电工与电子技术实验指导第五章单元五数字电子技术实验.ppt

单元五数字电子技术实验,5.1 TTL, CMOS集成逻辑功能和参数测试 5.2 组合逻辑量的测试—表决、符合、半加电路、集成门电路 5.3 集成组合逻辑电路逻辑功能的测试—译码器、数据选择器及其应用 5.4 集成触发器逻辑功能的测试—RS、D , JK角虫发器,下一页,单元五数字电子技术实验,5.5 时序逻辑电路的测试—移位寄存器、计数器 5.6 数字电路故障分析练习—计数、译码、显示电路 5.7 集成门电路构成环形振荡器—TTL、CMOS门电路构成环形振荡器 5.8 555电路构成单稳态电路施密特触发器电路——多谐振荡电路 5.9 D/A , A/D转换电路,上一页,5. 1 TTL、CMOS集成逻辑功能和参数测试,一、实验目的⑴掌握TTL, CMOS集成与非门的逻辑功能和主要参数的测试方法2)掌握TTL, CMOS器件的使用规则3)熟悉数字电路实验装置的结构，基本功能和使用方法 二、实验原理(1)TTL集成逻辑门下一页,返回,5. 1 TTL、CMOS集成逻辑功能和参数测试,本实验采用四输入双与非门74 LS20 ,即在一块集成块内含有两个相互独立的与非门，每个与非门有四个输入端，其逻辑框图，图形符号及引脚排列如图5. 1 ( a ), ( b ), (c) 所示。

①与非门的逻辑功能与非门的逻辑功能是:当输入端中有一个或一个以上是低电平时，输出端为高电平;只有当输入端全部为高电平时，输出端才是低电平(即有“0”得“1”，全“1”得“0”)，其逻辑表达式为 ② TTL与非门的主要参数上一页,下一页,返回,5. 1 TTL、CMOS集成逻辑功能和参数测试,a.低电平输出电流ICCL和高电平输出电流ICCH与非门处于不同的工作状态，电源提供的电流是不同的ICCL是指所有输入端悬空，输出端空载时，电源提供器件的电流;ICCH是指输出端空载，每个门各有一个以上的输入端接地，其余输入端悬空，电源提供给器件的电流通常ICCL>ICCH，它们的大小标志着器件静态功耗的大小器件的最大功耗为PCCL=VCCICCL ICCL和ICCH测试电路如图5. 2 (a)、(b)所示 注意:TTL电路对电源电压要求较严，电源电压Vcc允许在+5 ±10%V的范围内工作，超过5. 5 V将损坏器件;低于4. 5 V器件的逻辑功能将不正常上一页,下一页,返回,5. 1 TTL、CMOS集成逻辑功能和参数测试,b.低电平输入电流IiL和高电平输入电流IiH IiL是指被测输入端接地其余输入接端悬空，输出端空载时，由被测输入端流出的电流值。

在多级门电路中，IiL相当于前级门输出低电平时，后级向前级门灌入的电流，因此它关系到前级门的灌电流负载能力，即直接影响前级门电路带负载的个数，因此IiL应尽量小些 IiH是指被测输入端接高电平，其余输入端接地，输出端空载时，流入被测输入端的电流值在多级门电路中，IiH相当于前级门输出高电平时，前级门的拉电流负载，其大小关系到前级门的拉电流负载能力，因此IiH应尽量小些由于IiH较小，难以测量，一般免于测试IiL与IiH测试电路如图5.2 (c), (d)所示上一页,下一页,返回,5. 1 TTL、CMOS集成逻辑功能和参数测试,c.扇出系数No扇出系数No指门电路能动同类门的个数，它是衡量门电路负载能力的一个参数，TTL与非门有两种不同性质的负载，即灌电流负载和拉电流负载，因此有两种扇出系数，即低电平扇出系数从NOL和高电平扇出系数NOH通常IiH ＜IiL时，则NOH＞NOL，故常以NOL作为门的扇出系数 NOL的测试电路如图5. 3所示，门的输入端全部悬空，输入端接灌电流负载RL，调节RL使IOL增大，VOL随之增高，当VOL达到VOLM(手册中规定低电平规范值为0. 4 V)时的则IOL就是允许灌入的最大负载电流，,上一页,下一页,返回,5. 1 TTL、CMOS集成逻辑功能和参数测试,d.电压传输特性。

