实验1 TTL集成逻辑门的逻辑功能与参数测试.doc

实验1 TTL集成逻辑门的逻辑功能与参数测试

　　一、实验目的
　　1、掌握TTL集成与非门的逻辑功能和主要参数的测试方法
　　2、掌握TTL器件的使用规则
3、进一步熟悉数字电路实验装置的结构，基本功能和使用方法
　　二、实验原理
本实验采用四输入双与非门74LS20，即在一块集成块内含有两个互相独立的与非门，每个与非门有四个输入端。其逻辑框图、符号及引脚排列如图5－2－1(a)、(b)、(c)所示。

(b)

（a） (c)
图5－2－1 74LS20逻辑框图、逻辑符号及引脚排列
1、与非门的逻辑功能
　　与非门的逻辑功能是：当输入端中有一个或一个以上是低电平时，输出端为高电平；只有当输入端全部为高电平时，输出端才是低电平（即有“0”得“1”，全“1”得“0”。）
其逻辑表达式为 Y＝
2、TTL与非门的主要参数
　 (1)低电平输出电源电流ICCL和高电平输出电源电流ICCH
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PCCL＝VCCICCL。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。ICCL和ICCH测试电路如图5－2－2(a)、(b)所示。
[注意]：TTL电路对电源电压要求较严，电源电压VCC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。

(a) (b) (c) (d)
图5－2－2 TTL与非门静态参数测试电路图
　 (2)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负载能力，即直接影响前级门电路带负载的个数，因此希望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，希望IiH小些。由于IiH较小，难以测量，一般免于测试。
IiL与IiH的测试电路如图5－2－2(c)、(d)所示。
　 (3)扇出系数NO
　　扇出系数NO是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。
NOL的测试电路如图5－2－3所示，门的输入端全部悬空，输出端接灌电流负载RL，调节RL使IOL增大，VOL随之增高，当VOL达到VOLm（手册中规定低电平规范值0.4V）时的IOL就是允许灌入的最大负载电流，则

通常NOL≥8
　 (4)电压传输特性
门的输出电压vO随输入电压vi而变化的曲线vo＝f(vi) 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 VOH、输出低电平VOL、关门电平VOff、开门电平VON、阈值电平VT 及抗干扰容限VNL、VNH等值。测试电路如图5－2－4所示，采用逐点测试法，即调节RW，逐点测得Vi及VO，然后绘成曲线。

图5－2－3 扇出系数试测电路 图5－2－4 传输特性测试电路
(5)平均传输延迟时间tpd
tpd是衡量门电路开关速度的参数，它是指输出波形边沿的0.5Vm至输入波形对应边沿0.5Vm点的时间间隔，如图5－2－5所示。

(a) 传输延迟特性 (b) tpd的测试电路
图5－2－5
图5－2－5(a)中的tpdL为导通延迟时间，tpdH为截止延迟时间，平均传输延迟时间为

tpd的测试电路如图5－2－5(b)所示，由于TTL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与非门组成的环形振荡器的振荡周期T来求得。 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”，经过三级门的延迟后，使A点由原来的逻辑“1”变为逻辑“0”；再经过三级门的延迟后，A点电平又重新回到逻辑“1”。电路中其它各点电平也跟随变化。说明使A点发生一个周期的振荡，必须经过6 级门的延迟时间。因此平均传输延迟时间为

TTL电路的tpd一般在10nS～40nS之间。
74LS20主要电参数规范如表5－2－1所示

表5－2－1
参数名称和符号
规范值
单位
测 试 条 件
直流参数
通导电源电流
ICCL
＜14
mA
VCC＝5V，输入端悬空，输出端空载
截止电源电流
ICCH
＜7
mA
VCC＝5V，输入端接地，输出端空载
低电平输入电流
IiL
≤1.4
mA
VCC＝5V，被测输入端接地，其他输入端悬空，输出端空载
高电平输入电流
IiH
＜50
μA
VCC＝5V，被测输入端Vin＝2.4V，其他输入端接地，输出端空载。
＜1
mA
VCC＝5V，被测输入端Vin＝5V，其他输入端接地，输出端空载。
输出高电平
VOH
≥3.4
V
VCC＝5V，被测输入端Vin＝0.8V，其他输入端悬空，IOH＝400μA。
输出低电平
VOL
＜0.3
V
VCC＝5V，输入端Vin＝2.0V，
IOL＝12.8mA。
扇出系数
NO
4～8
V
同VOH和VOL
交流参数
平均传输延迟时间
tpd
≤20
ns
VCC＝5V，被测输入端输入信号：
Vin＝3.0V，f＝2MHz。

