《数字电路与逻辑设计》课程实验指导（数字电路实验）实验二 集成逻辑门的参数测试

实验二 集成逻辑门的参数测试 、实验目的 掌握Tm及CMOS与非门电路主要参数的意义及其测试方法。 2,熟零电子技术实验箱的基本功能和使用方法。 二、实哈器材 (一)申子技术实验饼 (二)双踪示波器 (三)万用表 (四)组件74LS0074HC0074LS20 三、实验原理 与非门在一定工作条件下的参数直接反映了它的性能优劣。 1. 与非门参数 空载导通 与空载截止电流 是指输入端全部悬空，输出端空载，与非门处于导通状态时，电源供给的电流。 是指输 入端接低电平，输出端空载，与非门处于截止状态时，电源供给的电流，和的大小标志着与 非门在静态下功耗的大小，空载导通功耗的大小标志着与非门在静态下功耗的大小，空载导 而功耗和空载截止功耗和越小越好。由干门电路在导通状态时较大，一般产品手册给出的功 耗是指的 (2)低电平输入电流 是指当一个输入端接地，而其他输入端悬空时，流向接地端的电流，又称输入短路电流。的 大小关系到前一级门电路的能带动负载的个数。74S20的典型值，最大值。注意过大或过 小都不好。若太大，增加了前一段的负载，使前一级取动门的个数减少：而太小，说明集成 电路也有问颗，不能正常工作 (3)高电平输入电流 是指当一个输入端接高电平，而其他输入瑞接地时，流过接高电平输入端的电流，又粉 简入交叉路国电流。它主要由多发射极管的寄生的NPN管效应及漏电流引起的，主要作为 前级门输出为高电平时的拉电流。当太大时，就会因为“拉出”电流太大，而使前级门输出 高由平降低！ (4)输入开门电平Vo和关门电平Vo Vo是指与非门输出端接额定负载时，使输出处于低电平状态时所允许的最小输压。换句话 说，为了使与非门处于导通状态，输入电平必须大于VoN74ls20的VoN≤1.8V,VoL=0.4V。 VoF是指使与非门输入处于高电平状态所允许的最大输入电压。 TL与非门的电压传输特性，它表示输入电压从零电平渐升到高电平时，输出电压的变化。 在TTL与非门的传输特性中，若VO和Vor两个数值越靠近，越接近同一数值（阀门电平 VT)就说明与非门的特性曲线转换越陡，抗干扰能力越强 (5)输出高电平VO、是指与非门一个以上的输入端接地或接地电平时，输出电压的大小此 时门电路处于截止状态。如输出空载，Vo在3.6V左右，当输出端接有拉电流负载时，VOH 将降低。741s20:2.4V≤V0阳≤4.2V」 VoL是指与非门的所有输入端均接高电平时，输出电压的大小。此时门电路处于导通状态 V的大小主要由T5管的饱和深度和外接负载的灌电流来决定如输出空载，V约为0.1V 左右：输出接额定负载，741s20的Vo1≤0.4V: (6)扇出系数N N是说明输出端负载能力的一项参数，它表示驱动同类型门电路的数目。N的大小主

