实验二集电极开路门电路及三态门电路的研究.pdf

42 实验二 集电极开路门电路及三态门电路的研究 [实验目的实验目的实验目的实验目的] 1．熟悉集电极开路 OC 门及三态 TS 门的逻辑功能和使用方法； 2．掌握三态门构成总线的特点及方法； 3．掌握集电极负载电阻 RL 对 OC 门电路输出的影响 [实验原理及参考电路实验原理及参考电路实验原理及参考电路实验原理及参考电路] 集电极开路门和三态输出门电路是两种特殊 TTL 门电路 （1）集电极开路门 在数字系统中，有时需要将两个或两个以上集成逻辑门的输出端相连，从而实现 输出相与（线与）的功能，这样在使用门电路组合各种逻辑电路时，可以很大程度 地简化电路由于推拉式输出结构的 TTL 门电路不允许将不同逻辑门的输出端直接并接使用，为使 TTL 门电路实现“线与”功能，常把电路中的输出级改为集电极开路 结构，简称 OC（Open Collector）结构 本实验所用 OC 门为四-2 输入与非门 74LS01，电路结构及引脚排列如图 4-7 所示 从图 4-7 可见，集电极开路门电路与推拉式输出结构的 TTL 门电路区别在于：当输 出三极管 T3 管截止时，OC 门的输出端 Y 处于高阻状态，而推拉式输出结构 TTL 门的输出为高电平。

所以， 实际应用时， 若希望 T3 管截止时 OC 门也能输出高电平， 必须在输出端外接上拉电阻 RL 到电源 UCC 电阻 RL 和电源 UCC 的数值选择必须 保证 OC 门输出的高、低电平符合后级电路的逻辑要求，同时 T3 的灌电流负载不能 过大，以免造成 OC 门受损 假设将 n 个 OC 门的输出端并联“线与”，负载是 m 个 TTL 与非门的输入端，为了保 证 OC 门的输出电平符合逻辑要求，OC 门外接上拉电阻 RL 的数值应介于 RLmax 和 RLmin 所规定的范围之内其中， 图 4-7 集电极开路与非门电路结构及 74LS01 引脚排列 R3 T3 T1 T2 R1 R2 Y UCC UCC 4Y 4B 4A 3Y 3B 3A 14 13 12 11 10 9 8 74LS01Y 2A 3B 2Y 2A 2B GND 43 上拉电阻最大值： max'minLUUccoHRnmIIoHiH−=+上拉电阻最小值： RL 值不能选得过大，否则 OC 门的输出高电平可能小于 UOmin ;RL 值也不可太小， 否则 OC 门输出低电平时的灌电流可能超过最大允许的负载电流 IOLmax 。

式中， UOH-------OC 门输出高电平 UOL--------OC 门输出低电平 Ucc'-------负载电阻 RL 所接的外接电源电压 m---------接入电路的负载门输入个数 n--------“线与”输出的 OC 门的个数 m'--------负载门的个数 IiH-------负载门高电平输入电流 IiL--------负载门低电平输入电流 IOLmax------OC 门导通时输出端允许的最大灌电流 IOH--------OC 门输出截止时的漏电流 OC 门电路应用的范围广泛， 利用电路的“线与”特性， 可以方便地实现某些特殊 的逻辑功能， 例如， 把两个以上 OC 结构的与非门“线与”可完成“与或非”的逻辑功能， 实现电平的转换等任务 （1） 三态输出门 图 4-8 三态反相器电路结构及 74LS125 引脚排列 EN R2 D D4 T3 R4 R3 T4 T1 T2 R1 Y A B UCC 1 1EN 2A 1Y 2EN 2A 2Y GND UCC 4EN 4A 4Y 3EN 3A 3Y 14 13 12 11 10 9 8 1 2 3 4 5 6 7 74LS0125 ImIUURiLoLoLcc L'maxmax'min−−=44 三态输出门（简称三态门）的电路结构是在普通门电路的基础上附加控制电路构成 的。

