交通信号灯故障检查电路制作与调试.docx
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交通信号灯故障检查电路制作与调试
P1 交通信号灯故障检查电路制作与调试
学习目标
——能识别常见数字集成电路的类型。
——会测试常见TTL和CMOS集成电路。
——会叙述基本逻辑门电路的逻辑功能。
——会用门电路实现简单逻辑电路。
——会对组合逻辑电路分析。
——能制作与调试交通信号灯故障检查电路
工作任务
1.测试常用TTL门电路74LS00、74LS04、74LS20、74LS32、74LS10的逻辑功能。
2.测试CMOS电路CC4011、CC4012、CC4081、CC4069的逻辑功能。
3.按要求用集成与非门74LS00、74LS20实现逻辑函数式。
4.用基本门电路实现交通信号灯故障检查电路。
交通信号灯装置常有故障出现,为了检测电路是否正常工作,特设计故障检查电路。
交通信号在正常情况下:
红灯(R)亮——停车;黄灯(Y)亮——准备;绿灯(G)亮——通行;正常时只有一个灯亮。
如果灯全不亮或全亮或两个灯同时亮,都是故障。
本项目我们学习的是数字电路进行逻辑运算的基本知识:
基本逻辑运算和实现这些运算的门电路;以及中、小规模组合逻辑电路的分析和制作。
P1-M1 逻辑门电路测试
学习目标
——能识别常见数字集成电路的类型。
——会测试常见的TTL和CMOS集成电路。
工作任务
1.测试常用TTL门电路74LS08、74LS32、74LS04、74LS10、74LS20的逻辑功能。
2.测试CMOS电路CC4011的逻辑功能。
3.将所测试数据记录并进行整理归纳总结。
P1-M1.1 常用TTL门电路测试
看一看
双列直插式TTL集成门电路的外形示例如图1-1-1所示。
图1-1-1 TTL集成门电路的外形示例
读一读
门电路是用以实现各种基本逻辑关系的电子电路,它是组成其它功能数字电路的基础。
常用的逻辑门电路有与门、或门、非门、与非门、或非门和异或门等。
集成逻辑门主要有TTL门电路和CMOS门电路。
逻辑代数是分析和研究数字逻辑电路的基本工具。
它是由英国数学家乔治·布尔于19世纪中叶首先提出并用于描述客观事物逻辑关系的数学方法。
逻辑代数与普通代数相似之处在于它们都是用字母表示变量,用代数式描述客观事物间的关系。
但不同的是,逻辑代数是描述客观事物间的逻辑关系,逻辑函数表达式中的逻辑变量的取值和逻辑函数值都只有两个取值,即0和1。
这两个值不具有数量大小的意义,仅表示客观事物的两种相反的状态,如开关的闭合与断开;电位的高与低;真与假;好与坏;对与错等。
一个变量有2种取值组合,即0和1;二变量有4种组合,即00、01、10、11;三个变量有8种取值组合;n个变量有
个取值组合。
所以我们可以用一种表格来描述逻辑函数的真假关系,我们就称这种表格为真值表。
如表1-1-1所示为2输入与非门的真值表。
表1-1-1 2输入与非门的真值表。
输 入
输 出
A
B
Y
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0
想一想
1.我们知道一个逻辑变量,有2种取值组合,5个逻辑变量应有 种取值组合。
2.如有n个逻辑变量,则应有 种取值组合。
读一读
在实际中我们遇到的逻辑问题是多种多样的,但无论问题是复杂还是简单,它们都可以用“与”、“或”、“非”三种基本的逻辑运算把它们概括出来,下面我们分别讲解。
与逻辑
当决定某一事件的所有条件都具备时,该事件才会发生,这种因果关系称为与逻辑关系,如表1-1-2可看出逻辑变量A、B的取值和函数Y的值之间的关系满足逻辑乘的运算规律,因此,可用下式表示:
Y=A·B 或 Y=A×B
式中的“·”表示逻辑乘,在不需要特别强调的地方常将“·”号省掉,写成Y=AB。
逻辑乘又称与运算,实现与运算的电路称为与门,其逻辑符号如图1-1-2所示。
对于多变量的逻辑乘可写成:
Y=A·B·C…
表1-1-2 与逻辑真值表
A
B
Y
