实验二三态门和OC门的研究

实验二三态门和OC门的研究一、实验目的(1)熟悉两种特殊的门电路：三态门和OC门；(2)了解“总线”结构的工作原理。二、实验原理数字系统中，有时需把两个或两个以上集成逻辑门的输出端连接起来，完成一定的逻辑功能。普通TTL门电路的输出端是不允许直接连接的。图2_1示出了两个TTL门输出短接的情况，为简单起见，图中只画出了两个与非门的推拉式输出级。设门A处于截止状态，若不短接，输出应为高电平；设门B处于导通状态，若不短接，输出应为低电平。在把门A和门B的输出端作如图3_2_1所示连接后，从电源Vcc经门A中导通的T4、D3和门B中导通的T5到地，有了一条通路，其不良后果为：图3_2_1不正常情况：普通TTL门电路输出端短接(1)输出电平既非高电平，也非低电平，而是两者之间的某一值，导致逻辑功能混乱。(2)上述通路导致输出级电流远大于正常值(正常情况下T4和T5总有一个截止)，导致功耗剧增，发热增大，可能烧坏器件。集电极开路门和三态门是两种特殊的TTL电路，它们允许把输出端互相连在一起使用。1．集电极开路门(OC门)集电极开路门(Open-CollectorGate)，简称OC门。它可以看成是图3_2_1所示的TTL与非门输出级中移去了T4、D3部分。集电极开路与非门的电路结构与逻辑符号如图3_2_2所示。必须指出：OC门只有在外接负载电阻Rc和电源Ec后才能正常工作，如图中虚线所示。图3_2_1不正常情况：普通TTL门电路输出端短接图3_2_2集电极开路与非门由两个集电极开路与非门(0C)输出端相连组成的电路如图3_2_3所示，它们的输出：即把两个集电极开路与非门的输出相与(称为线与)，完成与或非的逻辑功能。0C门主要有以下三方面的应用：(1)实现电平转换图3_2_3OC门的线与应用无论是用TTL电路驱动CMOS电路还是用CMOS电路驱动TTL电路，驱动门必须能为负载门提供合乎标准的高、低电平和足够的驱动电流，即必须同时满足下列四式：驱动门负载门VOH(min)≥VIH(min)VOL(max)≤VIL(max)IOH(max)≥IIHIOL(max)≥IIL图3_2_3OC门的线与应用其中:VOH(min)--门电路输出高电平VOH的下限值；VOL(max)--门电路输出低电平VOL的上限值；IOH(max)--门电路带拉电流负载的能力，或称放电流能力；IOL(max)—门电路带灌电流负载的能力，或称吸电流能力；VIH(min)--为能保证电路处于导通状态的最小输入(高)电平；VIL(max)--为能保证电路处于截止状态的最大输入(低)电平。IIH—输入高电平时流入输入端的电流；IIL--输入低电平时流出输入端的电流。当74系列或74LS系列TTL电路驱动CD4000系列或74HC系列CMOS电路时，不能直接驱动，因为74系列的TTL电路VOH(min)=2.4V，74LS系列的TTL电路VOH(min)=2.7V，CD4000系列的CMOS电路VIH(min)=3.5V，74HC系列CMOS电路VIH(min)=3.15V，显然不满足VOH(min)≥VIH(min)最简单的解决方法是在TTL电路的输出端与电源之间接入上拉电阻Rc，如图3_2_4所示。图3_2_4TTL(OC)门驱动CMOS电路的电平转换(2)实现多路信号采集，使两路以上的信息共用一个传输通道(总线)；(3)利用电路的线与特性方便地完成某些特定的逻辑功能。在实际应用时，有时需将几个OC门的输出端短接，后面接m个普通TTL与非门作为负载，如图3_2_5所示。