三、实验设备与器件
1、+5V直流电源 2、逻辑电平开关
3、逻辑电平显示器 4、直流数字电压表
5、直流毫安表 6、直流微安表
7、74LS20×2、1K、10K电位器，200Ω电阻器(0.5W)

四、实验内容
　　在合适的位置选取一个14P插座，按定位标记插好74LS20集成块。
验证TTL集成与非门74LS20的逻辑功能按图5－2－6接线，门的四个输入端接逻辑开关输出插口，以提供“0”与“1”电平信号，开关向上，输出逻辑“1”，向下为逻辑“0”。门的输出端接由 LED发光二极管组成的逻辑电平显示器（又称0－1指示器）的显示插口，LED亮为逻辑“1”， 不亮为逻辑“0”。按表5－2－2的真值表逐个测试集成块中两个与非门的逻辑功能。74LS20有4个输入端，有16个最小项，在实际测试时，只要通过对输入1111、0111、1011、1101、1110五项进行检测就可判断其逻辑功能是否正常。

图5—2—6 与非门逻辑功能测试电路

表5－2－2
输　　入
输 出
An
Bn
Cn
Dn
Y1
Y2
1
1
1
1

0
1
1
1

1
0
1
1

1
1
0
1

1
1
1
0

2、74LS20主要参数的测试
(1)分别按图5－2－2、5－2－3、5－2－5(b)接线并进行测试，将测试结果记入表5－2－3中。
表5－2－3
ICCL
(mA)
ICCH
(mA)
IiL
(mA)
IOL
(mA)

tpd = T/6
(ns)

　　(2)接图5－2－4接线，调节电位器RW，使vi从OV向高电平变化，逐点测量vi和vO的对应值，记入表5－2－4中。
　表5－2－4
Vi(V)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
…
VO(V)

五、 实验结论
经过一番的测试我们分别记录了以下的数据和现象：
1、74LS20的逻辑功能测试
分别输入1111、0111、1011、1101、1110进行检测，记录表格如下：

输　　入
输 出
An
Bn
Cn
Dn
Y1
Y2
1
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1

结论：由上表知，当四个输入端全为1是输出端为零，其余的输出都为1。因此，74LS20的逻辑功能正常。

2、74LS20主要参数的测试
(1) 分别按图5－2－2、5－2－3、5－2－5(b)接线并进行测试，测试结果如下表：

ICCL
(mA)
ICCH
(mA)
IiL
(mA)
IOL
(A)

1.495
1.1
0.6
6.1
10.1
35ns

(2)接图5－2－4接线，调节电位器RW，使vi从OV向高电平变化，逐点测量vi和vO的对应值，记入表格如下：
Vi(V)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
35
4.0
VO(V)
3.6
3.6
3.6
3.55
3.55
2.56
0.029
0.029
0.029
0.029
0.029
0.029

由上表知：TTL门电路的输出高电平大概在3.6左右，输出低电平约为0.03.根据74LS20主要参数规范知VOH≥3.4，VOL<0.3，因此符合要求。

六、实验心得

虽然这次的实验比较简单，有些内容在以前的实验有做过类似的，但总的感觉就是收获还是蛮多的···通过此次的实验我初步掌握 TTL集成与非门主要参数的测试方法和掌握TTL器件的使用规则，进一步熟悉数字电路实验装置的结构，基本功能和使用方法。有了前几次实验做好了的铺垫后，这次实验明显轻松了许多，没有像刚刚开始接触实验室器件时那么陌生了，而且出现问题时我们会主动的去寻找原因，不像以前遇到问题傻傻的愣在那里，实践能力明显增强了，也许是实验太简单的缘故吧，它给了我信心，我相信在今后的学习中我会更努力的。