门电路.docx
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门电路
门电路
实验一门电路的电特性
一、实验目的
1、在理解CMOS门电路的工作原理和电特性基础上，学习并掌握其电特性主要参数的测试方法。
2、在理解TTL门电路的工作原理和电特性基础上，学习并掌握其电特性主要参数的测试方法。
3、学习查阅集成电路芯片数据手册。
4、学习并掌握数字集成电路的正确使用方法。
二、预习任务
1.回顾上学期的“常用电子仪器使用”以及实验中用到的测试方法。
回答下列问题：
（1）如何调整函数信号发生器，使其输出100Hz、0~5V的锯齿波（三角波）信号？
答：
首先调输出模式至三角波,再调节幅度调节按钮，使显示屏幅值处显示为5Vp-p，为了保证输出的三角波是0~5V，则还需设置偏置电压，调节偏置/最小值按钮，将最小值设置为0V，这样就可以输出0~5V的三角波；按频率范围选择按钮，将屏幕上频率调为读数为100Hz。
若需要输出锯齿波，则要调节占空比，以获得想要的波形。
（2）用示波器观测到如图1所示的a、b两个信号，假设此时示波器的垂直定标
（灵敏度）旋钮位置分别为1V/格和2V/格，请写出它们的最高值和最低值。
答：
第一幅图最高值为2V，最低值为-2V；
第二幅图最高值为4V，最低值为0。
（3）电压传输特性曲线是指输出电压随输入电压变化的曲线。
示波器默认的时基模式为“标准（YT）模式”显示的是电压随时间变化的波形，若要观测电压传输特性曲线，需改变示波器上哪些菜单或旋钮？
答：
为观测电压传输特性曲线，需要将两相关的信号输入示波器的两个输入
端，并将模式调为Y-X模式。
本次实验须将输入电压信号与输出电压信号分别作为X与Y，即可观测电压传输特性曲线。
在Y-X工作模式下，示波器上显示的图样为以通道一的测量值（输入电压）为横坐标，通道二的测量值（输出电压）为
纵坐标的曲线，即为电压传输特性曲线。
（4）用示波器观测两路信号时，如何调整示波器使波形稳定的显示在屏幕上？
答：
<1>调节触发模式（电平、边沿、宽度），一般可使用边沿触发；可以旋转“trigger”旋钮进行调节，使信号不再左右移动；
<2>检查SOURSE触发源是否选择在当前信号输入通道挡，若不是就调节到该挡；
<3>检查COUPPING触发耦合方式开关是否选择在DC档。
若不是就调节到该挡。
这样就确定采用内触发直流耦合，若是交流耦合则会虑去其中的直流分量，对结果造成影响。
<4>调节LEVER触发电平调节钮，并调节频率旋钮是使示波器的发生频率与信号频率匹配的功能，粗调和微调两种旋钮，先调整粗调，再调整微调旋钮，使图像不再上下翻滚为止。
使波形稳定；
<5>若信号毛刺较多，可以加上噪声抑制和频率抑制；
<6>若手动调节无法达到目的，可以尝试使用“autoset”按钮自动调节。
2.仔细阅读《数字电子技术基础》第三章相关内容，并结合各项任务完成以下内容。
（1）查阅数字集成电路74HC00和74LS00的数据手册，并画出引脚图。
74HC0074LS00
（2）写出各测试电路中门电路的工作电压。
实验
门电路
工作电压
必做实验
CMOS与非门CD4011
推荐3VDC~15VDC最大耐受-0.5VDC~18VDC
选作实验
CMOS与非门74HC00
2~6VDC
TTL与非门74LS00
5VDC
（3）写出各测试电路输入信号的类型、频率、电压值。
门电路
实验任务
输入信号
类型
频率
电压值
CMOS与非门CD4011
电压传输特性
三角波
100Hz
0~5v
输出低电平负载特性
直流电压
/
5V
传输延迟时间
方波
20kHz
0~5V
动态功耗
三角波
100Hz
0~5V
CMOS与非门74HC00
噪声容限
三角波
100Hz
0~5V
TTL与非门74LS00
输入端负载特性
/
/
/
（4）列出各项任务记录数据的表格。
（5）根据必做任务4内容分析图6电路，试着给出取样电阻R的取值范围
R大概在1k以内即可
三、实验任务
（一）、必做实验
1、CMOS与非门CD4011的电压传输特性
2、测试CMOS与非门CD4011输出低电平负载特性
3、CMOS与非门CD4011的传输延迟时间tPHL、tplh
4、观察CMOS与非门CD4011的动态功耗
（二）、选作实验
1、CMOS与非门74HC00的噪声容限
2、测量TTL与非门74LS00的输入端负载特性
四、实验原理
1、CMOS与非门CD4011的电压传输特性
电压传输特性是指输出电压与输入电压之间的关系，根据电压传输特性曲线可以得到电路的状态和参数，高低电平、阈值电压、噪声容限均可以通过电压传
输特性曲线得到。
（1）输出高电平VOH：
