11 门电路的认识及应用电路的制作电子教材Word格式文档下载.docx
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1．74LS08的逻辑功能测试
（1）查得SN74LS08的外部引脚分布图，选择A1、B1、Y1引脚，按图11.3（a）在面包板上正确接线。
（2）将A、B输入端均接低电平，判别发光二极管是否亮。
（3）将A输入端接低电平，B输入端接高电平，判别发光二极管是否亮。
（4）将A输入端接高电平，B输入端接低电平，判别发光二极管是否亮。
（5）将A、B输入端均接高电平，判别发光二极管是否亮。
2．74LS32的逻辑功能测试
（1）查得SN74LS32的外部引脚分布图，选择A1、B1、Y1引脚，按图11.3（b）在面包板上正确接线。
（2）将A、B输入端均接低电平，判别发光二极管是否亮。
3．测试结果分析
（1）发光二极管亮，说明Y输出为高电平，74LS08的测试结果表明只有当两输入端均
为高电平时，Y输出为高电平，其他3种情况Y均为低电平，其逻辑功能见表11-2。
表11-274LS08测试记录表
（2）74LS32的测试结果表明其逻辑功能是输入端全为低电平时，输出才为低电平，其他3种情况输出均为高电平，其逻辑功能见表11-3。
表11-374LS32测试记录表
上述测试得到了两种集成门电路74LS08和74LS32的逻辑功能，接下来进一步来学习其他门电路的相关特性及逻辑功能。
能实现逻辑运算的电路称为门电路，用基本的门电路可以构成复杂的逻辑电路，完成任何逻辑运算功能，这些逻辑电路是构成计算机及其他数字系统的重要基础。
与门、或门和非门电路是最基本的门电路，可分别完成与、或、非逻辑运算。
11.1.1与逻辑及与门电路
与运算——只有当决定一件事情的条件全部具备之后，这件事情才会发生。
把这种因果关系称为与逻辑，其逻辑关系及逻辑符号如图11.4所示。
若用逻辑表达式来描述，则可写为：
在图11.3（a）中的测试中，通过逻辑测试功能表11-2可看出其实现了与逻辑的功能，其引脚分布如图11.5所示，为四2输入与门电路。
图11.4与门逻辑关系及逻辑符号图11.574LS08的引脚分布
11.1.2或逻辑及或门电路
或运算——当决定一件事情的几个条件中，只要有一个或一个以上条件具备，这件事情就发生。
把这种因果关系称为或逻辑，其逻辑关系及逻辑符号如图11.6所示。
图11.6或门逻辑关系及逻辑符号图11.774LS32的引脚分布
在图11.3（b）中的测试中，通过逻辑测试功能表11-3可看出其同样实现了或逻辑的功能，其引脚分布如图11.7所示，为四2输入或门电路。
11.1.3非运算
非运算——某事情发生与否，仅取决于一个条件，而且是对该条件的否定，即条件具备时事情不发生；
条件不具备时事情才发生，其逻辑关系及逻辑符号如图11.8所示。
（a）逻辑关系（b）逻辑符号
图11.8非门逻辑关系及逻辑符号
其逻辑特性表（也称真值表）见表11-4。
表11-4非运算列表
常用的逻辑非门有74LS04（六非门）、74LS06等，图11.9所示为六非门74LS04的外引脚分布。
图11.974LS04的引脚分布
在实际应用中，可利用与门、或门和非门之间的不同组合构成复合门电路，完成复合逻辑运算。
常见的复合门电路有与非门、或非门、与或非门、异或门和同或门电路。
11.2集成组合逻辑门电路的认知及测试
先来测试一下集成组合逻辑电路74LS00及CD4001，测试电路如图11.10所示。
（a）74LS00测试电路（b）CD4001测试电路
图11.10集成组合门电路测试电路
测试器件见表11-5。
表11-5器材列表
1．74LS00及CD4001的逻辑功能测试
查得74LS00及CD4001的外部引脚分布图，选择A1、B1、Y1引脚，分别按图11.10（a）和（b）在面包板上正确接线，并按74LS08和74LS32测试步骤进行相同的测试。
2．测试结果分析
（1）74LS00的测试结果表明，只有当两输入端均为高电平时，Y输出为低电平，其他3种情况均为高电平，其逻辑功能见表11-6。
表11-674LS00测试记录表
