熟悉基本逻辑门电路的功能、外部电气特性和逻辑功能的特殊用途

熟悉TTL与非门和MOS或非门的封装及管脚功能

掌握主要参数和静态特性的测试方法，加深对各参数意义的理解

进一步建立信号传输有时间延时的概念

进一步熟悉示波器、函数发生器等仪器的使用

2.1 实验内容

    2.1.1 验证集成电路74LS00“与非”门的逻辑功能

    2.1.2 验证集成电路CD4001“或非”门的逻辑功能

    2.1.3 测量集成电路74LS00逻辑门的传输延迟时间tpd

    2.1.4 测量集成电路CD4001逻辑门的传输延迟时间tpd

    2.1.5 测量集成电路74LS00传输特性与开关门电平VON和VOFF

2.2 实验原理

    2.2.1 数字集成电路的基本参数

1)    扇出系数 No        2)     输出高电平 VoH        3)    输出低电平 VoL        4)    电压传输特性

5)    关门电平 VOFF        6)    开门电平 VON        7)     噪音容限        8)     平均传输延迟时间 tpd

9)    低电平输入电流 IiL        10)    高电平输入电流 IiH        11)    空载导通功耗 PON        12)    空载截止功耗 POFF

    2.2.2 扇出系数（负载能力）N0

        扇出系数是数字逻辑器件用来衡量其输出负载能力的一个参数，表征器件的额定输出能力。逻辑器件是二值量化器件，其输出负载能力可折算成驱动多少个同类型逻辑门的数目。在额定输出电压范围内，器件能带动的同型号门的数目称为扇出系数。

Ø  74LS00与非门输入电路

        输入A和B为高电平时，T1截止，驱动电流很小

        输入A或B为低电平时，T1导通，驱动电流较大

    2.2.3  74LS00与非门扇出系数测量

        TTL的扇出驱动只要测量输出端为额定低电平时，输出端能吸收多少电流。一般在输出端电压达到最大允许值（≤ 0.4V）时测量这个电流，它也称作最大灌入电流 IoLmax。将这个电流与低电平输入电流IiL 相除即可获得TTL的 扇出系数 No :

        最大灌电流 IoLmax 测量：将输入端A,B悬空或接高电平，调节W使电压表读数为 0.4V时，电流表上读数即 IoLmax ；也可通过公式

进行计算，然后代入上面的公式计算扇出系数No。

        A,B是高电位，F输出低电位（ ≤ 0.4V时低电位临点 ）

    2.2.4 低电平输入电流 IiL

        低电平输入电流IiL指输入端接地时流过此输入端的电流，也称为输入短路电流，可衡量低电平输入电阻特性。

        在 74LS00 中是指一个输入端接地，另一个输入端悬空时输入端流出的电流。

    2.2.5 高电平输入电流 IiH

        高电平输入电流 IiH 指输入端接高电平时流过此输入端的电流，可衡量高电平输入电阻的特性。

        在74LS00中是指一个输入端高电平，另一个输入端悬空时流入输入端的电流。

2.2.6 常用逻辑电平标准

        本课程使用的芯片电平主要是TTL和COMS

    2.2.7 输出高电平VoH

        输出高电平 VoH 是指当输出端为高电平时的电压，一般大于 2.4V，它可衡量输出端高电平负载特性。

        74LS00 的 VoH 是指在输入端接地或低电平时，输出端为高电平并输出400μA电流时测量的输出电平。

        当 i = 400μA 时，VoH = 对应输出电平。

    2.2.8 输出低电平 VoL

        输出低电平 VoL 是指当输出端为低电平时的输出电压，一般小于0.4V，可衡量输出端低电平负载特性。

        74LS00 的 VoL 是指在输入端接高电平时，输出端为低电平并灌入4mA电流时测量的输出电平。

        1)    74LS00 输出低电平

        2)    输出端灌入 4mA 电流

        3)    VoL 输出电平

    2.2.9 电压传输特性

        电压传输特性是指输出电压随输入电压而变化的关系特性。它可以充分显示出门输入输出的逻辑特征，可以反应出二值量化及门开关跃迁是一个连续过渡的过程。

        74LS00的电压传输特性曲线如右图，图中标有四个开关参数：

1)    输出高电平VoH        2)    输出低电平VoL        3)    开门电平VON        4)    关门电平VOFF

    2.2.10 关门电平 VOFF

        关门电平VOFF指使输出电压刚好达到输出转折至额定电平值时的最高输入低电平电压。

        74LS00 的 VOFF 是当输入电压由零逐渐上升、输出电压逐渐下降，当输出电压刚好降到额定最低高电平 2.4V 时的最高输入低电平电压。

        VOFF: VOUT = 2.4时的 Vi 的电压值，如图8所示。

    2.2.11 开门电平 VON

        开门电平 VON 指使输出电压刚好达到输出转折跃迁至另一状态额定电平值时的最低输入高电平电压。

        在 74LS00 中是当输入电压由 VOFF 继续上升，输出电压急剧下降，当输出电压刚好降到额定低电平 0.4V 时的最低输入高电平电压称 VON

        VON: VOUT = 0.4 时的 Vi 的电压值，如图8所示。

    2.2.12 噪音容限（Noise Margin）

        噪音容限是指加到正常输入值上、且不会在电路的输出产生不可预料变化的最大外部噪音电压。

        设额定输入高电平值为VsH，额定输入低电平值为VsL，则

        低电平电平噪声容限：VnL = VOFF－VsL = VOFF－0.4(VOL ≤ 0.4)

