實(shí)驗(yàn)三態(tài)門(mén)和OC門(mén)的研究

1、實(shí)驗(yàn)二實(shí)驗(yàn)二 三態(tài)門(mén)和三態(tài)門(mén)和oc門(mén)的研究門(mén)的研究 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?、?shí)驗(yàn)?zāi)康?(1) 熟悉兩種特殊的門(mén)電路：三態(tài)門(mén)和熟悉兩種特殊的門(mén)電路：三態(tài)門(mén)和oc門(mén)；門(mén)； (2) 了解了解“總線總線”結(jié)構(gòu)的工作原理。結(jié)構(gòu)的工作原理。 二、實(shí)驗(yàn)原理二、實(shí)驗(yàn)原理 數(shù)字系統(tǒng)中，有時(shí)需把兩個(gè)或兩個(gè)以上集成邏輯門(mén)的輸出端連接起來(lái)，完成一定的邏數(shù)字系統(tǒng)中，有時(shí)需把兩個(gè)或兩個(gè)以上集成邏輯門(mén)的輸出端連接起來(lái)，完成一定的邏輯功能。普通輯功能。普通ttl門(mén)電路的輸出端是不允許直接連接的。圖門(mén)電路的輸出端是不允許直接連接的。圖2_1示出了兩個(gè)示出了兩個(gè)ttl門(mén)輸出短門(mén)輸出短接的情況，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，圖中只畫(huà)出了兩個(gè)與非門(mén)的推拉式輸

2、出級(jí)。設(shè)門(mén)接的情況，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，圖中只畫(huà)出了兩個(gè)與非門(mén)的推拉式輸出級(jí)。設(shè)門(mén)a處于截止?fàn)顟B(tài)，處于截止?fàn)顟B(tài)，若不短接，輸出應(yīng)為高電平；設(shè)門(mén)若不短接，輸出應(yīng)為高電平；設(shè)門(mén)b處于導(dǎo)通狀態(tài)，若不短接，輸出應(yīng)為低電平。在把門(mén)處于導(dǎo)通狀態(tài)，若不短接，輸出應(yīng)為低電平。在把門(mén)a和門(mén)和門(mén)b的輸出端作如圖的輸出端作如圖3_2_1所示連接后，從電源所示連接后，從電源vcc經(jīng)門(mén)經(jīng)門(mén)a中導(dǎo)通的中導(dǎo)通的t4、d3和門(mén)和門(mén)b中導(dǎo)中導(dǎo)通的通的 t5到地，有了一條通路，其不良后果為：圖到地，有了一條通路，其不良后果為：圖3_2_1 不正常情況：普通不正常情況：普通ttl門(mén)電路輸門(mén)電路輸出端短接出端短接 (1)輸出電平既非高電平，

3、也非低電平，而是兩者之間的某一值，導(dǎo)致邏輯功能混亂。輸出電平既非高電平，也非低電平，而是兩者之間的某一值，導(dǎo)致邏輯功能混亂。 (2)上述通路導(dǎo)致輸出級(jí)電流遠(yuǎn)大于正常值上述通路導(dǎo)致輸出級(jí)電流遠(yuǎn)大于正常值(正常情況下正常情況下t4和和t5總有一個(gè)截止總有一個(gè)截止)，導(dǎo)致功，導(dǎo)致功耗劇增，發(fā)熱增大，可能燒壞器件。耗劇增，發(fā)熱增大，可能燒壞器件。 集電極開(kāi)路門(mén)和三態(tài)門(mén)是兩種特殊的集電極開(kāi)路門(mén)和三態(tài)門(mén)是兩種特殊的ttl電路，它們?cè)试S把輸出端互相連在一起使用。電路，它們?cè)试S把輸出端互相連在一起使用。 1集電極開(kāi)路門(mén)集電極開(kāi)路門(mén)(oc門(mén)門(mén)) 集電極開(kāi)路門(mén)集電極開(kāi)路門(mén)(open-collector gate)