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
图1-1-2 与门逻辑符号
看一看
认识2输入四与门CT74LS08。
(1)观看2输入四与门CT74LS08外形,观察其有多少个引脚,引脚顺序应如何识读。
(2)根据图1-1-3所示的CT74LS08外引线排列图,正确区分四个与门的输入、输出端。
图1-1-3 CT74LS08外引线排列图
做一做
选用2输入四与门74LS08,其外引线排列如图1-1-3所示,电源电压为+5V。
实验时使用其中一个与门,测试TTL与门的逻辑功能。
与门的输入端A、B分别接到两个逻辑开关上,输出端Y的电平用万用电表进行测量。
实现步骤:
(1)按图1-1-4连接元器件。
图1-1-4 与门逻辑功能测试接线图
(2)开关K1、K2的电平位置分别按表1-1-3所列要求设置,并将每次输出端的测试结果记录在表1-1-3中。
表1-1-3 2输入端与门逻辑关系
K1
K2
输 出
代入Y=A·B
是否符合与逻辑关系
电平(V)
逻辑0或逻辑1
0
0
0
1
1
0
1
1
想一想
分析表1-1-3的输入、输出之间的逻辑关系,与门的逻辑功能可以概括为:
。
读一读
或逻辑
当决定某一事件的几个条件中,只要有一个或者几个条件具备,该事件就会发生,这种因果关系称为或逻辑关系。
从表1-1-4可看出逻辑变量A、B的取值和函数Y的值之间的关系满足逻辑加的运算规律,因此,可用下式表示:
Y=A+B
式中的“+”表示逻辑加,又称或运算,实现或运算的电路称为或门,其逻辑符号如图1-1-5所示。
对于多变量的逻辑加可写成:
Y=A+B+C…
表1-1-4 或逻辑真值表
A
B
Y
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
图1-1-5 或门逻辑符号
看一看
认识2输入四或门CT74LS32。
(1)观看2输入四或门CT74LS32外形,观察其有多少个引脚,引脚顺序应如何识读。
(2)根据图1-1-6所示的CT74LS32外引线排列图,正确区分四个或门的输入、输出端。
图1-1-6 CT74LS32外引线排图
做一做
选用2输入四或门74LS32,其外引线排列如图1-1-6所示,电源电压为+5V。
实验时使用其中一个或门,测试TTL或门的逻辑功能。
或门的输入端A、B分别接到两个逻辑开关上,输出端Y的电平用万用电表测量。
实验步骤:
(1)按图1-1-7连接元器件。
图1-1-7 或门逻辑功能测试接线图
(2)开关K1、K2的电平位置分别按表1-1-5所列要求设置,并将每次输出端的测试结果记录在表1-1-5中。
表1-1-5 2输入端或门逻辑关系测试记录
K1
K2
输 出
代入Y=A+B
是否符合或逻辑关系
电平(V)
逻辑0或逻辑1
0
0
0
1
1
0
1
1
想一想
分析表1-1-5的输入、输出之间的逻辑关系,或门的逻辑功能可以概括为:
。
读一读
非逻辑
非就是反,就是否定。
这种互相否定的因果关系称为非逻辑关系。
如表1-1-6逻辑非真值表,逻辑非用下式表示:
在变量的上方的“—”号表示非,
是A的反变量,读作“A非”,实现非运算的电路称为非门,其逻辑符号如图1-1-8所示。
表1-1-6 非逻辑真值表
输入
输出
A
Y
0
1
1
0
图1-1-8 非门逻辑符号图
看一看
认识TTL六反相器CT74LS04
(1)观看六非门CT74LS04外形,观察其有多少个引脚,引脚顺序应如何识读。
(2)根据图1-1-9所示的CT74LS04外引线排列图,正确区分六个非门的输入、输出端。
图1-1-9 CT74LS04外引线排列图
做一做
选用六非门74LS04,其外引线排列如图1-1-9所示,电源电压为+5V。
实验时使用其中一个非门,测试TTL非门的逻辑功能。
非门的输入端A分别接到一个逻辑开关上,输出端Y的电平用万用电表进行测量。
实现步骤:
(1)按图1-1-10连接元器件。
图1-1-10 非门逻辑功能测试接线图
(2)开关K的电平位置分别按表1-1-7所列要求设置,并将每次测试的输出端结果记录在表1-1-7中。