是指与非门有一个或几个输入端接地或接低电平时的输出电平。
（2）输出低电平VOL：
是指与非门的所有输入端都接高电平时的输出电平。
（3）高电平噪声容限电压VNH：
VNH=VOHmin-VON，表示输入为高电平时所允许噪声电压的最大值。
（4）低电平噪声容限电压VNL：
VNH=VOFF-VOLmax，表示输入为低电平时所允许噪声电压的最大值。
（5）阈值电压VTH：
指电压传输特性转折区中点所对应的输入电压。
测量电路如下
输入信号为100Hz、0~5V的锯齿波，利用示波器的Y-X模式观测电压传输特性曲线并记录，读取并标注阈值电压VTH、输入噪声容限VNH和VNL。
2、测试CMOS与非门CD4011输出低电平负载特性
电路图如右
（1）改变RL阻值，用逐点法画出CMOS与非门低电平输出特性曲线，参考取值如下
（2）估算当VDD为5V时的导通电阻RON
3、CMOS与非门CD4011的传输延迟时间tPHL、tPLH
测试电路如下，输入信号为20Khz的方波信号，记录输入、输出波形和传输延迟时间
4、观察CMOS与非门CD4011的动态功耗
静态时，由于CMOS内部只有N沟道或P沟道导通，流过MOS管的电流近似为零，故静态功耗接近零。
但是在输出高电压与输出低电压的转换过程中，两个沟道会同时导通，会有瞬时电流，导致动态功耗不能忽略。
5、CMOS与非门74HC00的噪声容限
测试电路和测试方法同必做任务1，观察并记录74HC00的电压传输特性曲线和输入噪声容限VNH和VNL试对实验现象作出分析。
6、测量TTL与非门74LS00的输入端负载特性
五、实验仿真
1、CMOS与非门CD4011的电压传输特性
仿真电路
从下图的仿真结果我们可以看出，在MULTISIM中的电器元件均为理想元件，因此电路实现的仿真特性较好，
2、测试CMOS与非门CD4011传输延迟时间
由高电平变为低电平的传输延迟时间为tPHL=124.844us由低电平变为高电平的传输延迟时间为tPLH=112.360us
六、实验记录表格
1、CMOS与非门CD4011的电压传输特性
实验图像如下图所示：
通过实验图像可以看出，电压传输特性非常好，输出高电平和低电平几乎与横轴平行，并且跳变过程特别迅速，近似垂直于横轴，通过光标读出噪声容限和阈值如下：
通过示波器的光标读数的功能可以读出其中的阈值电压和噪声容限如下：
阈值电压VTH
噪声容限VNH
噪声容限VNL
实验值
2.256V
2.144V
2.768V
阈值电压近似为最大电压值的一半，高低电平噪声容限之和基本上为最大电压值，可以看出噪声容限很大，中间的跳变过程可以近似忽略，因此说电压传输特性良好。
2、测试CMOS与非门CD4011输出低电平负载特性
RL/Ω
98k
24k
15k
10k
9.1k
8.2k
7.5k
5.1k
4.7k
3.6k
2.4k
VO/V
0.01
0.04
0.07
0.11
0.12
0.13
0.15
0.22
0.24
0.32
0.48
VDD/V
5.04
5.06
5.06
5.06
5.06
5.06
5.05
5.05
5.06
5.06
5.06
IOL/mA
0.05
1
0.20
9
0.33
3
0.49
5
0.54
3
0.60
0
0.65
3
0.94
9
1.02
1
1.31
7
1.90
8
根据RL所给出的参考值，设计一系列不同的RL，测量出VO和IOL，由于IOL不可以直接通过万用表或者是示波器直接测量，因此选择通过测量电阻两端的阻值和电压来计算电流，并且由于万用表和示波器必须有接地端，因此为了测量VOL.需要测量VDD和VO，通过测量VO、VDD和计算IOL，得到了如下表格的数据：
RON=VO/IOL，为了求出RON，绘制出VO—IOL图像：
由以上关系图可以看出斜率约为0.255，因此VDD=5V时，RON=255Ω
3、CMOS与非门CD4011的传输延迟时间tPHL、tPLH
虽然通过此图看到的图像并不存在延迟时间，但是若将该图放大，通过光标读数，则会得到传输延迟时间，得到的时间如下：
传输延迟时间tPHL
传输延迟时间tPLH
实验值
62ns
42ns
传输延迟时间都是ns级的，上升和下降传输延迟时间相差不大，符合理论要求。
4、观察CMOS与非门CD4011的动态功耗
静态时，由于CMOS内部只有N沟道或P沟道导通，流过MOS管的电流近似为零，故静态功耗接近零。
但是在输出高电压与输出低电压的转换过程中，两个沟道会同时导通，会有瞬时电流，导致动态功耗不能忽略。
通过记录图可以看出，黄线为输入信号，绿色的为输出电流信号（通过输出端电阻两端电压体现），在输入电压上升/下降到电压中间值时，此时两根管子同时导通，出现尖峰电流，出现动态功耗。