（2）CD4001的测试结果表明，其逻辑功能是输入端全为低电平时，输出才为高电平，其他3种情况输出均为低电平，其逻辑功能见表11-7。
表11-7CD4001测试记录表
由测试结果可知，74LS00、CD4001与SN74LS08、SN74LS的逻辑关系刚好相反，由此可知74LS00为四2输入与非门，其特性表达式为：
=
其逻辑符号及外部引脚如图11.11所示。
（a）逻辑符号（b）外部引脚
图11.11与非门74LS00逻辑符号及外部引脚
CD4001为四2输入或非门，其特性表达式为：
其逻辑符号及外部引脚如图11.12所示。
图11.12或非门CD4001逻辑符号及外部引脚
11.2.1与或非门
与或非门电路相当于两个与门、一个或门和一个非门的组合，可完成与或非运算。
与或非门电路用图11.13所示的逻辑符号表示，其逻辑表达式为：
。
由与或非门完成的运算分析可知，与或非门的功能是将两个与门的输出或起来后变反输出。
与或非门电路也可以由多个与门和一个或门、一个非门组合而成，具有更强的逻辑运算功能。
图11.13与或非门逻辑符号
11.2.2异或门
异或是一种二变量逻辑运算，当两个变量取值相同时，逻辑函数值为0；
当两个变量取值不同时，逻辑函数值为1。
异或的逻辑表达式为
其特性表见表11-8。
表11-8异或运算列表
其逻辑符号如图11.14所示。
图11.14异或门逻辑符号
11.2.3同或门
同或运算符号是⊙。
当两个变量取值不同时，逻辑函数值为0；
当两个变量取值相同时，逻辑函数值为1，即输入相异时为0。
同或运算的逻辑表达式为
Y=A⊙B=
其特性表见表11-9。
表11-9同或运算列表。
其逻辑符号如图11.15所示。
图11.15同或门逻辑符号
在图11.10所示的测试电路中，可观察到74LS00和CD4001虽然测试端选择相同，但其对不用的悬空端及限流电阻的处理方式存在着一定的差异，接下来了解一下TTL和CMOS电路的特性。
11.3常用集成TTL及CMOS门电路的认知
数字电路中，最基本的逻辑门可归结为与门、或门和非门。
实际应用时，它们可以独立使用，但用的更多的是经过逻辑组合组成的复合门电路。
目前广泛使用的门电路有TTL门电路和CMOS门电路，其中上述测试中所用的74LS00、74LS04、74LS08等均为TTL集成电路，而CD4001以及后续项目中所用的CD4511、MC14553等均为CMOS电路。
11.3.1TTL集成逻辑门电路
TTL集成逻辑门电路的工作特点是工作速度高、输出幅度较大、种类多、不易损坏，以TTL反相器为例，来了解一下TTL电路的组成、特性、参数及使用规则。
1．TTL反相器的电路结构和工作原理
反相器是TTL门电路中电路结构最简单的一种。
图11.16所示为74系列TTL反相器的典型电路。
该类型电路的输入端和输出端均为晶体管结构，所以称做晶体管—晶体管逻辑电路，简称TTL电路。
该图电路由3部分组成，VT1、R1和VD1组成输入级，VT2、R2和R3组成倒相级，VT3、VT4、VD2和R4组成输出级。
图11.16反相器电路
设电源电压UDD=5V，输入信号的高、低电平分别为UIH=3V，UIL=0.3V，并认为二极管正向压降为0.7V。
由图11.16可见，当UI=UIL时，VT1的发射结必然导通，导通后VT1的基极电位UB1被钳在1V。
因此，VT2、VT3不导通。
VT2截止后UC2为高电平，VT4导通，UO=5－UR2－0.7－0.7≈3.6V，输出为高电平UOH。
当UI=UIH时，如果不考虑VT2的存在，则应有UB1=UIH+0.7=3.7V。
显然，在VT2和VT3存在的情况下，VT2和VT4必然饱和导通。
此时，UB1便被钳在了2.1V左右。
VT2和VT3饱和导通使UC2降为1V，导致VT4截止，UO=0.3V，输出变为低电平UOL。
可见输出和输入之间是反相关系，即Y=A。
输出级的工作特点是在稳定状态下VT4和VT3总是一个导通而另一个截止，这就有效地降低了输出级的静态功耗并提高了驱动负载的能力。
通常把这种形式的电路称为推拉式电路或图腾柱输出电路。
为确保饱VT3和导通时VT4可靠地截止，又在VT4的发射极下面串进了二极管VD2。
