实验一 TTL和CMOS集成门电路参数测试.docx

第 2章数字电路与逻辑设计基本实验2.1 TTL 和 CMOS 集成门电路参数测试2.1.1 实验目的1. 了解TTL和CMOS逻辑门电路的主要参数及参数意义2. 熟悉TTL和CMOS逻辑门电路的主要参数的测量方法3. 掌握TTL和CMOS逻辑门电路的逻辑功能及使用规则4. 掌握数字电路与逻辑设计实验的基本操作规范2.1.2 实验仪器及器件序号仪器或器件名称型号或规格数量1双踪示波器、数字示波器CS-4125、DS102212数字逻辑实验箱SBL型13指针式万用表500HA 型142输入四与非门（TTL）74LS00152输入四与非门（CMOS）CD401116PC机和仿真软件Multisim仿真软件12.1.3 实验原理逻辑门电路早期是由分立元件构成，体积大，性能差随着半导体工艺的不断发展，电 路设计也随之改进，使所有元器件连同布线都集成在一小块硅芯片上，形成集成逻辑门集 成逻辑门是最基本的数字集成元件，目前使用较普遍的双极型数字集成电路是TTL逻辑门 电路，它的品种已超过千种CMOS逻辑门电路是在TTL电路问世之后，所开发出的另一 种广泛应用的数字集成器件从发展趋势来看，由于制造工艺的改进， CMOS 器件的性能 有可能超越TTL而成为占主导地位的逻辑器件oCMOS器件的工作速度可以接近TTL器件， 而它的功耗和抗干扰能力则远优于TTL器件。

早期生产的CMOS门电路为4000系列，随 后发展为4000B系列当前与TTL兼容的CMOS器件如74HCT系列等，可与TTL器件替 换使用通过本次实验，希望同学们初步掌握数字电路集成芯片的使用方法及实验的基本操 作规范图 2.1.1 74LS00 管脚排列及逻辑符号（一） TTL与非门的参数本实验采用TTL双极型数字集成逻辑门器件74LS00,它有四个2输入与非门，封装形 式为双列直插式，引脚排F列及逻辑符号如图2.1.1所示，其中A、B为输入端，Y为输出端， 输入输出关系为Y ABTTL逻辑门电路主要参数有：1.电源特性参数ICcl、【CCHICCL是指输出端为低电平时电源提供给器件的电流，即逻辑门的输入端全部悬空或接高 电平时，且该门输出端空载时电源提供器件的电流；；CCH是指输出为高电平时电源提供给器 件的电流，即输入端至少有一个接地，输出端空载时电源提供器件的电流注意图2.1.1所 示器件，四个门的电源VCC引线是连在一起的，实验测量时，所测得电流是单个门电流的四 倍2 •输入特性参数IIL、IIHIIL是指一个输入端接地，其它输入端悬空或接高电平，从输入端流向接地端的电流；;IH 是指一个输入端接高电平VCC，其它输入端接地，高电平VCC流向输入端的电流。

图2.1.3 TTL电压传输特性曲线3.电压传输特性参数电压传输特性是指输出电压V随输入电压Vi变化的关系，图2.1.3所示为TTL逻辑门 电路电压传输特性曲线该图为理论的电压传输特性曲线，从特性曲线图中可以得到TTL 逻辑门主要参数如下：输出低电平VOL，是指当与非门输入端均接高电平或悬空时的输出电压值，当输出空载 时VolW0.3V,当输出接有灌电流负载时，VOL将上升，其允许最大值VOLmax为0.4V输出高电平VOh，是指当与非门有一个或一个以上的输入端接地或接低电平时的输出电 压值，当输出空载时Voh~4.2V,当输出接有拉电流负载时，VOH将下降，其允许最小值 VOHmin 为 2.4V开门电平VON（ViHmin），是指保持输出为低电平时的最小输入高电平，一般VonW1.8V, LS系列约1.2V左右关门电平VOFF（ViLmax），是指保持输出为额定高电平的90%时的最大 输入低电平，一般Voff20.8V阈值电平vth，是指在电压传输特性曲线中输出电平急剧变化中点附近的输入电平值， 一般为1.4V （标准型）或1.0V （LS型）当与非门输入电平为Vth时，输入的极小变化可引 起输出状态迅速变化，利用这个特性，可以构成多谐振荡器。

直流噪声容限VN，是指在最坏的条件下，输入端所允许的输入电压变化的极限范围 其中，低电平直流噪声容限vnl定义为vnl=voff- VOLmax；高电平直流噪声容限vnh定义 为：VNH=VOHmin — VON4•输出特性参数NNO为扇出系数，是指电路能驱动同类门电路的数目，用以衡量电路带负载的能力在 输出低电平时，假设因灌电流负载造成VOl的上升不超过0.4V,贝V可从相应的输出特性上 查得最大允许的灌电流IOLmax，由此可算出输出低电平时的扇出系数为NOL=IOLmax/IILmaxo在 输出高电平时，设因拉电流负载造成VOh的下降不低于2.4V，则可从相应输出特性上查得 最大允许的拉电流I0Hmax，由此可得输出高电平时的扇出系数为NoH=IoHmax/IlHmax 5.动态特性参数tpdtpd（tpLH+tpHL pLH图2.1.4传输时延tpd2.1.4 所示，即 tpd=（二） TTL与非门的逻辑功能根据与非门的工作原理，输入端全为高电平时输出为低电平，否则输出为高电平实 验时输入端的高低电平可由逻辑开关提供，开关拨上为逻辑'1”，拨下为逻辑'0”，输出可 用指示灯显示，输出高电平则指示灯亮，输出低电平则灭，这样就可观察指示灯的变化情况 确定输入输出的逻辑关系。