5、CMOS与非门74HC00的噪声容限
通过调节示波器为Y-t模式，可以看出输入和输出的电压图形
通过调节示波器为Y-X模式，观察电压传输特性曲线
相比CD4011的电压传输特性曲线，74HC00的电压传输特性就不是特别的理想，从Y-X图像中可以看出，在高低电平跳变的过程中，中间的跳变电压范围比较大，并且同一个输入电压可能对应着多个输出电压，噪声容限比较小，通过Y-t图像也可以看出在高低电平转换的中间，会有一段延迟不稳定区域，这段区域正好对应着Y-X图像中的中间部分。
在此段区域是不可以正常工作的。
因此对比必做实验1可以对比看出CD4011的传输特性要好于74HC00，CD4011的性能要优于74HC00。
原因应该是与两个不同CMOS管的内部设置结构有关。
以下是74HC00对应的噪声容限：
噪声容限VNH
噪声容限VNL
实验值
1.08V
1,.33V
都是根据输出电压发生变化的值分别到输入电压两端值的差值读出的。
6、测量TTL与非门74LS00的输入端负载特性
RP
VI
VO
1
1k
0.25V
3.95V
2
3k
0.66V
3.59V
3
4.4k
0.9V
3.59V
4
4.74k
1.025V
3.42V
5
5.08k
1.04V
3.21V
6
5.35k
1.07V
3.07V
7
5.58k
1.12V
2.72V
8
5.92k
1.13V
2.23V
9
6.00k
1.13V
0.21V
10
6,23k
1,14V
0.21V
11
7.01k
1.13V
0.21V
Vi
输入低电平VIL
输出低电平VOL
0.94V
3.59V
输入高电平VIH
输出高电平VOH
1.13V
0.21V
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
05101
Vi—Rp
52025303
5404550
Rp
通过负载特性曲线可以看出，随着Rp的增大，Vi逐渐增大，当Rp增加到
6Kω时,此时输入电压达到1.13V左右，以后再增加Rp，输入电压也不会再增大，此时达到了输入电压的最大值。
由于TTL门电路是电流驱动型的，因此在输入端接入电阻时，可以认为在输入端接入了电压信号，当电阻阻值足够高时，可以认为输入了高电平，输出为低电平。
七、思考题
1、在CMOS数字集成电路中，如CD4011，若仅用到其中的一个门电路，其余门电路的输入端应该做何处理，为什么？
由于CMOS输入端是场效应管，输入阻抗极大，当输入端悬空时，由于扰动信号，会导致输入端电压很大，因而会影响管子的本身的逻辑功能，而且还容易击穿很薄的绝缘层，损坏管子，因此输入端不应该悬空，应该接高电压。
2、在TTL数字集成电路中，如74LS00，若仅用到其中的一个门电路，其余门电路的输入端应该做何处理，为什么？
TTL内部为普通的PN结，当输入开路时，相当于输入了高电压，因此输入端可以悬空，也可以输入高电平。
3、如要观测CMOS电路的直流噪声容限与电源电压的关系，需改变图2电路中芯片电源电压VDD和测试电路输入信号VI，请根据实验室现有的仪器设备，判断能否进行实验。
可以进行实验，根据学习机上有的直流电压的数值，可以将电源电压设置为12V，并且在电源和VDD之间加入滑动变阻器，来更改VDD的大小，设置合适的锯齿波，然后测量传输特性曲线即观测直流噪声容限，测量多组数据，即可观测出直流噪声容限与电源电压的关系。
4、在如图8所示的两个电路中，不同工艺的数字集成电路在互相对接时应该满足什么条件？
（a）CMOS和TTL的电源电压值不同，为了使两者都可以正常工作，需要采用
OD或者OC门来更改电源电压。
（b）当电源电压满足要求之后，要使两者可以相互对接，则应该使前一级的输出的高电平最小值大于后一级输入的高电平的最小值，同时还要使前一级输出的低电平的最大值小于后一级输入的低电平的最大值，另外由于TTL是电流驱动型，还应该满足前一级的输出电流可以满足后一级的输入电流的要求。
八、实验总结
1、这是本学期第一次数电实验，通过本次实验，对示波器和函数信号发生器的使用和调节更加熟练，自己可以对输出波形的稳定性进行调整。
2、门电路实验首先要了解芯片的输出输入端，注意不要接错，并且一定记得接地和接电源电压。
3、要规范电路的搭接，既要能实现相应的功能，又要便于检查和更换元器件。
4、连接电路的导线不宜过长，如果导线过长的话，不仅连接不易稳定，还常常会由于长导线的干扰使得信号不稳定。
5、要学会排除电路故障和自己分析电路不稳定的原因，并找到相应的解决方法。
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