集成门电路电压参数的测量

实验1　集成门电路电压参数的测量

【实验目的】

（1）熟悉TTL电路和CMOS电路的使用规则和注意事项；

（2）掌握集成门电路外特性参数的测量方法及其物理意义；

（3）熟悉实验板的结构和使用方法。

【实验所用仪器及元器件】

（1）计算机；

（2）直流稳压电源；

（3）数字电路实验板；

（4）74LS00、74HC00。

【实验原理】

本实验选择TTL两输入四与非门74LS00和CMOS两输入四与非门74HC00。74LS00和74HC00集成电路外引线如图6－1所示，它们具有相同的外部管脚定义。

图6－1　74LS00和74HC00引脚分布图

与非门的参数分为静态参数和动态参数两种。静态参数指电路处于稳定的逻辑状态下测得的参数。门电路的主要电压静态参数如下：

1.工作电压V_CC，输入高电平U_IH和输入低电平U_IL

有效的工作电压是芯片能够正常工作的基本前提条件。不同工艺的器件其工作电压范围不一样。对于TTL芯片，工作电压范围比较窄，5VTTL的74LS系列芯片的正常工作电压范围一般在4.5～5.5V之间。CMOS器件的电压范围比较宽，74HC系列的芯片可以在2.0～5.5V之间正常工作。芯片的其它参数，如输入（输出）电压（电流）的值都与工作电源有关系，所以在数据手册中列出这些参数时都会指明该值是在什么工作电源的条件下测量的。

输入高电平U_IH是芯片能够可靠识别为逻辑1的输入电压最小值，输入低电平U_IL是芯片能够可靠识别为逻辑0的输入电压最大值。满足下面等式的大小关系：

U_IL≤U_TH≤U_IH（U_TH是芯片的阈值电平）

另外，芯片的工作温度也是一个重要前提，所有的参数值都是在某个温度范围测量的，如果超出了这个范围，芯片就可能工作不正常。温度指标通常从低到高分为3个级别：商用、工业用和军用。通常的74系列芯片，其正常工作的温度范围在0～70℃；军用54系列芯片的正常工作的温度范围在－55～＋125℃。不同厂家，不同型号的器件在工作温度上也有区别。

表6－1是DM74LS00数据手册给出的电压参数，表6－2是手册给出的极限工作参数。

表6－1　DM74LS00数据手册电压参数

表6－2　DM74LS00数据手册电压、温度极限参数

74HC系列芯片是CMOS工艺的，工作电压范围比较宽，从2.0V至5.5V均可。表6－3是74HC00芯片的电压数据手册。另外有的器件手册还会给出极限工作参数如表6－4，不能使芯片工作在极限条件下。

表6－3　74HC00数据手册电压参数

表6－4　74HC00数据手册电压极限参数

2.输出高电平U_OH和输出低电平U_OL

一般情况5VTTL的U_OH≥2.4V，U_OL≤0.4V；5VCMOS的U_OH≥4.5V，U_OL≤0.4V。具体每种芯片的U_OH和U_OL范围应该参考其数据手册，如表6－5所示。

表6－5　DM74LS00数据手册输出电压参数

3.电压传输特性

电压传输特性是指门电路的输出电压U_O随输入电压U_i而变化的曲线，它是门电路的主要特性之一。通过它可知道门电路的一些重要参数，如输出高电平U_OH、输出低电平U_OL、关门电平U_off、开门电平U_on、阈值电平U_T及抗干扰容限U_OL、U_NH等。

电压传输特性一般以电压传输特性曲线的形式来表示，以输入信号电压为横坐标，以输出信号电压为纵坐标所作的曲线就是电压传输特性曲线，可以用多种方法来测试电压传输特性曲线。

（1）用稳压电源作为输入信号，用电压表测量输入信号电压和输出信号电压的值。此方法的测试电路如图6－2所示，采用逐点测试法，调节R_W，使得U_i输入电压从0V开始逐步升高直至能够调节的最大值，同时测量输出端电压值U_o。根据测量数据绘制出电压传输特性曲线。测试时注意在输出电压变化快的地方，选择测试点间隔要小一些，变化慢的地方，测试点间隔可以大一些。

图6－2　电压传输特性测试方法1

（2）用三角波信号作为输入信号，用双踪示波器测量输入信号波形和输出信号波形。这种测试方法的关键在于得到正确的三角波信号，要求三角波信号的最低电平是0V，最高电平是5V，如果信号电平不对，则容易损坏集成芯片，因此必须先用示波器对输入信号进行监测。三角波信号的频率可以调节到1kHz左右。

此方法的测试电路如图6－3所示，示波器的CH1和CH2通道分别接到图中的U_i和U_o引脚。将示波器设为直流双踪显示，则示波器屏幕显示的波形大致为图6－4所示，其中上方的三角波是输入信号，下方是对应的输出信号，仔细观察和测量示波器显示的波形，找出门电路输出信号电压发生转折时的输入电压，并根据此波形绘制出电压传输特性曲线。

图6－3　电压传输特性测试方法2

（3）用三角波信号作为输入信号，用双踪示波器的X－Y显示功能直接显示电压传输特性曲线。这一方法的接线和注意事项同方法2，但需要将示波器调节到X－Y显示方式，一般依习惯将输入信号作为X轴，输出信号作为Y轴，则可以直接在示波器上显示该集成电路的电压传输特性曲线，如图6－5所示。

图6－4　方法2测试波形示意图

图6－5　方法3测试波形示意图

【实验内容】

1.实验电路

电路图如图6－6所示，注意芯片一定要正确连接电源和地，并且不能够带电连接电路或者带电改变电路。

图6－6　输出高低电平测试电路

2.测试内容及要求

（1）芯片选择74LS00，将输入端接实验板上DA0，示波器的CH1和CH2分别接输入端（U_i）和输出端（U_O），在示波器上同时显示输入和输出波形，调节稳定后将显示方式转为X－Y方式，在坐标纸上按1∶1的比例记录曲线（注意X轴和Y轴的零坐标的位置）。

（2）将芯片换为74HC00，重复前面的测试步骤。

（3）根据测得的电压传输特性曲线，分析74LS00和74HC00的输入高电平U_IH和输入低电平U_IL、输出高电平U_OH和输出低电平U_OL，并填入表6－6中。根据表6－6的数据分析TTL 和CMOS芯片连接时在输入、输出电平的配合上可能遇到的问题，如有问题找出解决的办法。

表6－6　芯片输入、输出电平（电源电压5V）