表1-1-7 非门逻辑关系
K1
输 出
代入
是否符合非逻辑关系
电平(V)
逻辑0或逻辑1
0
1
想一想
分析表1-1-7的输入、输出之间的逻辑关系,非门的逻辑功能可以概括为:
。
读一读
通过上一节的学习我们已经知道逻辑代数中有三种基本的逻辑运算,事实上我们总是希望用较少的器件来实现较多的逻辑功能,这时我们就必须用到复合逻辑。
(1)经常用到的复合逻辑有三种:
它们是“与非”、“或非”、“与或非”。
表1-1-8列出了它们的逻辑表达式、逻辑符号和逻辑功能。
表1-1-8 与非、或非、与或非三种复合逻辑
逻辑名称
逻辑表达式
逻辑符号
逻辑门特性
“与非”
逻辑
“有0出1,全1出0”
“或非”
逻辑
“有1出0,全0出1”
“与或非”
逻辑
任一组输入全为1时输出为0,每一组输入至少有一个为0时输出为1。
(2)“异或”逻辑和“同或”逻辑
有时我们还会用到“异或”逻辑和“同或”逻辑,它们都是两变量的逻辑函数。
“异或”逻辑指输入二变量相异时输出为“1”,相同时输出为“0”。
(简述“不同为1,相同为0”)“异或”的逻辑表达式为:
,异或门的逻辑符号如图1-1-11所示。
图1-1-11 异或门的逻辑符号 图1-1-12 同或门的逻辑符号
“同或”逻辑指输入二变量相同时输出为“1”,相异时输出为“0”。
(简述“不同为0,相同为1”)“同或”的逻辑表达式为:
A⊙B,同或门的逻辑符号如图1-1-12所示。
看一看
1.认识2输入四与非门CT74LS00。
(1)观看2输入四与非门CT74LS00外形,观察其有多少个引脚,引脚顺序如何识读。
(2)根据图1-1-13所示的CT74LS00外引线排列图,正确区分三个与非门的输入、输出端。
图1-1-13 CT74LS00外引线排列图
2.认识3输入三与非门CT74LS10。
(1)观看3输入三与非门CT74LS10外形,观察其有多少个引脚,引脚顺序如何识读。
(2)根据图1-1-14所示的CT74LS10外引线排列图,正确区分三个与非门的输入、输出端。
图1-1-14 CT74LS10外引线排列图
3.认识4输入二与非门74LS20。
(1)观看二4输入TTL与非门74LS20外形,观察其有多少个引脚,引脚顺序如何识读。
(2)根据图1-1-15所示的74LS20外引线排列图,正确区分二个与非门的输入、输出端。
图1-1-15 74LS20外引线排列图
做一做
TTL与非门逻辑功能测试:
选用3输入三与非门CT74LS10,其外引线排列如图1-1-14所示,电源电压为5V,测试TTL与非门的逻辑功能。
接线如图1-1-16所示。
与非门的输入端A、B、C分别接到三个逻辑开关上,输出端Y的电平接万用表测量。
根据真值表给定输入A、B、C的逻辑电平观察万用电表显示的结果,并将输出Y的结果填入上表1-1-9中。
实验步骤
(1)按图1-1-15连接元器件
图1-1-16 CT74LS10逻辑功能测试图
(2)开关K1、K2、K3的电平位置分别按表1-1-9所列要求设置,并将每次测试的输出端结果记录在表1-1-9中。
表1-1-9 3输入与非门真值表
K1
K2
K3
输 出
是否符合与非逻辑关系
电平(V)
逻辑0或逻辑1
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
想一想
分析表1-1-9的输入、输出之间的逻辑关系,总结出与非门的逻辑功能是为:
。
做一做
TTL与非门主要参数的测试:
实现步骤:
(1)按图1-1-17所示电路,正确连接。
TTL与非门的输出高电平VOH= 。
图1-1-17 VOH的测试接线图 图1-1-18 VOL的测试接线图
(2)按图1-1-18所示电路,正确连接。
测试TTL与非门的输出低电平VOL= 。
读一读
1.保证输出标准低电平(0.4V)时,允许的最小输入高电平值称为开门电平VON(大于1.4V)
2.保证输出标准高电平(2.4V)时,允许的最大输入低电平值称为关门电平VOFF(小于1.2V)
3.电压传输特性曲线是指反映输出电压uO与输入电压ui关系的曲线。