实验二 集成逻辑门的参数测试 一、实验目的 1．掌握 TTL 及 CMOS 与非门电路主要参数的意义及其测试方法。 2．熟悉电子技术实验箱的基本功能和使用方法。 二、实验器材 （一）电子技术实验箱 （二）双踪示波器 （三）万用表 （四）组件 74LS00 74HC00 74LS20 三、实验原理 与非门在一定工作条件下的参数直接反映了它的性能优劣。 1．TTL 与非门参数 （1）空载导通电流 与空载截止电流 是指输入端全部悬空，输出端空载，与非门处于导通状态时，电源供给的电流。 是指输 入端接低电平，输出端空载，与非门处于截止状态时，电源供给的电流，和的大小标志着与 非门在静态下功耗的大小，空载导通功耗的大小标志着与非门在静态下功耗的大小，空载导 通功耗和空载截止功耗和越小越好。由于门电路在导通状态时较大，一般产品手册给出的功 耗是指的 （2）低电平输入电流 是指当一个输入端接地，而其他输入端悬空时，流向接地端的电流，又称输入短路电流。的 大小关系到前一级门电路的能带动负载的个数。74LS20 的典型值，最大值。注意过大或过 小都不好。若太大，增加了前一段的负载，使前一级驱动门的个数减少；而太小，说明集成 电路也有问题，不能正常工作。 （3）高电平输入电流 是指当一个输入端接高电平，而其他输入端接地时，流过接高电平输入端的电流，又称 输入交叉路漏电流。它主要由多发射极管的寄生的 NPN 管效应及漏电流引起的，主要作为 前级门输出为高电平时的拉电流。当太大时，就会因为“拉出”电流太大，而使前级门输出 高电平降低。 （4）输入开门电平 VON 和关门电平 VOFF V0N 是指与非门输出端接额定负载时，使输出处于低电平状态时所允许的最小输压。换句话 说，为了使与非门处于导通状态，输入电平必须大于 VON,74ls20 的 VON≤1.8V，VOL=0.4V 。 VOFF 是指使与非门输入处于高电平状态所允许的最大输入电压。 TTL 与非门的电压传输特性，它表示输入电压从零电平渐升到高电平时，输出电压的变化。 在 TTL 与非门的传输特性中，若 VON 和 VOFF 两个数值越靠近，越接近同一数值（阀门电平 VT）就说明与非门的特性曲线转换越陡，抗干扰能力越强。 （5）输出高电平 VON 是指与非门一个以上的输入端接地或接地电平时，输出电压的大小此 时门电路处于截止状态。如输出空载，VOH 在 3.6V 左右，当输出端接有拉电流负载时，VOH 将降低。74ls20：2.4V≤VOH≤4.2V 。 VOL 是指与非门的所有输入端均接高电平时，输出电压的大小。此时门电路处于导通状态。 VOL 的大小主要由 T5 管的饱和深度和外接负载的灌电流来决定。如输出空载，VOL 约为 0.1V 左右；输出接额定负载，74ls20 的 VOL≤0.4V。 （6） 扇出系数 N N 是说明输出端负载能力的一项参数，它表示驱动同类型门电路的数目。N 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的限制，如灌入的负载电流超出该数值， 输出低电平将显著抬高，造成下级逻辑电路的错误动作。74LS20的N≥8，VoL=04V. (7)平均传输延迟时间TP四 TD是指与非门输出波形相对于输入波形的延时。如图1-2所示，V1为输入波形，VO 为输出波形。若导通延时TD跳为输出波形上升沿的50%相对于输入波形下降沿的50%之间 的时间间隔，平均延时就是T=1/2(T+T附) 平均传输延迟时间是衡量门电路开关速度的一个重要指标.TTL电路的TPD一般在10s 到40ns之间 741S20为中速与非门，其Tm为20~40ns 2.CMOS与非门参数 实验中测试时用74HC00与非门，其参数见表3.14-2 (1)静态器件电流(D):静态情况下电源提供的电流。无论输入端为高电平或低电平， 与地之间均不存在电流通路，只有一些二极管或三极管的漏申流。测试电路如客 3-1413所 (2)输出高电平和低电平（和）：测试电路如图3-14-14。注意与测试T与非门所用的士 3-145和图3-14-6不同，CM0S与非门的输入端不得悬空。 (3)躁声容限：定义与TTL与非门相同，其中和分别要求为4V和0.1V。因此测出和既可 求得躁声容限。测量方法与Ⅱ类似，但需注意无用的输入端必须接高电平。 (4)平均延迟(tpd:定义与TT相同，测试方法与TL类似。 3.数字逻辑集成电路使用注意事项 数字逻辑集成电路种类繁多，不同型号数字逻辑集成电路有各自要求的特殊注意事项。这 里只对常用的较简单器件做一般的说明。 ①TT器件 A 正确辨认引出线：双列直插封装集成电路的顶视图锁口在左方时，引出线从左下发方起 逆时针顺序为1、2、3、，如图所示。 B.电源电压为+5V, 一般允许在士10%范围内变化，不可超出太多，否则易损坏器件。 C.闲置的输入端只能接高电平或悬空，不能接低电平。 D。给出端不能直接接+5V或地。 E.实际应用中扇出系数要留有格量。 ②CMOS器件 A.电源电压VDD可在2~6V之间。 B.防止静电击穿：由于CMOS是高输入阻抗器件，播极输入端易受静电干扰而损坏，所 以存放时应置于金属容器或抗静电的塑料容器内。焊接时格铁头要接地良好。 C.闲置的输入端不得悬空，对于正逻辑与非门应接高电平或电源，对于负逻辑与非门应接 D.信号源与电源的配合：要开电源，后接入信号源，信号源信号峰值要小于电源电压V心 值。实验结束要先去除信号源，然后关电源。 E.输出端不要接地或电源。 F,与TⅡ接口问题：对于用4LS系列TT组成的电路，全部TT集成电路均可用74HC 系列的CMOS集成电路替换。若电路为TTL与CMOS混用时，则74HC系列驱动74LS 系列与非门，可直接连接：但74LS系列驱动CM0S与非门则不能直接连接，因74 的输出高电平VoN=2.7V,而CMOS要求的输入高电平V3.5V,所以需将TTL输出端 用电阻R接至电源，拉高其输出电平。 四、实验内容及主要步骤