VD1是输入端钳位二极管，它既可以抑制输入端可能出现的负极性干扰脉冲，又可以防止输入电压为负时VT1的发射极电流过大，起到保护作用。
这个二极管允许通过的最大电流约为20mA。
2．TTL反相器电压传输特性
图11.17所示为其电压传输特性。
在曲线的AB段，因为UI＜0.6V，所以，UB1＜1.3V,VT2和VT3截止而VT4导通，故输出为高电平。
这一段称为特性曲线的截止区。
在BC段里，由于UI＞0.7V但低于1.3V，所以VT2导通而VT3依旧截止。
这时VT2工作在放大区，随着UI的升高UC2和UO线性地下降，这一段称为特性曲线的线性区。
当输入电压上升到1.4V左右时，UB1约为2.1V，这时，VT2和VT3将同时导通，VT4截止，输出电位急剧地下降为低电平，与此对应的CD段称为转折区。
转折区中点对应的输入电压称为阈值电压或门槛电压，用UIH表示，分析电路时一般取其值为1.4V。
此后输入电压UI继续升高时UO不再变化，进入特性曲线的DE段。
DE段称为特性曲线的饱和区。
图11.17电压传输特性曲线
3．输入端负载特性
图11.18为输入端负载特性的测试电路和特性曲线。
在具体使用门电路时，有时需要在输入端与地之间或者输入端与信号的低电平之间接入电阻RP。
因为输入电流流过RP，这就必然会在RP上产生压降而形成输入端电位UI。
UI随RP变化的规律，即输入端负载特性可表示为
上式表明，在RP＜＜R1的条件下，UI几乎与RP成正比。
但是当UI上升到1.4V以后，VT2和VT3的发射结同时导通，将UB1钳在了2.1V左右，所以即使RP再增大，UI也不会再升高了。
这时UI与RP的关系也就不再遵守上式的关系，特性曲线趋近于UI=1.4V的一条水平线。
由以上分析可以看到，输入电阻的大小会影响非门的输出状态。
保证非门输出为低电平时，允许的最小电阻称为开门电阻，用RON表示。
由特性曲线可以看到RON为2kΩ。
保证非门输出为高电平时，允许的最大电阻称为关门电阻，用ROFF表示。
由特性曲线可以看到对应UI为0.8V时的ROFF大约为700～800Ω。
也可看到输入端悬空，RP相当于无穷大，也即相当于输入高电平。
图11.18输入负载特性
4．TTL反相器的特性参数
1）输出高电平UOH
UOH是门电路处于截止时的输出电平，其典型值是3.6V，规定最小值UOH（min）为2.4V。
2）输出低电平UOL
UOL是门电路处于导通时的输出电平，其典型值是0.3V，规定最大值UOL（max）为0.4V。
3）输入高电平UIN
其典型值是3.6V。
保证输出为低电平时的最小输入高电平称为开门电平UON，其值为2V。
4）输入低电平UOL
其典型值是0.3V。
保证输出为高电平时的最大输入低电平称为关门电平UOFF，其值为0.8V。
5）低电平输出电源电流ICCL、高电平输出电源电流ICCH及最大功耗
与非门处于不同的工作状态，电源提供的电流是不同的。
ICCL是指所有输入端悬空、输出端空载时，电源提供给器件的电流。
ICCH是指输出端空截，每个门各有一个以上的输入端接地，其余输入端悬空，电源提供给器件的电流。
通常ICCL＞ICCH，它们的大小标志着器件静态功耗的大小。
器件的最大功耗为PD＝UCCICCL。
手册中提供的电源电流和功耗值是指整个器件总的电源电流和总的功耗。
TTL电路对电源电压要求较严，电源电压UCC只允许在＋5V±
10%的范围内工作，超过5.5V将损坏器件，低于4.5V器件的逻辑功能将不正常。
6）低电平输入电流IiL和高电平输入电流IiH。
IiL是指被测输入端接地、其余输入端悬空、输出端空载时，由被测输入端流出的电流值。
在多级门电路中，IiL相当于前级门输出低电平时，后级向前级门灌入的电流，因此它关系到前级门的灌电流的负载能力，即直接影响前级门电路带负载的个数，所以希望IiL小些。
IiH是指被测输入端接高电平、其余输入端接地、输出端空载时，流入被测输入端的电流值。
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，其大小关系到前级门的拉电流负载能力，所以希望IiH小些。
由于IiH较小，难以测量，一般免于测试。
7）负载电流及扇出系数NO