做一做
TTL与非门电压传输特性的测试:
图1-1-19 TTL与非门的电压传输特性测试电路
(1)测试电路如图1-1-19所示。
根据不同的输入电压,用万用表测出对应的输出电压值,记录测试数据并填入表1-1-10中。
表1-1-10 TTL与非门电压传输特性测试记录表
ui(V)
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
uO(V)
(2)根据表1-1-10的测试数据,利用数学中学习的描点作图方法,在图1-1-20所示的直角坐标系中绘制出TTL与非门的电压传输特性曲线。
图1-1-20 TTL与非门电压传输特性曲线
读一读
1.在保证输出高电平电压不低于额定值90%的条件下所容许叠加在输入低电平电压UIL上的最大噪声(或干扰)电压,称为低电平噪声容限电压,用UNL表示。
UNL=UOFF—UIL
2.在保证输出低电平电压的条件下所容许叠加在输入高电平电压UIH上(极性和输入信号相反)的最大噪声电压,称为高电平噪声容限电压,用UNH表示。
UNH=UIH—UON
P1-M1.2 CMOS电路逻辑功能测试
读一读
CMOS门电路具有功耗低、抗干扰能力强、电源电压范围宽、逻辑摆幅大等优点,因而在大规模集成电路中有更广泛的应用,已成为数字集成电路的发展方向。
看一看
1.认识CMOS2输入四与非门CC4011的外形及外引线排列图。
(1)观看2输入CMOS四与非门CC4011外形,观察其有多少个引脚,引脚顺序应如何识读。
(2)根据图1-1-21所示的CC4011外引线排列图,正确区分四个与非门的输入、输出端。
图1-1-21 CC40111外线排列图
2.认识CMOS六反相器CC4069
CC4069是一种CMOS集成电路,内部含有六个反相器,它们的输入分别用1A—6A表示,输出分别用1Y—6Y表示,逻辑表达式
。
外引线排列如图1-1-22所示。
图1-1-22 CC4069外引线排列图
3.认识四2输入异或门CC4070
CC4070也是一种CMOS集成电路,内部含有四个2输入端异或门,输入分别用1A、1B—4A、4B表示,输出分别用1Y—4Y表示。
外引线排列如图1-1-23所示。
图1-1-23 CC4070外引线排列图
做一做
1.根据CC4011的外引线排列图1-1-21,选择电源电压VDD=12V,测试2输入CMOS四与非门的主要参数。
接线如图1-1-24所示,测出输出高电平VOH= ;接线如图1-1-25所示,测出输出低电平VOL= 。
图1-1-24 CMOS与非门输出高电平测试图图1-1-25 CMOS与非门输出低电平测试图
2.CMOS与非门的电压传输特性的测试。
(1)模仿测试TTL与非门电压传输特性的方法,参考图1-1-19所示的测试电路,取电源电压VDD=12V,在输入端加上不同的输入电压,用万用表测出其对应的输出电压值,记录数据并填入下表1-1-11中。
表1-1-11 TTL与非门电压传输特性测试数据
ui(V)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
uo(V)
(2)根据表1-1-11的测试数据,利用数学中描点作图的方法,在图1-1-26所示的直角坐标系中绘制出CMOS与非门的电压传输特性曲线。
图1-1-26 CMOS与非门的电压传输特性曲线
想一想
从绘制的电压传输特性曲线图1-1-26上可以看出,当电源电压VDD=12V时,CMOS与非门输出高电平VOH约为 ,输出低电平VOL约为 。
拓展性知识
TTL和CMOS与非门在使用时有很多不同之处,必须严格遵守。
1.TTL与非门对电源电压的稳定性要求较严,只允许在5V上有
10%的波动。
电源电压超过5.5V易使器件损坏;低于4.5V又易导致器件的的逻辑功能不正常。
2.TTL与非门不用的输入端允许直接悬空(但最好接高电平),不能接低电平。
3.TTL与非门的输出端不允许直接接电源电压或接地,也不能并联使用。
