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数字电子技术68
集成门电路逻辑功能及参数测试
一、实验目的
1．熟悉集成电路的外形及外引脚排列。 1．验证TTL集成门电路的逻辑功能。
2．掌握TTL集成门电路的主要参数及测试方法。 3．熟悉数字电子技术实验箱的基本功能和使用方法。
二、实验原理
集成门电路是最简单、最基本的数字集成元件，任何复杂的组合电路和时序电路都可用逻辑门通过适当的组合而得到，因此，逻辑门是数字电路中最基本的逻辑单元。目前已有门类齐全的集成门电路，如“与门”、“或门”、“非门”、“与非门”、“异或门”等，我们应该掌握其工作原理，熟练、灵活地使用各种门电路。
（一）TTL集成逻辑门电路
TTL集成门电路由于工作速度较高、输出幅度较大、种类多、不易损坏而使用较广，特别适合学生选用进行实验论证。本书中的集成门电路大多采用TTL集成电路中的74LS系列。常用的74LS系列集成逻辑门电路型号有：74LS00，2输入端四“与非门”；74LS04，六“反相器”；74LS08，2输入端四“与门”；74LS20，4输入端二“与非门”；74LS32，2输入端四“或门”；74LS86，2输入端四“异或门”。图1-1给出74LS00、74LS04及74LS20三种芯片外引脚排列图，74LS08、74LS32、74LS86的外引脚排列与74LS00相同。74LS系列芯片外引脚排列中，电源和地一般为集成块的两端，例如14脚的集成块，则14脚为电源正（VCC），7脚为电源地（GND），其余引脚为输入和输出。
引脚的识别方法是：将集成块正对准使用者，以凹口左边或小标志点“”为起始脚1，逆时针方向向前数1,2,3，??n脚。使用时，查找IC手册即可知各引脚功能。
（二）TTL集成逻辑门电路的主要参数及其测量
与非门是数字电路中广泛使用的一种逻辑门，本文以4输入双与非门74LS20为例，介绍其主要参数及测量方法。
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ICCL&ICCH,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=ICCLVCC 截止功耗：PCCH=ICCHVCC
由于ICCL较大，一般手册中给出的功耗是指PCCL
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2.低电平输入电流IiL与高电平输入电流IiH
IiL是指被测输入端接地，其余输入端悬空，由被测输入端流出的电流，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，后级门向前级门灌入的电流，因而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，后级门从前级门的拉出的电流，它的大小关系到前级门的拉电流负载能力，因此希望IiH小。由于IiH较小，难以测量，所以一般实验中免于测试此项内容。
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和高电平扇出系数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RL使Io增大，Uo随之增高，当UOL达到手册中规定低电平规范值0.4V时的IoL就是允许灌入的最大负载电流IoL，则
NoL= IoL/IiL
NoL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IoL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IiH&&IiL
所以NoH&&NoL，故常以作为门的扇出系数。 4.电压传输出特性
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(UiL)、开门电平Uon(UiH)、阈值电平UT及抗干扰容限UNL、UNH等。
电压传输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tpd
tpd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
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间延迟，如图1-7所示，门电路的导通延迟时间为tPHL，截止延迟时间为tPLH，则平均时间tpd=1/2(tPHL＋tPLH)。
4输入端双与非门的主要参数规范如表1-1所示
三、实验设备与器件
1．数字电子技术实验箱
2.双踪示波器
