注塑机输入输出控制电路

实验二　TTL门电路参数测试

一、实验目的

1．掌握TTL集成与非门的主要性能参数及测试方法。

2．掌握TTL器件的使用规则。

3．熟悉数字电路测试中常用电子仪器的使用方法。

二、实验原理

制造TTL门电路的厂家，通常都要为用户提供各种逻辑器件的数据手册，本实验采用二输入四与非门74LS00（它的顶视图见附录）来学习TTL各项技术参数。74LS00内含有四个相互独立的与非门，每个与非门有两个输入端。

1．TTL集成与非门的逻辑功能

单个与非门的逻辑功能框图如图6－4所示，当输入端中有一个或一个以上低电平时，输出为高电平；只有输入端全都为高电平时，输出端才是低电平。

图6－4　74LS00的逻辑图

图6－5　I_is的测试电路图

2．TTL集成与非门的主要参数

TTL集成与非门的主要参数有输出高电平V_oH、输出低电平V_oL、输入短路电流I_is、扇出系数N_o、电压传输特性和平均传输延迟时间t_pd等。

（1）TTL门电路的输出高电平V_oH

V_oH是与非门有一个或多个输入端接地或接低电平时的输出电压值，此时与非工作管处于截止状态。空载时，V_oH的典型值为3．6V，接有拉电流负载时，V_oH下降。

（2）TTL门电路的输出低电平V_oL

V_oL是与非门所有输入端都接高电平时的输出电压值，此时与非工作管处于饱和导通状态。空载时，它的典型值约为0．2V，接有灌电流负载时，V_oL上升。

（3）TTL门电路的输入短路电流I_is

它是指当被测输入端接地，其余端悬空，输出端空载时，由被测输入端输出的电流值，测试电路图如图6－5。

（4）TTL门电路的扇出系数N_o

扇出系数N_o指门电路能驱动同类门的个数，它是衡量门电路负载能力的一个参数，TTL集成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，它有两种扇出系数，即低电平扇出系数N_oL和高电平扇出系数N_oH。通常有I_iH＜I_iL，则N_oH＞N_oL，故常以N_oL作为门的扇出系数。

N_oL的测试电路如图6－6所示，门的输入端全部悬空，输出端接灌电流负载R_L，调节R_L使I_oL增大，V_oL随之增高，当V_oL达到V_oLm（手册中规定低电平规范值为0．4V）时的I_oL就是允许灌入的最大负载电流，则

N_oL＝I_oL／I_is，通常N_oL＞8

（5）TTL门电路的电压传输特性

门的输出电压V_o随输入电压V_i而变化的曲线V_o＝f（V_i）称为门的电压传输特性，通过它可读得门电路的一些重要参数，如输出高电平V_oH、输出低电平V_oL、关门电平V_off、开门电平V_ON等值。测试电路如图6－7所示，采用逐点测试法，即调节R_W，逐点测得V_i及V_o，然后绘成曲线。

图6－6　扇出系数的测试电路

图6－7　电压传输特性测试电路

（6）TTL门电路的平均传输延迟时间t_pd

t_pd是衡量门电路开关速度的参数，它意味着门电路在输入脉冲波形的作用下，其输出波形相对于输入波形延迟了多少时间。具体的说，它是指输出波形边沿的0．5 U_m至输入波形对应边沿0．5 U_m点的时间间隔，如图6－8所示。一般传输延迟时间短，为纳秒数量级。

图6－8　传输延迟时间t_pd

图6－8（a）中的t_pdL为导通延迟时间，t_pdH为截止延迟时间，平均传输时间为：

t_pd＝（t_pdL＋t_pdH）／2

t_pd的测试电路如图6－8（b）所示，由于门电路的延迟时间较小，直接测量时对信号发生器和示波器的性能要求较高，故实验采用测量由奇数个非门组成的环形振荡器的振荡周期T求之。其工作原理是：假设电路在接通电源后某一瞬间，电路中的A点为逻辑“1”，经过三级门的延时后，使A点由原来的逻辑“1”变为逻辑“0”；再经过三级门的延时后，A点重新回到逻辑“1”。电路的其他各点电平也随着变化。说明使A点发生一个周期的振荡，必须经过6级门（两次循环）的延迟时间。因此平均传输延迟时间为：t_pd＝T／6。TTL电路的t_pd一般为10～40ns。

三、实验设备与器件

1．数字逻辑电路实验箱

2．二输入端四与非门74LS00（1片）、六反相器74LS04（1片）、10 0Ω电阻（1个）

3．数字万用表

4．双踪示波器

四、实验预习要求

1．复习TTL门电路的工作原理。

2．熟悉实验所用集成门电路引脚功能。

3．画出实验内容中的测试电路与数据记录表格。

五、实验内容及实验步骤

1．在实验箱IC插座模块找一个DIP₁4的插座插上芯片74LS00，并在DIP₁4插座的第7脚接上实验箱的地（GND），第14脚接上电源＋5V（V_CC）。其他脚的连线参考具体的线路图，测试与非门的逻辑功能，记录之。

2．按照实验原理第二部分说明用万用表测出TTL与非门电路的V_oH、V_oL值。

3．按图6－5所示连线，用万用表的电流挡测出TTL与非门电路的输入短路电流I_is。

4．按图6－6所示连线，先用万用表测试使V_oL等于V_oLm（0．4V），再把万用表调到电流挡串入电路测出I_oL，求得扇出系数N_o。

5．按图6－7所示连线，调节电位器R_W，使V_i从0V向高电平变化，逐点测量V_i和V_o，将结果记入下表中。

6．按图6－8所示连线，V_CC接＋5V，记录V_o的波形，测量出V_o的周期T，并算出t_pd。

六、实验报告要求

1．记录整理实验结果，并对结果进行分析。

2．画出实测的电压传输特性曲线，并从中读出各有关参数值。

3．思考：TTL门电路的无用输入端是否能悬空或接高电平？为什么？

七、TTL门电路的使用规则小结

1．接插集成块时，要认清定位标记，不能插反。器件必须先上电源，再上信号源。

2．对电源要求比较严格，只允许在5V±10%的范围内工作，电源极性不可接错。

3．普通TTL与非门不能并联使用（集电极开路门与三态输出门电路除外），否则不仅会使电路逻辑功能混乱，并会导致器件损坏。

4．须正确处理闲置输入端。闲置输入端处理方法：

（1）悬空，相当于正逻辑“1”，对于一般小规模集成电路的数据输入端，实验时允许悬空处理。但易受外界干扰，导致电路的逻辑功能不正常。因此，对于接有长线的输入端，中规模以上的集成电路和使用集成电路较多的复杂电路，所有的控制输入端必须按逻辑要求接入电路，不允许悬空。

（2）直接接电源电压V_CC（也可串入一只1～10kΩ的固定电阻）或接至某一固定电压（＋2．4V＜V＜4．5V）的电源上，或与输入端为接地的多余与非门的输出端相接。

（3）若前级驱动能力允许，可以与使用的输入端并联。

5．负载个数不能超过允许值。

6．输出端不允许直接接地或直接接＋5V电源，否则会损坏器件。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接至V_CC，一般取电阻值为3～5．1kΩ。