为保证集电极开路门的输出电平符合逻辑要求，Rc的数值选择范围为：图3_2_5计算OC门外接电阻Rc的工作状态m'(7)个输入端(a)计算Rc最大值(b)计算Rc最小值图3_2_5计算OC门外接电阻Rc的工作状态其中IcEO--OC门输出三极管T5截止时的漏电流；Ec—外接电源电压值；m--TTL负载门个数；n—输出短接的OC门个数；m’—各负载门接到OC门输出端的输入端总和。Rc值的大小会影响输出波形的边沿时间，在工作速度较高时，Rc的取值应接近Rc(min)。2．三态门三态门，简称TSL(Three-stateLogic)门，是在普通门电路的基础上，附加使能控制端和控制电路构成的。图3_2_6所示为三态门的结构和逻辑符号。三态门除了通常的高电平和低电平两种输出状态外，还有第三种输出状态——高阻态。处于高阻态时，电路与负载之间相当于开路。图(a)是使能端高电平有效的三态与非门，当使能端EN=1时，电路为正常的工作状态，与普通的与非门一样，实现y=；当EN=0时，为禁止工作状态，y输出呈高阻状态。图(b)是使能端低电平有效的三态与非门，当=0时，电路为正常的工作状态，实现Y=；当=1时，电路为禁止工作状态，Y输出呈高阻状态。_____AB______EN_____AB______EN图3_2_6三态门的结构和逻辑符号三态门电路用途之一是实现总线传输。总线传输的方式有两种，一种是单向总线，如图3_2_7(a)所示，功能表见表3_2_1所示，可实现信号A1、A2、A3向总线Y的分时传送；另一种是双向总线，如图3_2_7(b)所示，功能表见表3_2_2所示，可实现信号的分时双向传送。单向总线方式下，要求只有需要传输信息的那个三态门的控制端处于使能状态(EN=1)，其余各门皆处于禁止状态(EN=O)，否则会出现与普通TTL门线与运用时同样的问题，因而是绝对不允许的。图3_2_7三态门总线传输方式表3_2_1单向总线逻辑功能表3_2_2双向总线逻辑功能三、预习要求(1)根据设计任务的要求，画出逻辑电路图，并注明管脚号。(2)拟出记录测量结果的表格。(3)完成第七项中的思考题1、2、3。四、实验内容图3_2_8设计要求框图1、用三态门实现三路信号分时传送的总线结构。框图如图3_2_8所示，功能如表3_2_3所示。图3_2_8设计要求框图表3_2_3设计要求的逻辑功能在实验中要求：(1)静态验证控制输入和数据输入端加高、低电平，用电压表测量输出高电平、低电平的电压值。(2)动态验证控制输入加高、低电平，数据输入加连续矩形脉冲，用示波器对应地观察数据输入波形和输出波形。(3)动态验证时，分别用示波器中的AC耦合与DC耦合，测定输出波形的幅值Vp_p及高、低电平值。2、用集电极开路(OC)“与非”门实现三路信号分时传送的总线结构。要求与实验内容1相同。3、在实验内容2的电路基础上将电源Ec从+5V改为+10V，测量OC门的输出高、低电平的电压值。五、注意事项(1)做电平转换实验时，只能改变Ec，千万不能将OC门的电源电压+Vcc接至+10V，以免烧坏器件。(2)用三态门实现分时传送时，不能同时有两个或两个以上三态门的控制端处于使能状态。六、报告要求(1)画出示波器观察到的波形，且输入与输出波形必须对应，即在一个相位平面上比较两者的相位关系。(2)根据要求设计的任务应有设计过程和设计逻辑图，记录实际检测的结果，并进行分析。(3)完成第七项中的思考题4。七、思考题用OC门时是否需外接其它元件?如果需要，此元件应如何取值?几个OC门的输出端是否允许短接?几个三态门的输出端是否允许短接?有没有条件限制?应注意什么问题?如何用示波器来测量波形的高、低电平?八、实验仪器与器材1、JD-2000通用电学实验台一台2、CA8120A示波器一台3、DT930FD数字多用表一块4、主要器材74LS011片，74LS041片，74LS2442片，逻辑开关盒1个电阻1kΩ3只