4.CMOS与非门的电源电压允许在较大范围内变化,例如3~18V电压均可,一般取中间值为宜。
5.CMOS与非门不用的输入端不能悬空,应按逻辑功能的要求接VDD或VSS。
6.组装、调试CMOS电路时,电烙铁、仪表、工作台均应良好接地,同时要防止操作人员的静电干扰损坏。
7.CMOS电路的输入端都设有二极管保护电路,导电时其电流容限一般为1mA,在可能出现较大的瞬态输入电流时,应串接限流电阻。
若电源电压为10V,则限流电阻取10kΩ即可。
电源电压切记不能把极性接反,否则保护二极管很快就会因过流而损坏。
8.CMOS电路的输出端既不能直接与电源VDD相接,也不能直接与接地点VSS相接,否则输出级的MOS管会因过流而损坏。
想一想
1.试述TTL与非门电压传输特性的特点和主要参数。
比较TTL电路和CMOS电路的特点。
2.查阅数字集成电路手册,或上网查询数字集成电路资料检测TTL门电路74LS05、74LS02、74LS12的逻辑功能。
3.查阅数字集成电路手册,或上网查询数字集成电路资料检测CMOS电路CC4012、CC4081、CC4069、CC4002的逻辑功能。
P1-M2 用门电路制作简单逻辑电路
学习目标
——会叙述集成与非门的逻辑功能。
——会用74LS00实现其它逻辑函数式。
——会用74LS20实现其它逻辑函数式。
工作任务
1.用集成与非门74LS00实现逻辑函数式:
Y=AB+CD
2.用集成与非门74LS20实现四输入与逻辑函数式Y=ABCD
P1-M2.1 逻辑代数的基本定律和规则
读一读
逻辑代数的基本公式是一些不需证明的、直观可以看出的恒等式。
它们是逻辑代数的基础,利用这些基本公式可以化简逻辑函数,还可以用来推证一些逻辑代数的基本定律。
1.逻辑代数的基本公式
逻辑常量只有0和1。
对于常量间的与、或、非三种基本运算公式列于表1-2-1。
表1-2-1 与、或、非三种基本逻辑运算
与运算
或运算
非运算
0×0=0
0+0=0
=0
=1
0×1=0
0+1=1
1×0=0
1+0=1
1×1=1
1+1=1
设A为逻辑变量,则逻辑变量与常量间的运算公式列于表1-2-2中。
表1-2-2 逻辑变量与常量间的逻辑运算
与运算
或运算
非运算
A×0=0
A+0=A
A×1=A
A+1=1
A×A=A
A+A=A
2.逻辑代数的基本定律
(1) 交换律
AB=BA
A+B=B+A
(2) 结合律
ABC=(AB)C=A(BC)
A+B+C=A+(B+C)=(A+B)+C
(3) 分配律
A(B+C)=AB+AC
A+BC=(A+B)(A+C)
(4) 吸收律
A(A+B)=A
A+AB=A
(5) 反演律
想一想
1.用真值表证明下列逻辑等式
(1)
(2)
2.用公式证明下列逻辑等式
(1) A(A+B)=A
(2)
P1-M2.2 逻辑函数的化简
读一读
逻辑函数化简的意义:
进行逻辑设计时,根据逻辑问题归纳出来的逻辑函数式往往不是最简逻辑表达式,并且可以有不同的形式。
因此,实现这些逻辑函数就会有不同的逻辑电路。
对逻辑函数进行化简和变换,可以得到最简的函数式和所需要的形式,从而设计出最简洁的逻辑电路。
这对于节省元器件,优化生产工艺,降低成本和提高系统的可靠性,提高产品在市场上的竞争力是非常重要的。
运用逻辑代数的基本定律和公式对逻辑函数式化简的方法,称为代数化简法。
基本的化简方法有以下几种。
1.并项法
利用
的关系,将两项合并为一项,并消去一个变量。
如:
2.吸收法
利用A+AB=A的关系,消去多余的因子。
如:
AB+AB(E+F)=AB
3.消去法
运用
消去多余因子。
如:
4.配项法
在不能直接运用公式、定律化简时,可通过乘
或加入零项
进行配项再化简。
如:
做一做
1.证明下列各逻辑函数等式:
(1)
(2)
(3)
2.化简下列各逻辑函数式:
(1)Y=AB(BC+A)
(2)
(3)
想一想
1.常见的逻辑函数式有几种形式?
2.变换逻辑函数式有什么实际意义?
拓展性知识
逻辑代数的两个重要规则:
1.代入规则
对于任一个含有变量A的逻辑等式,可以将等式两边的所有变量A用同一个逻辑函数替