL≤0.4V。（2）閾值電壓UTH當(dāng)Ui＜UTH時(shí)，輸出高電平UOH保持不變；當(dāng)Ui＞UTH

后，輸出很快下降為低電平UOL并保持不變。（3）扇出系數(shù)N0與非門帶負(fù)載能力。對TTL與非門，N0≥8。（4）平均傳輸延遲時(shí)間tpd

TTL與非門的理想傳輸特性TTL與非門的傳輸延遲時(shí)間從輸入脈沖上升沿的50%處起到輸出脈沖下降沿的50%處止的時(shí)間稱為導(dǎo)通延遲時(shí)間tpd1。從輸入脈沖下降沿的50%處起到輸出脈沖上升沿的50%處止的時(shí)間稱為截止延遲時(shí)間tpd2。tpd1和tpd2的平均值稱為平均傳輸延遲時(shí)間tpd。它是表示門電路開關(guān)速度的一個(gè)參數(shù)。tpd越小，開關(guān)速度就越快，所以此值越小越好。在集成與非門中，TTL與非門的開關(guān)速度比較高。典型值是3～4ns。

ICCL是指輸出為低電平時(shí)，該電路從直流電源吸取的直流電流。ICCH是指輸出為高電平時(shí)，該電路從直流電源吸取的直流電流，通常ICCH＜ICCL。（5）輸出低電平時(shí)電源電流ICCL和輸出高電平時(shí)電源電流ICCH3.TTL集成門電路使用注意事項(xiàng)（1）TTL電路（OC門、三態(tài)門除外）的輸出端不允許并聯(lián)使用，也不允許直接與+5V電源或地線相連。（2）多余輸入端的處理或門、或非門等,多余輸入端不能懸空，只能接地。與門、與非門等,多余輸入端可以做如下處理：①懸空：相當(dāng)于接高電平；②與其他輸入端并聯(lián)使用：可增加電路的可靠性；③直接或通過電阻（100Ω～10KΩ）與電源相接以獲得高電平輸入。（3）電源濾波。一般可在電源的輸入端并接一個(gè)100μF的電容作為低頻濾波，在每塊集成電路電源輸入端接一個(gè)0.01～0.1μF的電容作為高頻濾波。（4）嚴(yán)禁帶電操作。電源濾波CMOS門電路是由N溝道增強(qiáng)型MOSFET和P溝道增強(qiáng)型MOSFET構(gòu)成的一種互補(bǔ)對稱場效應(yīng)管集成門。8.2.4

CMOS集成門（1）CMOS與非門

CD4011是一種常用的四2輸入與非門CD4011（四2輸入與非門）（2）CMOS反相器

CD40106是一種常用的六輸入反相器CD40106（六輸入反相器）1.常用CMOS集成門

CC4016模擬開關(guān)真值表控制端開關(guān)通道1導(dǎo)通0截止（3）CMOS傳輸門CC4016是4雙向模擬開關(guān)傳輸門CC4016的邏輯符號(hào)CC4016的引腳排列圖

（1）靜態(tài)功耗低（2）電源電壓范圍寬從3～18V均可正常工作。（3）抗干擾能力強(qiáng)

輸出高、低電平的差值大。（4）制造工藝較簡單。（5）集成度高，宜于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成。（6）缺點(diǎn)是速度比74LS系列慢。2．CMOS門電路的主要特點(diǎn)(1)應(yīng)注意存放的環(huán)境,防止外來感應(yīng)電勢將柵極擊穿。(2)焊接時(shí)不能使用25W以上的電烙鐵,通常采用20W內(nèi)熱式烙鐵,并用帶松香的焊錫絲,焊接時(shí)間不宜過長,焊接量不宜過大。(3)CMOS集成門電路不用的輸入端,不允許懸空,必須按邏輯要求接VDD或VSS,否則不僅會(huì)造成邏輯混亂,而且容易損壞器件。輸出端不允許直接與VDD或VSS連接,否則將導(dǎo)致器件損壞。(4)VDD接電源正極,VSS接電源負(fù)極(通常接地),不允許反接,在接裝電路、插拔電路器件時(shí),必須切斷電源,嚴(yán)禁帶電操作。(5)器件的輸入信號(hào)不允許超出電壓范圍,若不能保證這一點(diǎn),則必須在輸入端串聯(lián)限流電阻,以起到保護(hù)作用。(6)所有測試儀器,外殼必須良好接地。若信號(hào)源需要換擋,則最好先將輸出幅度減到最小。3.CMOS集成門電路使用注意事項(xiàng)8.3不同類型集成門的接口知識(shí)鏈接

不同類型集成門電路在同一個(gè)數(shù)字電路系統(tǒng)中使用時(shí)，考慮門電路之間的連接問題。門電路在連接時(shí)，前者稱為驅(qū)動(dòng)門，后者稱為負(fù)載門。驅(qū)動(dòng)門必須能為負(fù)載門提供符合要求的高、低電平和足夠的輸入電流，具體條件是：驅(qū)動(dòng)門負(fù)載門連接條件UOH

＞

UIHUOL

＜

UILIOH

＞

IIHIOL

＞

IILTTL系列和CMOS系列的參數(shù)比較參數(shù)TTL集成門CMOS集成門CT74SCT74LSCT74ASCT74ALS4000CC74HCCC74HCT電源電壓/V5555555UOH/V2.72.72.72.74.954.94.9UOL/V0.50.50.50.50.050.10.1IOH/mA-1-0.4-2-0.4-0.51-4-4IOL/mA2082080.5144UIH/V22