IOL、IOH为驱动门的输出低电平电流和输出高电平电流，TTL与非门有两种不同性质的负载，即灌电流负载和拉电流负载，因此有两种扇出系数，即低电平扇出系数NOL和高电平扇出系数NOH。
通常IiH＜IiL，则NOH＞NOL，故常以NOL作为门的扇出系数。
门电路的输入端全部悬空，输出端接灌电流负载RL，调节RL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0.4V）时，IOL就是允许灌入的最大负载电流，则
NOL=IOL/IiL，通常NOL≥8
8）平均传输延迟时间tpd
在反相器的输入端加上一个脉冲电压，则输出电压有一延迟，如图11.19所示。
从输入脉冲上升沿的50%处起到输出脉冲下降沿的50%处的时间称为上升延迟时间tpLH；
从输入脉冲下降沿的50%处起到输出脉冲上升沿的50%处的时间称为下降延迟时间tpHL。
tpLH和tpHL的平均值称为平均传输延迟时间tpd，此值越小越好。
图11.19传输延迟曲线
9）输入端噪声容限
从电压传输特性上可以看到，当输入信号偏离正常的低电平（0.3V）而升高时，输出的高电平并不立刻改变。
同样，当输入信号偏离正常高电平（3.4V）而降低时，输出的低电平也不会马上改变。
因此，允许输入的高、低电平信号各有一个波动范围。
在保证输出高、低电平基本不变（或者说变化的大小不超过允许限度）的条件下，输入电平的允许波动范围称为噪声容限。
门电路的噪声容限反映它的抗干扰能力，值大则抗干扰能力强。
高电平噪声容限为：
UNH=UIH–UON=UOH（min）–UON=2.4–2=0.4V
低电平噪声容限为：
UNI=UOFF–UIL=UOFF–UOL（max）=0.8–0.4=0.4V
10）负载能力
门电路的负载能力就是指它可驱动的负载门的个数。
当驱动门和负载门为同类型门时，负载能力可由门电路的参数N（称为扇出系数）给出，如果驱动门和负载门的类型不相同时就需具体计算。
计算负载能力的原则是驱动门的输出电流要大于等于负载门的输入电流。
由于门电路输出高、低电平时的电流大不相同，故按下式计算取其小者。
N1=IOL/IIL
N2=IOH/IIIH
接下来以测试过的74LS00为例，看一下其主要特性参数，见表11-10。
表11-1074LS00四2与非门主要特性参数
注：
以上参数范围为电源电压选择4.75～5.25V的前提下所得。
在TTL系列中，除了有实现各种基本逻辑功能的门电路以外，还有集电极开路门（OC门）和三态门。
OC门能够实现线与，可用来驱动需要一定功率的负载。
三态门可用来实现总线结构。
5．三态门
1）三态门特性
三态门的输出有0、1和高阻这3种状态，图11.20所示为三态与非门的逻辑符号。
其特性为当使能端EN=0时，三态门相当于一个正常的与非门，输出
，有0、1两种状态，称为正常工作状态。
当EN=1时，这时从输出端看进去，对地和对电源都相当于开路，呈现高阻。
所以称这种状态为高阻态，也称禁止态。
其输出逻辑函数式为：
，Y=高阻
=2）三态门的应用
三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用。
图11.21（a）所示为三态与非门组成的单向总线，可实现信号的分时传送。
图11.21（b）所示为三态非门组成的双向总线。
当EN＝1时，G1正常工作，G2为高阻态，输入数据DI经G1反相后送到总线上；
当EN＝0时，G2正常工作，G1为高阻态，总线上的数据DO经G2反相后输出DO，这样就实现了信号的分时双向传送。
（a）单向总线（b）双向总线
图11.20三态与非门逻辑符号图11.21三态门组成的总线
6．集电极开路与非门（OC门）
在工程设计及应用中，有时需要将几个门的输出端直接并联使用，以实现与逻辑，称为“线与”。
但是，普通TTL门电路的输出结构决定了它不能进行线与，而集电极开路与非门可实现该功能，其逻辑符号如图11.22所示。
1）集电极开路与非门实现线与
两个OC与非门实现线与时的电路如图11.23所示。
图11.22集电极开路与非门逻辑符号图11.23OC与非门实现线与
此时的逻辑关系为
即OC与非门通过线与实现了与或非逻辑功能。