要受输出低电平时，输出端允许灌入的最大负载电流的限制，如灌入的负载电流超出该数值， 输出低电平将显著抬高，造成下级逻辑电路的错误动作。74LS20 的 N≥8，VOL=0.4V。 （7）平均传输延迟时间 TPD TPD 是指与非门输出波形相对于输入波形的延时。如图 1-2 所示，VI 为输入波形，VO 为输出波形。若导通延时 TPDL 为输出波形上升沿的 50％相对于输入波形下降沿的 50％之间 的时间间隔，平均延时就是 TPD=1／2（TPD+TPDH） 平均传输延迟时间是衡量门电路开关速度的一个重要指标。TTL 电路的 TPD 一般在 10 ns 到 40ns 之间。74LS20 为中速与非门，其 TPD 为 20～40ns 2．CMOS 与非门参数 实验中测试时用 74HC00 与非门，其参数见表 3-14-2。 （1）静态器件电流（ID）：静态情况下电源提供的电流。无论输入端为高电平或低电平， 与地之间均不存在电流通路，只有一些二极管或三极管的漏电流。测试电路如图 3-14-13 所示。 （2）输出高电平和低电平（和）：测试电路如图 3-14-14。注意与测试 TTL 与非门所用的土 3-14-5 和图 3-14-6 不同，CMOS 与非门的输入端不得悬空。 （3）躁声容限：定义与 TTL 与非门相同，其中和分别要求为 4V 和 0.1V。因此测出和既可 求得躁声容限。测量方法与 TTL 类似，但需注意无用的输入端必须接高电平。 （4）平均延迟（tpd）：定义与 TTL 相同，测试方法与 TTL 类似。 3．数字逻辑集成电路使用注意事项 数字逻辑集成电路种类繁多，不同型号数字逻辑集成电路有各自要求的特殊注意事项。这 里只对常用的较简单器件做一般的说明。 ①TTL 器件 A． 正确辨认引出线：双列直插封装集成电路的顶视图锁口在左方时，引出线从左下发方起 逆时针顺序为 1﹑2﹑3﹑.，如图所示。 B． 电源电压为+5V，一般允许在±10﹪范围内变化，不可超出太多，否则易损坏器件。 C． 闲置的输入端只能接高电平或悬空，不能接低电平。 D． 输出端不能直接接+5V 或地。 E．实际应用中扇出系数要留有裕量。 ②CMOS 器件 A． 电源电压 VDD 可在 2～6V 之间。 B． 防止静电击穿：由于 CMOS 是高输入阻抗器件，栅极输入端易受静电干扰而损坏，所 以存放时应置于金属容器或抗静电的塑料容器内。焊接时烙铁头要接地良好。 C． 闲置的输入端不得悬空，对于正逻辑与非门应接高电平或电源，对于负逻辑与非门应接 地。 D． 信号源与电源的配合：要开电源，后接入信号源，信号源信号峰值要小于电源电压 VDD 值。实验结束要先去除信号源，然后关电源。 E．输出端不要接地或电源。 F．与 TTL 接口问题：对于用 74LS 系列 TTL 组成的电路，全部 TTL 集成电路均可用 74HC 系列的 CMOS 集成电路替换。若电路为 TTL 与 CMOS 混用时，则 74HC 系列驱动 74LS 系列与非门，可直接连接；但 74LS 系列驱动 CMOS 与非门则不能直接连接，因 74LS 的输出高电平 VON=2.7V，而 CMOS 要求的输入高电平 VIH=3.5V，所以需将 TTL 输出端 用电阻 R 接至电源，拉高其输出电平。 四、实验内容及主要步骤

将待测的TTL与非门74LS20和CMOS与非门插在电子技术实验箱的多空插座上，按组 件规定的要求接线，检查无误后再接通电源，然后进行实验。对于初学者来说，容易认错集 成块的插脚，因此，必须仔细检查。如集成块发热，不是接反了电源，就是输出端对地短路 或者电源电压太高。 (一)验证与非门的逻辑功能，用真值表记录实验结果。输入用逻辑电平开关，向上为逻辑 “1”,向下为逻辑“0”。输出用逻辑指示灯，灯亮为逻辑“1”，灯灭为逻辑“0”。 (一)TⅡ与非门参数测试 1、导通电源电流1CCL和截止电源电流1CCH,按图2-2(a)(b)接线，各侧得 Icc.=_(mA) Iccn=(mA) m mA Vee (a) 图2·2IccL和IccH测试电路图 2、低电平输入电流1，按图2-3接线，测得 In=(mA) 更换另一个输入端测量，测得： I=(mA) 3、高电平输入电流Im,按图2-4接线，测得： (mA) 图2-31cc测试电路图 图2-41测试电路图 Im=(uA)

