数字电子技术实验指导书

数字电子技术实验指导书-1-实验一TTL集成逻辑门电路的参数的测试一．预习要求1．预习TTL与非门有关内容，阅读TTL电路使用规则。2．与非门的功耗与工作频率和外接负载情况有关吗？为什么？3．测量扇出系数的原理是什么？为什么一个门的扇出系数仅由输出低电平的扇出系书来决定？4．为什么TTL与非门的输入引脚悬空相当于接高电平？5．TTL门电路的闲置输入端如何处理？二．实验目的1．掌握TTL集成与非门的主要参数、特性的意义及测试方法。2．学会TTL门电路逻辑功能的测试方法。三．实验原理TTL集成与非门是数字电路中广泛使用的一种逻辑门，本实验采用4输入双与非门74LS20，在一片集成块内含有两个互相独立的与非门，每个与非门有四个输入端。74LS20内部逻辑图及引脚排列如图1-1(a)、（b）所示。图1-1（a）数字电子技术实验指导书-2-1.与非门的逻辑功能与非门的逻辑功能是：当输入端有一个或一个以上的低电平时，输出端为高电平；只有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”。）对与非门进行测试时，门的输入端接数据开关，开关向上为逻辑“1”，向下为逻辑“0”。门的输出端接电平指示器，发光管亮为逻辑“1”，不亮为逻辑“0”。基本测试方法是按真值表逐项测试，但有时按真值表逐项进行测试似嫌多余，对于有四个输入端的与非门，它有十六个最小项，实际上只要按表1-1所示的五项进行测试，便可以判断此门的逻辑功能是否正常。表1-12.TTL与非门的主要参数（1）导通电源电流ICCL与截止电源电流ICCH与非门在不同的工作状态，电源提供的电流是不同的，ICCL是指输出端空载，所有输入端全部悬空，与非门处于导通状态，电源提供器件的电流。ICCH是指输出端空载，输入端接输入输出AnBnCnDnF1F211110111101111011110图1-2（a）图1-2（b）图1-1（b）数字电子技术实验指导书-3-地，与非门处于截止状态，电源提供器件的电流。测试电路如图1-2(a)、（b）所示。通常ICCLICCH，它们的大小标志着与非门在静态情况下的功耗大小。导通功耗：PCCL=ICCLUCC截止功耗：PCCH=ICCHUCC由于ICCL较大，一般手册中给出的功耗是指PCCL。（2）低电平输入电流IIL与高电平输入电流IIHIIL是指被测输入端接地，其余输入端悬空，流出被测输入端的电流，如图1-3（a）所示，在多级门电路中它相当于前级门输出低电平时，后级向前级门灌入的电流，因此它的大小关系到前级门的灌电流负载能力，因此希望IIL小些。IIH是指被测输入端接高电平，其余输入端接地，流入被测输入端的电流，如图1-3（b）所示，在多级门电路中它相当于前级门输出高电平时，前级门的拉电流负载，它的大小关系到前级门的拉电流负载能力，因此希望IIH小些。由于IIH较小，难以测量，所以一般免于测试此项内容。（3）扇出系数NO扇出系数是指门电路能驱动同类门的个数，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：灌电流负载和拉电流负载，因此有两种扇出系数：低电平扇出系数NOL、高电平扇出系数NOH。低电平扇出系数NOL测试电路如图1-4所示，门的输入端全部悬空，输出端接灌电流负载，调节RW使IOL增大，UOL随之增高，当UOL达到UOLM(手册中规定低电平规范值为0.4V)时的IOL就是允许灌入的最大负载电流IOLM，则图1-4图1-3(b)图1-3(a)数字电子技术实验指导书-4-NOL=ILOLMIINOL的大小主要受输出低电平时，输出端允许灌入的最大负载电流IOLM的限制，如灌入的负载电流超出该值，输出低电平将显著升高，以致造成下级门电路的误动作。高电平扇出系数NOH通常IIHIIL∴NOHNOL,故常以NOL作为门的扇出系数。（4）电压传输特性与非门的输出电压UO随输入电压UI而变化的曲线UO=f(UI)称为电压传输特性，如图1-5所示。