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。

74HC00 74LS00（2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74HC002~6VDC TTL 与非门74LS005VDC（3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 0~5VCMOS 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（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 t PHL、t plh4、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 V OH：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 V OL：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 V NH：V NH=V OHmin-V ON，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 V NL：V NH=V OFF-V OLmax，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 V TH：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 V TH、输入噪声容限 V NH 和 V NL。

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 R L 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 V DD 为 5V 时的导通电阻 R ON3、CMOS 与非门 CD4011 的传输延迟时间 t PHL、t PLH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 V NH 和 V NL 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 t PHL=124.844us 由低电平变为高电平的传输延迟时间为 t PLH=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 V TH 噪声容限 V NH 噪声容限 V NL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根据 R L 所给出的参考值，设计一系列不同的 R L，测量出 V O 和 I OL，由于 I OL 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 V OL.需要测量 V DD 和 V O，通过测量 V O、V DD 和计算 I OL，得到了如下表格的数据：R ON=V O/I OL，为了求出R ON，绘制出V O—I OL 图像：RL /Ω98k 24k 15k 10k 9.1k 8.2k 7.5k 5.1k 4.7k 3.6k 2.4kVO /V 0.01 0.04 0.07 0.11 0.12 0.13 0.15 0.22 0.24 0.32 0.48 V DD/V 5.04 5.06 5.06 5.06 5.06 5.06 5.05 5.05 5.06 5.06 5.06IOL /mA 0.0510.2090.3330.4950.5430.600.6530.9491.0211.3171.908由以上关系图可以看出斜率约为 0.255，因此V DD =5V 时，R ON =255Ω3、CMOS 与非门 CD4011 的传输延迟时间 t PHL 、t PLH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V o 传输延迟时间 t PHL 传输延迟时间 t PLH 实验值 62ns 42ns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。

噪声容限 V NH 噪声容限 V NL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。