在使用OC门进行线与时，外接上拉电阻RL的选择非常重要，只有RL选择得当，才能保证OC门应有的逻辑功能，才能保证输出满足要求的高电平和低电平。
一般，上拉电阻RL应选为1kΩ左右。
2）电平转换
在数字系统的接口部分（与外部设备相连接的地方）需要有电平转换时，常用OC门来完成。
如果如图11.24所示，把上拉电阻接到10V电源上，这样在OC门输入普通的TTL电平时，其输出高电平都可为10V。
3）驱动器
可用OC门驱动发光二极管、指示灯、继电器和脉冲变压器等。
图11.25是用OC门驱动发光二极管的电路。
图11.24实现电平转换图图11.25驱动发光二极管
11.3.2常用集成TTL门电路多余输入端的处理
1．TTL与门、与非门的多余输入端的处理
在上述测试中所用的74LS00为四输入端与非门，若只需用两个输入端A和B，那么其余输入端的处理方法如图11.26所示。
（a）并联（b）悬空（c）通过电阻接高电平
图11.26TTL与门、与非门多余输入端的处理
并联、悬空或通过电阻接高电平使用。
这是TTL型与门、与非门的特定要求，但要在使用中考虑到，并联使用时增加了门的输入电容，对前级增加容性负载和输出电流，使该门的抗干扰能力下降；
悬空使用，逻辑上可视为“1”，但该门的输入阻抗高，易受外界干扰；
相比之下，多余输入端通过串接限流电阻接高电平的方法较好。
2．TTL或门、或非门的多余输入端的处理
在上述测试中所用的CD4001为四输入端或非门，若只需用两个输入端A和B，那么其余多余输入端的处理方法是：
并联、接低电平或接地，如图11.27所示。
（a）并联（b）接低电平或接地
图11.27TTL或门、或非门多余输入端的处理
3．异或门的输入端处理
异或门是由基本逻辑门组合成的复合门电路。
图11.28（a）为两输入端异或门，一输入端为A，若另一输入端接低电平，则输出仍为A；
若另一输入端接高电平，如图11.28（b）所示，则输出为
，此时的异或门称为可控反相器。
（a）同相（b）反相
图11.28异或门的输入端处理
在门电路的应用中，常用到“封锁”的概念。
如果把与非门的任一输入端接地，则该与非门被封锁；
如果把或非门的任一输入端接高电平，则该或非门被封锁。
由于TTL电路具有比较高的速度、比较强的抗干扰能力和足够大的输出幅度，再加上带负载能力比较强，因此在工业控制中得到了最广泛的应用，但由于TTL电路的功耗较大，目前还不适合作大规模集成电路。
4．TTL集成电路使用规则
（1）接插集成块时，要认清定位标记，不得插反。
（2）电源电压使用范围为4.5～5.5V之间，实验中要求使用UCC＝＋5V。
电源极性绝对
不允许接错。
（3）闲置输入端处理方法得当。
（4）输入端通过电阻接地，电阻值的大小将直接影响电路所处的状态。
当R≤680Ω时，输入端相当于逻辑“0”；
当R≥4.7kΩ时，输入端相当于逻辑“1”。
对于不同系列的器件，要求的阻值不同。
（5）输出端不允许并联使用（集电极开路门OC和三态输出门电路3S除外），否则不仅会使电路逻辑功能混乱，还会导致器件损坏。
（6）输出端不允许直接接地或直接接＋5V电源，否则将损坏器件，有时为了使后级电路获得较高的输出电平，允许输出端通过电阻R接至UCC，一般取R为3～5.1kΩ。
5．集成TTL电路分类
集成TTL电路以74系列作为典型代表，见表11-11。
表11-1174系列集成TTL电路类型
11.3.3CMOS集成逻辑门电路
1．CMOS集成电路特点
CMOS集成电路的特点是功耗极低、输出幅度大噪声容限大、扇出能力强。
MOS逻辑门电路主要分为NMOS、PMOS、CMOS三大类，PMOS是MOS逻辑门的早期产品，它不仅工作速度慢且使用负电源，不便与TTL电路连接，CMOS是在NMOS的基础上发展起来，它的各种性能较NMOS都好。
2．集成CMOS电路的特性参数
CMOS门电路主要参数的定义同TTL电路，下面主要说明CMOS电路主要参数的特点。
1）输出高电平UOH与输出低电平UOL
CMOS门电路UOH的理论值为电源电压UDD，UOH（min）=0.
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