它是门电路的重要特性之一，通过它可以知道与非门的一些重要参数，如输出高电平UOH、输出低电平UOL、关门电平UoFF、开门电平UoN、阀值电平UT及抗干扰容限UNL、UNH等。电压传递特性的测试方法很多，最简单的方法是逐点测试法，测试电路如图1-6所示，调节电位器RW，逐点测出输入电压UI及输出电压Uo，绘成曲线。（5）平均传输延迟时间tpdtpd是衡量门电路开关速度的参数，是指输出波形边沿0.5Um点相对于输入波形对应边沿0.5Um点的时间延迟，如图1-7所示。门电路的导通延迟时间为tpdL,截止延迟时间为tpdH,则平均时间tpd=21（tpdL+tpdH）。tpd的测试方法如图1-8所示，此时与非门作为非门使用，它的输出信号与输入信号是反相的，将三个门（奇数个门）首尾相接构成一个环形振荡器。由分析可知，这个电路的振荡周期T与门的平均延迟时间tpd的关图1-5图1-6图1-7数字电子技术实验指导书-5-系为tpd=6T，用示波器或频率计测出振荡波形uo的周期，则可求出tpd值。（需用50～100MHz的示波器或频率计进行测量）4输入双与非门74LS20的主要参数规范如表1-2所示：表1-2参数名称符号规范值单位测试条件导通电流ICCL≤14mAUcc=5.5V,输入端空载，输出端空载截止电流ICCH≤7mAUcc=5.5V,输入端接地，输出端空载低电平输入电流IIL≤1.8mAUcc=5.5V,被测输入端接地，其它输入端悬空，输出端空载高电平输入电流IIH≤50μAUcc=5.5V,被测输入端UIH=2.4V，其它输入端接地，输出端空载输出高电平UOH≥2.4VUcc=5.5V,被测输入端UIL=0.8V，其它输入端悬空，输出端IOH=400μA输出低电平UOL≤0.4VUcc=4.5V,输入端UOH=2.0V，输出端IOL=12.8mA扇出系数NO≥8同UOH和UOL平均传递延迟时间tpd30nsUcc=5V,输入端输入信号UIN=3V，f=2MHz，tv、tf=10～15ns3．TTL集成电路使用注意事项（以TTL与非门为例）（1）接插集成块时，要认清定位标记，不得插反。（2）电源电压使用范围+4.5V～+5.5V之间，实验中要求使用UCC=+5V。电源绝对不允许接错。（3）闲置输入端处理方法：(a)悬空，相当于正逻辑“1”，对一般小规模电路的输入端，实验时允许悬空处理，但是输入端悬空，易受外界干扰，破坏电路逻辑功能，对于中规模以上电路或较复杂的电路，不允许悬空。(b)直接接入UCC或串入一适当阻值的电阻（1～10KΩ）接入UCC。(c)若前级驱动能力允许，可以与有用的输入端并联使用。（4）输出端不允许直接接+5V电源或直接接地，否则将导致器件损坏。（5）除集电极开路输出器件和三态输出器件外，不允许几个TTL器件输出端并联使用，否则不仅会使电路逻辑功能混乱，并会导致器件损坏。图1-8数字电子技术实验指导书-6-四．实验设备与器件1．ETL系列电子技术实验台或EEL系列数字电子技术实验箱2．示波器3．直流电压表、毫安表4．4输入双与非门74LS20×2五．实验内容实验前仔细检查集成块的标志和在实验台上的位置，特别是电源极性不得接反。1．验证TTL集成与非门74LS20的逻辑功能取任一个与非门连接实验电路，按其管脚排列图接线，输入端1、2、4、5分别接数据开关A、B、C、D，输出端6接电平指示器及数字电压表。改变输入端A、B、C、D的逻辑电平，逐个测试集成块中的两个门，测试结果记入表1-1中。2．74LS20主要参数的测试（1）导通电源电流ICCL和截止电源电流ICCH按图1-2（a）、（b）电路接线，把毫安表接在5伏电源和14引脚之间，注意电流表的量程，将测试结果记入表1-2中。（2）低电平输入电流IIL按图1-3（a）接线，测试结果记入表1-2中。（3）扇出系数NO按图1-4电路接线，把毫安表接在电位器和6引脚之间，注意电流表的量程，电压表接在第6脚和接地之间，注意电压表的量程。