门的输出电压Vo随输入电压Vi而变化的曲线Vo=f(Vi)称为门的电压传输特性，通过它可读得门电路的一些重要参数，如输出高电平VOH输出低电平UOL关门电平VOFF、开门电平VON 、 值电平VT及抗干扰容限VL , VH等值测试电路如图5. 4所示，采用逐点测试法，即调节Rp，逐点测得Vi及Vo，然后绘成曲线 e.平均传输延迟时间tpdtpd是衡量门电路开关速度的参数，它是指输出波形对应边沿0. 5 V，至输入波形对应边沿0. 5 Vm点的时间间隔，如图5. 5所示 图5. 5 ( a)中的，tpdL为导通延迟时间，tpdH为截止延迟时间，平均传输延迟时间为,上一页,下一页,返回,5. 1 TTL、CMOS集成逻辑功能和参数测试,tpd测试电路如图5. 5 ( b)所示，由于TTL门电路的延迟时间较小，直接测量时对信号发生器和示波器的性能要求较高，故实验采用测量由奇数个与非门组成的环形振荡器的振荡周期T来求得tpd其工作原理是:假设电路在接通电源后某一瞬间，电路中的A点为逻辑“1“，经过三级门的延迟后，使A点由原来的逻辑“1”变为逻辑“0”;再经过三级门的延迟后，A点电平又重新回到逻辑“1“。

电路中其他各点电平也跟随A点的变化而变化，说明使A点发生一个周期的振荡，必须经过六级门的延迟时间因此平均传输延迟时间为,上一页,下一页,返回,5. 1 TTL、CMOS集成逻辑功能和参数测试,TTL电路的tpd一般在10 ~40 ns之间· 74 LS20主要电参数规范如表5. 1所示2)CMOS集成逻辑门 ① CMOS集成电路是将N沟道MOS晶体管和P沟道MOS晶体管同时用于一个集成电路中，成为组合两种沟道MOS管性能的更优良的集成电路CMOS集成电路的主要优点是: a.功耗低，其静态工作电流在10-9A数量级，是日前所有数字集成电路中最低的，而TTL器件的功耗则大得多.,上一页,下一页,返回,5. 1 TTL、CMOS集成逻辑功能和参数测试,b.高输入阻抗，通常大于1010，远高于TTL器件的输入阻抗c.接近理想的传输特性，输出高电平可达电源电压的99. 9%以上，低电平可达电源电压的0. 1%以下，因此输出逻辑电平的摆幅很大，噪声容限很高 d.电源电压范围广，可以在+3-+18 V范围内正常运行 e.由于有很高的输入阻抗，因而要求驱动电流很小，约为0. 1 μA ,输出电流在+5 V电源条件下约为500μA，远小于TTL电路，如用此电流来驱动同类门电路，其扇出系数将非常大。

在一般低频率时，无须考虑扇出系数，但在高频时，,上一页,下一页,返回,5. 1 TTL、CMOS集成逻辑功能和参数测试,后级门的输入电容将成为主要负载，使其扇出能力下降，所以在较高频率工作时，CMOS集成电路的扇出系数一般取10一20② COMS集成电路逻辑功能尽管CMOS与TTL集成电路内部结构不同，但它们的逻辑功能完全一样本实验将测定与门CC4801、或门CC4071、与非门CC4011、或与非门CC4001的逻辑功能各集成块的逻辑功能与真值表参阅教材及有关资料 ③CMOS与非门的主要参数CMOS与非门主要参数的定义及测试方法与TTL电路相仿，从略上一页,下一页,返回,5. 1 TTL、CMOS集成逻辑功能和参数测试,④CMOS集成电路的使用规则由于CMOS集成电路有很高的输入阻抗，这给使用者带来一定麻烦，外来的干扰信号很容易在正级悬空的输入端感应出很高的电压，以致损坏器件CMOS集成电路的使用规则如下: a. VDD接电源正极，Vss接电源负极(通常接地1)，不得接反CC4000系列的电源允许电压在+3一+8V范围内选择，实验中一般要求使用+5一+15 V电源 b.所有输入端一律不准悬空。