3.直流电压表、毫安表 4．74LS00、74LS20、74LS04、74LS08、74LS32、74LS86各一片
四、实验内容
实验前按实验箱使用说明先检查实验箱电源是否正常，然后选择实验用的集成电路，需仔细检查集成块的标志和在实验台上的位置，按自己设计的实验接线图接好连线，特别注意VCC及地线不能接错，线接好后实验指导教师检查无误方可通电实验。
1. 验证TTL集成门电路的逻辑功能
对门电路进行测试时，门的输入端接电平逻辑开关输出插口，一般，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输入端，一般为发光二极管，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，实际上可以选择有代表性的几项进行测试，便可以判断门的逻辑功能是否正常。
（1）验证74LS20：取任一个与非门按图1-8连接实验电路，用逻辑开关改变输入端A、B、C、D逻辑电平，将逻辑开关按表1-2分别测输出电压及逻辑状态。
图1-8 表1-2
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（2）分别验证74LS00,74LS04,74LS32的逻辑功能，自拟表格记录。
（3）异或门逻辑功能测试：选二输入四异或门电路74LS86，按图1-9接线，输入脚1、2、4、5接电平开关，输出端A、B、Y接电平显示发光二极管。将电平开关按表1-3位置，将结果填入表中。
图1-9 表1-3
(1) 导通电源电流ICCL
按图1-2(a)接线，测试结果记入表1-4中。 (2) 截止电源电流ICCH
按图1-2(b)接线，此时应将两个与非门的所有输入端都接地，测试结果记入表1-4中。
(3) 低电平输入电流IiL
按图1-3(a)接线，测试结果记入表1-4中。 (4) 扇出系数No
按图1-4接线，调节电位器RW，使输出电压Uo=0.4V，测量此时的IoL，计算
NoL= IoL/IiL，记入表1-4中。
(5) 电压传输特性
按图1-6接线，调节电位器RW，使Ui从0V向高电平变化，逐点测量Ui和Uo的对应值，记入表1-5中。
☆用示波器观察电压传输特性曲线
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测试电路如图1-6，将输入电压Ui接入示波器X轴输入端，输出电压Uo接Y轴输入端(YA或YB)，调节电位器RW，在屏幕上可显现输出电压随输入电压变化光点移动轨迹，即电压传输特性曲线。(示波器触发极性开关应置外接X处)
3.逻辑门传输延迟时间的测量
用六反相器（非门）按图1-10接线，输入80KHz连续脉冲，用双踪示波器测输入，输出相位差，计算每个门的平均传输延迟时间的tpd值。
五、实验报告
1. 记录、整理实验结果
2. 把测得的74LS20与非门各参数值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。
六、预习要求
1. 复习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端低电平的扇出系数来决定。 4. 为什么TTL与非门的输入端悬空相当输入逻辑“1”电平。 5. TTL或非门闲置输入端如何处理？
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数字电子技术基础实验
三、实验内容及步骤 1、74LS194A的功能测试 在实验台上找到芯片74LS194，接好电源和地线，将输出端Q0 ~Q3接发光二极管，输入端D0~D3、DSL、DSR 、M1和M0接逻辑电平开关，时钟CLK接单脉冲输入信号，按表5－5－1检验逻辑功能。 2、用两片74LS194接成8位移位寄存器，并检验逻辑功能。 3、序列信号发生器实验 按图5－5－7电路接线，并将其输出Y接到8位移位寄存器的左输入（DSL）端或又输入（DSR），移位寄存器的输出接发光二极管指示，序列信号发生器和移位寄存器采用同一个时钟信号，如手动脉冲输入或频率较低的方波信号，看发光二极管的变化情况。若要改变序列信号的变化顺序，可改变数据选择器数据输入端的0和1组合状态。 四、实验仪器与器材 1、仪器：数字实验台、三用表。 2、器材：74LS161计数器1片、74LS151八选一数据选择器一片、74LS194双向移位寄存器器2片等。 五、思考题 1、序列信号发生器有哪些应用？ 2、用74LS161和74LS151如何实现10序列信号发生器？