图 4-8a）为三态门电路的结构 本实验采用的三态门 74LS125 三态输出四总线同相缓冲器，图 4-8（b）为 74LS125 的引脚排列图，表 4-4 为其功能表 表 4-4 三态门的功能表 输 入 输 出 EN A Y 0 0 0 0 1 1 1 0 高阻态 1 1 高阻态 从表 4-4 中可以看出，在三态使能端EN的控制下，输出端 Y 有三种可能出现的状态，高阻态、关态（高电平） 、开态（低电平） 当EN=“1”时，电路输出 Y 呈现高阻状态，当EN=“0”时，实现 Y=A 的逻辑功能，即EN为低电平有效 在数字系统中，为了能在同一条线路上分时传递若干个门电路的输出信号，减少各 个单元电路之间连线数目，常采用总线结构，如图 4-9 所示 三态门电路的主要应用之一就是实现总线传输，只要在工作时控制各个三态门的EN端轮流有效，且在任何时刻仅有一个有效，就可以把 A1，A2，A3…….An 信号分别轮流通过总线进行传递 数 据 总 路∶ ∶Y2EN2 A2 1 YnENn An 1 Y1EN1 A1 1 图 4-9 三态门接成总路线结构电路原理图 RL F UCC D C & B A & 1 图 4-10 OC 门实现“线”与逻辑电路原理图 45 [实验设备与器材实验设备与器材实验设备与器材实验设备与器材] THD-1 型数字电路实验箱， GOS-620 示波器， MS8215 数字万用表， 函数信号发生器 [实验内容与步骤实验内容与步骤实验内容与步骤实验内容与步骤] （1）OC 门应用 1）TTL 集电极开路与非门 74LS01 负载电阻 RL 的确定 按图 4-10 连接实验电路，用两个电极开路与非门“线与”后驱动一个 TTL 非门，负载 电阻 RL 用一只 200Ω 电阻和 100KΩ 电位器串联而成，用实验方法确定 RLmax 和 RLmin 的阻值，并和理论计算值相比较，填入表 4-5 中。

表 4-5 负载电阻 RL 的测定 负载电阻 理论值（Ω） 测量值（Ω） RLmax RL RLmin 2）按预习内容（4）连接电路，验证逻辑功能 3）用 OC 门电路作 TTL—CMOS 电路接口的研究，接图 3.3.5 接线，实现电平 转换 ⅰ）用电路输入端加不同的逻辑电平值，用万用表测量与非门输出端 C 端、OC 门输出端 D 端及 CMOS 输出端 F 端的电压值，并将测量结果填入表 3.3.3 中 表 4-6 电平测试数据表 输 入 A B UC（V） UD（V） UF（V） 0 0 0 1 1 0 1 1 ⅱ）在电路输入端加 10KHZ 的方波信号，用示波器观察 C、D、F 各点的波形 记录 (2) 三态输出门 1）按表 3.3.1 验证 74LS125 三态输出门的逻辑功能 将三态门输入端接数字逻辑实验箱上的逻辑开关，使能端 EN 接单脉冲源，输出端 接 LED 指示器，按表 3.3.1 逐项测试其逻辑功能 2）试用 74LS125 实现总线传输 实验电路原理如图 3.3.6 所示，先将三个三态门的使能端都接高电平“1”，Y 端输出， 然后分别将使能端接低电平“0”，观察总线的逻辑状态。