调节电位器，使电压表的数字慢慢从低到高，当电压表的数字到达0.4伏，测量此时的IOLM，计算NO，记入表1-2中。表1-2ICCL(mA)ICCH(mA)IIL(uA)IOL(mA)NO=ILOLIITpd=6T(ns)（4）电压传输特性按图1-5电路接线，把电压表接在电位器和第1引脚与地之间，注意电压表的量程，将另一个电压表接在第6引脚和地之间，注意电压表的量程，调节电位器，使输入电压表的数字慢慢从低到高，逐点测量UI和UO的对应值，记入表1-3中。（5）平均传输延迟时间tpd按电路图1-5接线，将示波器的扫描速度调到底，处于最大速度，观测门电路输出脚的波形，并测量波形的周期。观察不到波形时可以将示波器的“扫描速度倍程开关”压下数字电子技术实验指导书-7-或拉出。表1-3UI(V)00.20.40.60.80.91.01.21.62.02.43.0…Uo(V)六．实验报告1．记录和整理实验结果。2．把测得的74LS20与非门各参数与它的规范值进行比较。3．画出实测电压传输特性曲线，并从中读出各有关参数值。数字电子技术实验指导书-8-实验二CMOS集成逻辑门的参数测定一．预习要求1．预习CMOS与非门有关内容，阅读CMOS使用规则。2．列出各实验内容的测试表格。3．比较CMOS组件与TTL组件有哪些特点？在什么场合下选用CMOS组件？4．CMOS组件电源电压变化对其工作性能有何影响？5．CMOS组件对输入信号有什么要求？6．CMOS与非门的闲置输入端应如何处理？二．实验目的1．了解CMOS集成门电路的基本性能和使用方法。2．学习CMOS集成门电路主要参数的测试方法。三．实验原理CMOS逻辑门电路由NMOS和PMOS管组成。它具有功耗低、电源电压范围广、输出逻辑电平摆幅大、噪声容限高、输入阻抗高、制造工艺简单、可靠性高等优点。本实验所用CMOS与非门型号为CD4011，是2输入四与非门。其内部逻辑图及引脚排列如图2-1（a）、（b）所示。图2-1(a)图2-1(b)数字电子技术实验指导书-9-1．CMOS与非门的逻辑功能尽管CMOS与非门内部电路结构与TTL与非门不同，但它们的逻辑功能是完全一样的。2．CMOS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相仿，简述如下：（1）静态功耗PD导通功耗PDL=IDLUDD截止功耗PDH=IDHUDD测试电路如图2-2（a）、（b）所示。CMOS电路的静态功耗非常低，一般为微瓦数量级。（2）输出高、低电压UOH和UOL输出高、低电平通常是指在输出端不带任何负载的情况下测量的。当输入端全部接高电平时，测得的输出电平就是UOL（≈0V）；当输入端有一个为低电平时，对应输出端测得的输出电平就是UOH（≈UDD）。图2-2(b)图2-2(a)图2-3(a)图2-3(b)数字电子技术实验指导书-10-（3）拉电流和灌电流负载能力（a）图2-3（a）所示电路中，输入端接低电平，输出端接拉电流负载RL，调节RL，当UOH下降到11.5V时所对应的负载电流即为允许的拉电流IOH。图中RO=1K是采样电阻，只要测出RO上的电压URO，即可求得：IOH=URO/RO（b）图2-3（b）所示电路中，输入端接高电平，输出端接灌电流负载RL，调节RL，当UOL上升到0.5V时所对应的负载电流即为IOL。此时：IOL=URO/RO（4）电压传输特性CMOS门电路电压传输特性的测量方法类似于TTL门电路。图2-4为逐点测量电压传输特性的实验电路。（5）平均传输延迟时间tpd由于CMOS电路的平均传输延迟时间远大于TTL，所以通常可以用示波器直接进行测量，图2-5（a）为测量电路，输入f≥100KHz方波信号，通过隔离门Ⅰ和延迟电容C加到被测门Ⅱ的输入端，门Ⅱ的输入、输出波形同时送到双踪示波器的YA、YB输入端，由示波器可直接读出tpdL、tpdH，如图2-5（b）所示，则tpd=（tpdL+tpdH）/2CMOS与非门CD4011的主要参数规范（UDD