预习报告实例 实验题目：集成“与非门”参数测试 1、实验内容 ⑴ 所用门电路的逻辑功能测试； ⑵ TTL与非门主要参数测试（ICCL、ICCH、IIS、电压传输特性、扇出系数NO和输入端的负载特性）； ⑶ CMOS与非门参数测试（输出高电平VOH和输出低电平VOL、电压传输特性及输入端的负载特性）。 2、实验方法与步骤及测量数据估计 ⑴ TTL门电路的逻辑功能测试方法（以74LS00与非门为例） ① 被测门电路74LS00的引脚图如指导书图5－1－1所示。 ② 将芯片接好电源和地线（14脚VCC接5V，7脚GND接电源地）。 ③ 将输入端（如1脚1A、2脚1B）分别接逻辑电平，输出端（如3脚1Y）接发光二极管指示灯。 ④ 分别改变输入信号电平，观察输出指示灯变化，将结果填入自制的真值表中。 表1与非门真值表
A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 Y理论 1 1 1 0 Y实测
⑵ 空载导通电流ICCL(或对应的空载导通功耗PON) ICCL是指输入端全部悬空（或输入端全部接高电平），与非门处于导通状态时，电源提供的电流。将空载导通电流ICCL乘以电源电压就得到空载导通功率PON，即
PON＝ICCL*VCC 测试电路，如实验指导书图5－1－2所示。 测试条件：输入端悬空或接高电平，输出空载，VCC=5V。 因为通常对74LS系列每个与非门要求小于3mW，又所测电流为芯片中所有与非门的总电流（74LS00内有4个与非门），所以ICCL测量值应小于3÷（5×4）＝0.15mA。
⑶ 空载截止电源电流ICCH(或对应的空载截止功耗POFF) ICCH是指与非门至少有一个输入端接低电平，输出端开路时电源提供的电流。空载截止功耗POFF为空载截止时电源电流ICCH与电源电压之积，即
POFF＝ICCH*VCC 测试电路如指导书图5－1－3所示。注意，被测量芯片的所有门均要有一个输入端接地。 测试条件：输入端接低电平（或接地），输出空载，VCC=5V。 因为通常对74LS系列每个与非门要求小于1mW，又所测电流为芯片中所有与非门的总电流，所以ICCH测量值应小于1÷（5×4）＝0.05mA。 ⑷ 输入低电平电流IIL 与非门的输入短路电流IIL是指被测输入端接地，其余输入端悬空或接VCC，输出端空载时，由被测输入端流出的电流值。因为门电路的输入电流通常就是前级门电路的负载电流，其大小直接影响前级电路驱动负载的个数，所以这一参数非常重要。必要时要对门的每个输入端进行测试。 测试电路如指导书图5－1－4所示。 测试条件：被测输入端通过电流表接地，其余输入端悬空或接VCC，输出空载，VCC=5V。74LS系列典型值为0.4mA。 ⑸ 电压传输特性 电压传输特性是指门电路输出电压Vo随输入电压Vi而变化的曲线。 电压传输特性的测试电路如指导书图5－1－5所示，调节Rw，使Vi从0v至5v变化，逐点测出Vo和Vi，填入表2中，再根据实测数据绘出电压传输特性曲线，从曲线上读出VOH(标准输出高电平)、VOL(标准输出低电平)、VILMAX和VIHMIN。 表2 VI(V) VO理论 VO实测
通常对74LS系列要求VOH>2.4V，VOL<0.4V，VILMAX＜0.8V, VIHMIN＞2V。 ⑹ 扇出系数NO 扇出系数NO是指输出端最多能带同类门的个数，它反映了与非门的最大负载能力。NO＝IOMAX/IIL,其中IOMAX为VOL<0.4V时允许灌入的最大负载电流，IIL为输入短路电流。 测试电路如图5－1－6所示。其电路所有输入端悬空，负载RL可用一固定电阻和一个1K?电位器串接实现，串接固定电阻的目的主要是防止调整过程中电流过大而损坏器件。测试方法：按指导书图5－1－6接好电路，调整RL值，使输出电压VOL=0.4V,测出此时的负载电流IOMAX,它就是允许灌入的最大负载电流，根据上面NO的公式即可算出扇出系数。因为一般,NO＝（IOMAX/IIL）＞8，又前面测得IIL为0.4mA左右，所以测得IOMAX应大于3.2mA。 ⑺ 输入负载特性测试 测试电路如指导书图5－1－7所示。调节电位器RW，使其阻值由小变大，用万用表直流电压档分别测量输入电压和输出电压。电位器RW加到门电路输入端的阻值增大到使输出电压下降到输出高电平的最小值（2.4V）时刻，切断电源测量电位器中间抽头到地之间的电阻值即门电路的开门电阻RON，。对于74系列门电路RON约为1kΩ，而对于74LS系列门电路RON将近3kΩ。随后继续增大电阻，使输出电压下将到输出低电平的最大值UOLMAX(0.4V)时，切断电源，测量电位器中间抽头到地之间的电阻值，此电阻值称为门电路的关门电阻ROFF。对于74LS系列门电路ROFF将近7kΩ。 COMS门电路测试部分预习（略）。 3、实验所需器材 仪器：数字电路实验台、数字万用表。 器件： 74HC00
四二输入与非门1片、74LS00
四二输入与非门1片、220欧电阻1个、1kΩ和10kΩ电位器各一个。
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