46 [实验参考电路实验参考电路实验参考电路实验参考电路] 1、OC 门实现“线与”逻辑，如图 4-10 所示 2、OC 门实现电平转换，如图 4-11 所示 3、三态门实现总线传输，如图 4-12 所示 [实验报告要求实验报告要求实验报告要求实验报告要求] 1、整理实验数据，分析实验结果，按要求填写表格 2、将示波器观察到的波形画在方格纸上，要求输入、输出波形画在同一个相位 平面上，比较两者的相位关系 3、完成思考题 [实验预习要求实验预习要求实验预习要求实验预习要求] 1、复习 TTL 集电极开路门和三态输出门的工作原理及应用 2、了解 74LS01，74LS125 的功能及外部接线 3、分析图 4-10 中 OC 门的上接电阻的阻值范围，确定实验所选电阻值 4、试用 74LS01 OC 门电路实现函数：EFCDABF++= 5、完成各项实验内容的理论计算 [思考问题思考问题思考问题思考问题] 1、用 OC 门时是否需要外接其他元件？如需要，此元件应该如何取值？ 2、几个 OC 门的输出端是否允许连接在一起？ 3、几个 TS 门的输出端是否允许接在一起？有无条件限制？应该注意什么问 题？ [实验注意事项实验注意事项实验注意事项实验注意事项] 1、进行 OC 门线与实验时，一定要先计算出 RL 值，再继续实验 2、做电平转换实验时，不能将 OC 门的工作电源接到 12V 上，以免烧件 LE数 据 总 路 线 YEN“01 YEN1HZ 1 YEN“11 图 4-12 三态门实现总路线传输电路原图4-11 OC门实现电平平电路原理CMOTT12V 5 RL 2kF D C & & & A B 47 3、做三态门实现总线实验时，三态门的使能端，不能有一个以上同时接低电平 “0”，否则会使电路出错。

4、 CMOS 集成电路的多余输入端绝对不能悬空， 否则会引入干扰导致电路输出 状态不确定 *三态门 三态电路是一种最重要的总线接口电路，它是计算机系统不可缺少的电路在 其他数字系统中，三态电路也得到了愈来愈广泛的应用 所谓“三态”正常“0”态、正常“1”态和高阻态其中，前两态就是图腾结 构的“0”和“1”输出由于此电路的输出阻抗都很低，所以又称低阻“0”态和低 阻“1”态第三态相当于集极开路门输出为“1”时的状态此时，由于“0” ， “1” 的输出都是截止的，电路输出称它为“高阻态” 三态逻辑可用图 1*所示的开关模 型来说明：当开关在中间位置时（不和“0” ， “1”相连，即呈高阻态，简称 Z 态 三态 “与非”门的功能如图 2*（a）所示，图 2*（b）是它的逻辑符号 三态电路具有独特的优点，它的逻辑电路种类较多，常用的有三态缓冲器、三 态驱动器和本实验中用到的是双向总线驱动器/接收器 双向总线驱动器/接收器是常 用的一种三态电路，它既可以接收来自双向总线 DB 的数据，又可把总线 DI 的数据 经驱动器向双向总线传送 （数据在双向总线上的传送是双向的） 74LS245、 74LS125 等是它的典型产品。

74LS245 具有同向输出和反向输出两种电路有两个控制端： “数据使能”端G A · B Y 1 0 0 × 1 0 Z 0 1 正常“1” 正常“0” 正常“1” 正常“0” 正常“1” 正常“0” 图 1* 三态门电路模型 图 2*（a）功能表 图 2*（b）图形符号 ＆ A B G Y 1 ＆ Y A B G 48 DE 及“片选”端CE当CE=“1” ，所以驱动器和接收器均处于高阻态，电路功能被禁止；当CE=“0” ，电路可以接收数据或者向总线传送数据所以，CE端实际上就是三态控制端在CE=“0”时，若 DE=“0” ，则接受器功能被禁止，数据输出端 DO 呈高阻态，此时驱动器是工作的，输入数据 DI 能进入驱动器，从 DB 端 输出；若 DE=“1” ，则接收器工作，它接收来自双向总线 DB 的数据，再从 DO 端 输出，此时，驱动器被禁止，它的输出端呈高阻态74LS245 的管脚排列顺序和功 能如图 3*和表 1*所示 表 1* 74LS245 功能表 INPUTS E DIR OUTPUT L L L H H × Bus B Data to A Bus A Data to B Isolation 图 3* 74LS245 三态门 G GND 11 14 13 12 15 16 17 18 19 20 8。