        高电平电平噪声容限：VnH = VsH－VON = 2.4－VON (VOH ≥ 2.4)

    2.2.13 平均传输延迟时间tpd

        传输时间是一个动态参数，是晶体管PN节电容、分布寄生电容、负载电容等充放电时间引起的输出信号滞后于输入信号一定时间的参数

        平均传输时间tpd由两部分构成：

        1)    从高电平跃迁到低电平滞后时间 tPHL

        2)    从低电平跃迁到高电平滞后时间 tPLH

        平均延迟时间一般把电压的最大和最小值的中间50％点作为时间参考点，测出tPHL 和tPLH后求其平均值：tpd＝ (tPHL＋tPLH)／2

        为提高测量精度，采用环形振荡器测量传输延迟时间：假设每个与非门延迟时间相同，则振荡器周期 T＝6 tpd

        一个逻辑门的延迟时间为 T / 6

    2.2.14 空载导通功耗 PON

        空载导通功耗 PON是指输出端为低电平且不接负载时的器件功耗，用于衡量器件输出导通时的器件功耗。

        在74LS00中是指输入端均接高电平时，输出端为低电平且不接负载时的器件功耗。

    2.2.15 空载截止功耗POFF

        空载截止功耗POFF是指输出端为高电平且不接负载时的器件功耗，用于衡量器件输出截止时的器件功耗。

        在74LS00中是指输入端均接低电平时，输出端为高电平且不接负载时的器件功耗。

3.1 实验设备

    1)    数字示波器RIGOL-DS162  1台

    2)    函数发生器YB1638             1台

    3)    数字万用表                          1只

    4)    电路设计实验箱                   1台

3.2 实验材料

    1)    两输入与非门74LS00  1片

    2)    两输入或非门CD4001 1片

    3)    电阻

            4.7KΩ电位器        1只

            100Ω /1KW           1只

4.1 验证 74LS00 “与非”门逻辑功能

    1)   将芯片插入实验箱的 IC 插座中，注意芯片的方向

    2)    按右图连接电路，VCC 接电压5V，地端接地线

    3)    高低电平通过 S14 / S15 / S16 / S17 拨位开关产生，

    4)    以真值表顺序遍历输入A，B所有组合，测量A，B及输出 F 电压并记入下表

4.2 验证CD4001 “或非”门逻辑功能

    1)    将芯片插入实验箱的IC插座中

    2)    按右图连接电路，VCC 接直流 5V 电压，地端接地线

    3)    高低电平通过 S14 / S15 / S16 / S17 拨位开关产生

    4)    以真值表顺序遍历输入 A，B 所有组合，测量输入端 A，B 及输出端 F 电压值，记录右表

    5)    重复步骤 3 ~ 4，测量其他 3 个门的逻辑关系并判断门的好坏

4.3 测量74LS00逻辑门的传输延迟时间 tpd

    1)    将芯片插入实验箱的 IC 插座，注意芯片方向

    2)    按图连接电路，VCC 接 5V 电源，地端接地线

    3)    将示波器接到振荡器的任何一个输入或输出端

    4)    调节频率旋钮，测量 Vo 的波形，读出周期 T 并计算传输延迟时间

        接线要点：74LS00每个与非门的其中一个引脚接高，其它引脚串联。

4.4 测量 CD4001 逻辑门的传输延迟时间 tpd

    1)    将芯片插入实验箱的 IC 插座，注意芯片方向

    2)    按图连接电路，VCC 接 5V 电源，地端接地线

    3)    将示波器接入到振荡器的输入或输出端

    4)    调节频率旋钮，测量 Vo 的波形，读出周期 T 并计算传输延迟时间

    5)    接线要点：CD4001 每个或非门的其中一个引脚接地，其它引脚串联即可。

4.5 测量 74LS00 传输特性与开关门电平 VON 和 VOFF

    1)    将芯片插入实验箱的IC插座

    2)    按图连接电路

    3)    将直流电表分别接入 A 端和与非门的输出 2Y 端

    4)    从 b 端往 a 端缓慢调节电位器 W，观察 Vi ,Vo 两电压表的读数，并记录数据填入表格

    5)    根据表格数据画出曲线图，并求 VON 和 VOFF

5.1 验证集成电路74LS00“与非”门的逻辑功能

        当输入A，B均接高电平时，F为低电平；只要A，B中有接低电平，F即为高电平符合与非门逻辑关系。

5.2 验证集成电路CD4001“或非”门的逻辑功能

        当输入A，B均接低电平时，F为高电平；A、B中间有一个接高电平时，F为低电平，符合或非门逻辑关系。

5.3 测量集成电路74LS00逻辑门的传输延迟时间tpd

5.4 测量集成电路 CD4001 逻辑门的传输延迟时间tpd

5.5 测量集成电路 74LS00 传输特性与开关门电平 VON 和 VOFF

略。

注：由于实验室配备的芯片较新，性能较好，因此测得的延时并不明显。

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