4、，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱oc門(mén)。它可以看成是圖門(mén)。它可以看成是圖3_2_1所示的所示的ttl與非門(mén)輸出級(jí)中移去了與非門(mén)輸出級(jí)中移去了t4、d3部分。集電極開(kāi)路與非門(mén)的電路結(jié)構(gòu)與邏輯符號(hào)如圖部分。集電極開(kāi)路與非門(mén)的電路結(jié)構(gòu)與邏輯符號(hào)如圖3_2_2所示。必須指出：所示。必須指出：oc門(mén)只有在外接負(fù)載電阻門(mén)只有在外接負(fù)載電阻rc和電源和電源ec后才能正常工作，如圖中后才能正常工作，如圖中虛線所示。虛線所示。 圖3_2_1 不正常情況：普通ttl門(mén)電路輸出端短接圖圖3_2_2 集電極開(kāi)路與非門(mén)集電極開(kāi)路與非門(mén) 由兩個(gè)集電極開(kāi)路與非門(mén)由兩個(gè)集電極開(kāi)路與非門(mén)(0c)輸出端相連組成的電路如圖輸出端相連組成的電路如圖3_

5、2_3所示，它們的輸出：所示，它們的輸出： 即把兩個(gè)集電極開(kāi)路與非門(mén)的輸出相與即把兩個(gè)集電極開(kāi)路與非門(mén)的輸出相與(稱為線與稱為線與)，完成與或非的邏輯功能。，完成與或非的邏輯功能。0c門(mén)主門(mén)主要有以下三方面的應(yīng)用：要有以下三方面的應(yīng)用： (1) 實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換圖實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換圖3_2_3 oc門(mén)的線與應(yīng)用門(mén)的線與應(yīng)用 無(wú)論是用無(wú)論是用ttl電路驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)cmos電路還是用電路還是用cmos電路驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)ttl電路，驅(qū)動(dòng)門(mén)必須能為負(fù)電路，驅(qū)動(dòng)門(mén)必須能為負(fù)載門(mén)提供合乎標(biāo)準(zhǔn)的高、低電平和足夠的驅(qū)動(dòng)電流，即必須同時(shí)滿足下列四式：載門(mén)提供合乎標(biāo)準(zhǔn)的高、低電平和足夠的驅(qū)動(dòng)電流，即必須同時(shí)滿足下列四式： 驅(qū)

6、動(dòng)門(mén)驅(qū)動(dòng)門(mén) 負(fù)載門(mén)負(fù)載門(mén) voh(min) vih(min) vol(max) vil(max) ioh(max) iih iol(max) iil圖圖3_2_3 oc門(mén)的線與應(yīng)用門(mén)的線與應(yīng)用 其中其中:voh(min)-門(mén)電路輸出高電平門(mén)電路輸出高電平voh的下限值；的下限值； vol(max) -門(mén)電路輸出低電平門(mén)電路輸出低電平vol的上限值；的上限值； ioh(max)-門(mén)電路帶拉電流負(fù)載的能力，或稱放電流能力；門(mén)電路帶拉電流負(fù)載的能力，或稱放電流能力； iol(max)門(mén)電路帶灌電流負(fù)載的能力，或稱吸電流能力；門(mén)電路帶灌電流負(fù)載的能力，或稱吸電流能力； vih(min)-為能保證電路處

7、于導(dǎo)通狀態(tài)的最小輸入為能保證電路處于導(dǎo)通狀態(tài)的最小輸入(高高)電平；電平； vil(max) -為能保證電路處于截止?fàn)顟B(tài)的最大輸入為能保證電路處于截止?fàn)顟B(tài)的最大輸入(低低)電平。電平。 iih 輸入高電平時(shí)流入輸入端的電流；輸入高電平時(shí)流入輸入端的電流； iil - 輸入低電平時(shí)流出輸入端的電流。輸入低電平時(shí)流出輸入端的電流。 當(dāng)當(dāng)74系列或系列或74ls系列系列ttl電路驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)cd4000系列或系列或74hc系列系列cmos電路時(shí)，不能直接電路時(shí)，不能直接驅(qū)動(dòng)，因?yàn)轵?qū)動(dòng)，因?yàn)?4系列的系列的ttl電路電路voh(min) = 2.4v，74ls系列的系列的ttl電路電路voh(min)