三） CMOS与非门的主要参数CMOS与非门主要参数的定义与TTL电路相仿，从略参数在测试的时候，多余输入 端的处理上与TTL电路不同一般情况下，多余的输入端口接电源或者接地（根据芯片逻 辑功能要求），但在稳定性要求极高的电路中，多余的输入端口还要接保护电路2.1.4实验内容（一）基础实验部分表2.1.1 TTL与非门逻辑功能测试1. TTL与非门逻辑功能的测试实验箱总开关处OFF状态，把一块74LS00固定在实 验箱的插座上，连接14脚电源VCC至实验箱+5V端口，连接 7脚GND至实验箱接地端口，从74LS00中任选一个与非门， 它的两个输入端A、B分别接逻辑开关，由开关提供输入的高、 低电平，输出端接指示灯，由指示灯的亮、灭表示输出的高、ABY低低低高高低高高低电平改变开关的状态，观察指示灯的变化，将实验结果 记录在表2.1.1中2. TTL与非门的参数测试* （1）电源电流 ICCL、ICCH按图2.1.5连接电路，电流表串接在电源和集成块电源管脚之 间，注意电流表的量程和极性当所有的输入端悬空时，电流表读 数即为4Iccl;当所有的输入端接地时，电流表读数即为4ICCHo （电 流表所测得的值是整个集成块四个与非门电源电流之和，单个门的电源电流仅为所测值四分之一）。

图2.1.5与非门电源特性参数测试电路则单个门的静态功耗最大值Pmax=VCc*ICcL记录： 单个门I =CCL单个门I =CCH —单个门P =max v* (2)输入低电平电流IIL 按图2.1.6连接电路，与非门输入端中任取一个串接电流表接 地，另一输入端悬空，记录电流表读数即为IIL记录：IIL= 图2.1.6与非门输入低电平电流测试电路*(3)输入高电平IIH按图2.1.7连接电路，与非门输入端中任取一个串接电流表接 电源，另一输入端接地，记录电流表读数即为IIH记录：IIH=+5V图2.1.7与非门输入高电平电流参数测试电路* (4)扇出系数NO按图2.1.8连接电路，与非门输入端悬空，输出端接电压表， 同时连接电流表和电阻Rl至电源，Rl是由一个200 Q和一个可调 电阻(实验箱提供)4.7K串联而成，调节Rl中可调电阻阻值，同 时观察记录电压表读数V当其值为0.4V时，记录电流表读数 I则 No=Io/IiL记录：+5Y 20011 1 I-F-1NO= 图2.1.8 TTL扇出系数测试电路(5)电压传输特性曲线+5V按图2.1.9连接电路，电位器10K的两个固定端分别接电源 和地，可调端接逻辑门的一个输入端，再并接一个电压表，另 一个输入端悬空，输出端接另一个电压表，调节电位器，输入 电压从零逐渐增大，具体输入电压的变化按表2.1.2提供的数据 进行测量。

实验完成后，根据所测的数据，在直角坐标纸上画 出传输特性曲线，并且在图上标出VOL、VOH、VON、VOFF>vth、等参数，并求出直流噪声容限图2.1.9电压传输特性曲线测试电路表2.1.2 (单位V)电压测试记录表VI00.30.50.850.90.951.01.051.11.151.21.31.41.5VO* (6)传输时延的测试tpd是衡量门电路开关速度的参数，它是指输入波形边沿的0.5Vm处至输出波形对应边 沿0.5&m处的时间间隔，如图2.1.4所示，tpHL为导通延迟时间，tpLH为截止延迟时间，传 输时延为tpd=0.5(tpHL+tpLH)测试电路如图2.1.10所示，可选用两块74LS00或一块74LS04按图2.1.10连接电路，用示波器观察振荡波形，从而求出传输时延tpd图2.1.10 TTL门电路tpd测试电路VDD&

表2.1.3电压测试记录表(单位V)tpd是衡量门电路开关速度的参数，它是指输入波形边沿的0.5Vm至输出波形对应边沿 0.5Vm点的时间间隔，如图2.1.4所示tpHL为导通时间，tpLH为截止延迟时间，平均传输 延迟时间为tpd=0.5(tpHL+tpLH)其测试电路如图2.1.12所示，选CD4011B中一个与非门， 输入端接入丄100KHZ的矩形波，用双踪示波器观察输入输出波形，测出tpHL及tpLH，计算 出传输时延tpd4.用Multisim仿真软件设计TTL逻辑门电路的传输时延td测试电路，并用软件仿真 d该电路求其传输时延tpd2.1.5思考题1. 实验用TTL74LS系列集成电路电源电压的范围是多少？2. 为什么说与非门是万能门？试说明如何用二输入与非门实现与、或、非逻辑关系3. 对于TTL门电路，输入端悬空相当于什么电平？多余的输入端，在实际接线中应如 何处理？*4.扇出系数NO是什么含意？怎样求得？在求NO中可以把IIL用IIH替代吗？为什么？5•推拉式TTL逻辑门输出端能否并联使用？为什么？6. COMS门电路的多余。