闲置输入端处理方法:按照逻辑要求，直接接VDD(与非门)或Vss (或非门);在工作频率不高的电路中，允许输入端并联使用上一页,下一页,返回,5. 1 TTL、CMOS集成逻辑功能和参数测试,c.输出端不允许直接与VDD或Vss连接，否则将导致器件损坏d.在搭接电路、改变电路连接或插、拔电路时，均应先切断电源，严禁带电操作e.焊接、测试和储存时的注意事项:电路应存放在导电的容器内，有良好的静电屏蔽效果;焊接时必须先切断电源，电烙铁外壳必须良好接地，或拔下烙铁，靠余热焊接;所有的测试仪器必须良好接地 三、实验设备与器件,上一页,下一页,返回,5. 1 TTL、CMOS集成逻辑功能和参数测试,(1)+5 V直流电源; (2)逻辑电平开关; (3)逻辑电平显示器; (4)直流数字电压表; (5)直流微安表; (6)直流毫安表; ⑺连续脉冲源; ⑻双踪示波器; (9)CC4011、CC4001、CC4071、CC4081、电位器100 kΩ、电阻1 k Ω ; (10)74 LS20 x 2 , 1 k Ω , 10 k Ω电位器，200 Ω电阻器(0. 5 W)。

四、实验内容,上一页,下一页,返回,5. 1 TTL、CMOS集成逻辑功能和参数测试,(1)TTL集成逻辑门逻辑功能与参数测试 要合适的位置选取一个14 DIP插座，按定位标记插好74 LS20集成块 验证TTL集成与非门74 LS20的逻辑功能 按图5. 6接线，门的四个输入端接逻辑开关输出插口，以提供“0”与“1”电信号，开关向上，输出，逻辑“1“，向下为逻辑“0”门的输出端连接由LE D组成的逻辑电平显示器(又称0一1指示器)的显示插口，LE D亮为逻辑“1“，不亮为逻辑“0“按表5. 2的真值逐个测试集成块中两个与非门的逻辑功能74 LS20有四个输入端，有16个最小项，在实际,上一页,下一页,返回,5. 1 TTL、CMOS集成逻辑功能和参数测试,测试时，只要输入1111 , 0111 , 1011、1101、1110五项进行检测就可判断其逻辑功能是否正常 74 LS20主要参数的测试 ①分别按图5. 2、图5. 3和图5. 5(b)接线并进行测试，将测试结果记入表5. 3中 ②按图5. 4接线，调节电位器Rp，使Vi从零伏向高电平变化，逐点测量Vi和Vo的对应值，记入表5. 4中。

(2 ) CMOS集成逻辑门逻辑功能与参数测试 ① CMOS与非门CC4011参数的测试(方法与TTL电路相同) a测试CC4011一个门的IccL、IccH、IiL、Ii H 值上一页,下一页,返回,5. 1 TTL、CMOS集成逻辑功能和参数测试,b测试CC4011一个门的传输特性(一个输入端作信号输入，另一个输入端接逻辑高电平） c.将CC4011的三个门串联接成振荡器，用示波器观测输入、输出波形，并计算出tpd值②验证CMOS各门电路的逻辑功能，判断其好坏 验证与非门CC4011、与门CC4081、或门CC4071及或非门CC4001的逻辑功能，如图5. 7所示，其引脚见附录 以CC4011为例:测试时，选好某一个14 DIP插座，插入被测器件，其输入端A, B接逻辑开关的输出插口，其输出端Y接至逻辑电平显示器输入插口，拨动逻辑电平开关，逐个测试各门的逻辑功能，并将相关数据记入表5. 5中上一页,下一页,返回,5. 1 TTL、CMOS集成逻辑功能和参数测试,③观察与非门、与门、或非门对脉冲的控制作用 选用与非门按图5. 8 (a), ( b)接线，将一个输入端接连续脉冲源(频率为20 kHz),用示波器观察两种电路的输出波形，记录之。

然后测定“与门”和“或非门”对连续脉冲的控制作用 五、实验报告(1)记录、整理实验结果，并对结果进行分析2)用坐标纸画出实测的电压传输特性曲线，并从中读出各有关参数值3)根据实验结果，写出各门电路的逻辑表达式，并判断被测电路的功能好坏。