将待测的 TTL 与非门 74LS20 和 CMOS 与非门插在电子技术实验箱的多空插座上，按组 件规定的要求接线，检查无误后再接通电源，然后进行实验。对于初学者来说，容易认错集 成块的插脚，因此，必须仔细检查。如集成块发热，不是接反了电源，就是输出端对地短路， 或者电源电压太高。 （一）验证与非门的逻辑功能，用真值表记录实验结果。输入用逻辑电平开关，向上为逻辑 “1”，向下为逻辑“0”。输出用逻辑指示灯，灯亮为逻辑“1”，灯灭为逻辑“0”。 （二）TTL 与非门参数测试 1、导通电源电流 ICCL 和截止电源电流 ICCH，按图 2-2（a）（b）接线，各侧得： CCL I =＿＿（ｍA） CCH I =＿＿（ｍA） mA Vcc +5V mA Vcc (a) (b) 图2 – 2 ICCL和ICCH测试电路图 2、低电平输入电流 CCL I ，按图 2-3 接线，测得： iL I =＿＿（ｍA） 更换另一个输入端测量，测得： iL I =＿＿（ｍA） 3、高电平输入电流 iH I ，按图 2-4 接线，测得： Vcc +5V Vcc +5V 图2 – 3 ICCL测试电路图 mA µA 图2 – 4 IiH测试电路图 iH I =＿＿（ｕA）

更换另一个输入端测量，测得： Im=(uA) 4、扇出系数N。按图2-5接线。调节R,值，使输出电压Vo0.4,测得： Io=(mA) 然后由公式求得：V N=IoL/IiL 5、电压传输特性 用电压测试方法如图2-6接线。 4700 mA ⊙ 图25扇出系数N测试电路图 图26电压传输特性测试电路图 调节Rm,使V,从0.3V至2.4W变化逐点测出'和V。,并记录在表中。然后作出电压传输 特性曲线，从曲线上求得 Vo=(V)。'ou=()。,=(V)。'oN=()。Voe=(W). 6、平均传输延迟时间1pd 目前常用的是环形震动器法，测试的原理电路图按图1-8所示。图中用奇数个“与非”门串 联闭路（首尾相接）联接，构成一个环型震荡器，从原理分析可定为，这个电路的震荡周蜘 与门的平均延迟时间关系为：T=I/6 用示波器可以测出震荡周期T。测时将示波器“扫描扩展×5”拉出。 五、实验报告要求 列表记录、整理实验数据，把测得的与非门各参数值与它的规范值相比较。 六、思考题 (一)TTL和CMOS与非门闲置的输入端瑞应如何处理？为什么？ (二)TL或门输入端应如何处理？ (三)对TT和CMOS与非门的性能进行比较

更换另一个输入端测量，测得： iH I =＿＿（ｕA） 4、扇出系数 N。按图 2-5 接线。调节 RL 值，使输出电压 VOL =0.4，测得： OL I =＿＿（ｍA） 然后由公式求得： VT N= OL I / iL I 5、电压传输特性 用电压测试方法如图 2-6 接线。 Vcc +5V Vcc +5V 图2 – 5 扇出系数N测试电路图 图2 – 6 电压传输特性测试电路图 mA V 470Ώ V Vo V Vi 调节 RW ，使 Vi 从 0.3V 至 2.4V 变化逐点测出 Vi 和 Vo ，并记录在表中。然后作出电压传输 特性曲线，从曲线上求得 VoH =＿＿（V）。 VOL =＿＿（V）。 VT =＿＿（V）。 VON =＿＿（V）。 VOFF =＿＿（V）。 6、平均传输延迟时间 pd t 目前常用的是环形震动器法，测试的原理电路图按图 1-8 所示。图中用奇数个“与非”门串 联闭路（首尾相接）联接，构成一个环型震荡器，从原理分析可定为，这个电路的震荡周期 与门的平均延迟时间关系为： Tpd =T/6 用示波器可以测出震荡周期 T。测时将示波器“扫描扩展×5”拉出。 五、实验报告要求 列表记录、整理实验数据，把测得的与非门各参数值与它的规范值相比较。 六、思考题 （一）TTL 和 CMOS 与非门闲置的输入端应如何处理？为什么？ （二）TTL 或门输入端应如何处理？ （三）对 TTL 和 CMOS 与非门的性能进行比较