8、=2.7v，cd4000系列的系列的cmos電路電路vih(min)=3.5v，74hc系列系列cmos電路電路vih(min)=3.15v，顯，顯然不滿足然不滿足voh(min) vih(min) 最簡(jiǎn)單的解決方法是在最簡(jiǎn)單的解決方法是在ttl電路的輸出端與電源之間接入上拉電阻電路的輸出端與電源之間接入上拉電阻rc，如圖，如圖3_2_4所所示。示。圖圖3_2_4 ttl(oc)門(mén)驅(qū)動(dòng)門(mén)驅(qū)動(dòng)cmos電路的電平轉(zhuǎn)換電路的電平轉(zhuǎn)換 (2)實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)采集，使兩路以上的信息共用一個(gè)傳輸通道實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)采集，使兩路以上的信息共用一個(gè)傳輸通道(總線總線)； (3)利用電路的線與特性方便地完成某些特定的邏

9、輯功能。利用電路的線與特性方便地完成某些特定的邏輯功能。 在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，有時(shí)需將幾個(gè)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，有時(shí)需將幾個(gè)oc門(mén)的輸出端短接，后面接門(mén)的輸出端短接，后面接m個(gè)普通個(gè)普通ttl與非門(mén)作為負(fù)載，與非門(mén)作為負(fù)載，如圖如圖3_2_5所示。為保證集電極開(kāi)路門(mén)的輸出電平符合邏輯要求，所示。為保證集電極開(kāi)路門(mén)的輸出電平符合邏輯要求，rc的數(shù)值選擇范圍為：的數(shù)值選擇范圍為： 圖圖3_2_5 計(jì)算計(jì)算oc門(mén)外接電阻門(mén)外接電阻rc的工作狀態(tài)的工作狀態(tài) m(7)個(gè)輸入端個(gè)輸入端(a) 計(jì)算計(jì)算rc最大值最大值(b) 計(jì)算計(jì)算rc最小值圖最小值圖3_2_5 計(jì)算計(jì)算oc門(mén)外接電阻門(mén)外接電阻rc的的工作狀態(tài)工作狀態(tài)

10、其中其中 iceo - oc門(mén)輸出三極管門(mén)輸出三極管t5截止時(shí)的漏電流；截止時(shí)的漏電流； ec 外接電源電壓值；外接電源電壓值； m - ttl負(fù)載門(mén)個(gè)數(shù)；負(fù)載門(mén)個(gè)數(shù)； n 輸出短接的輸出短接的oc門(mén)個(gè)數(shù)；門(mén)個(gè)數(shù)； m 各負(fù)載門(mén)接到各負(fù)載門(mén)接到oc門(mén)輸出端的輸入端總和。門(mén)輸出端的輸入端總和。 rc值的大小會(huì)影響輸出波形的邊沿時(shí)間，在工作速度較高時(shí)，值的大小會(huì)影響輸出波形的邊沿時(shí)間，在工作速度較高時(shí)，rc的取值應(yīng)接近的取值應(yīng)接近rc(min)。 2三態(tài)門(mén)三態(tài)門(mén) 三態(tài)門(mén)，簡(jiǎn)稱三態(tài)門(mén)，簡(jiǎn)稱tsl(three-state logic)門(mén)，是在普通門(mén)電路的基礎(chǔ)上，附加使能控制端門(mén)，是在普通門(mén)電路的基礎(chǔ)上

11、，附加使能控制端和控制電路構(gòu)成的。圖和控制電路構(gòu)成的。圖3_2_6所示為三態(tài)門(mén)的結(jié)構(gòu)和邏輯符號(hào)。三態(tài)門(mén)除了通常的高電平所示為三態(tài)門(mén)的結(jié)構(gòu)和邏輯符號(hào)。三態(tài)門(mén)除了通常的高電平和低電平兩種輸出狀態(tài)外，還有第三種輸出狀態(tài)和低電平兩種輸出狀態(tài)外，還有第三種輸出狀態(tài)高阻態(tài)。處于高阻態(tài)時(shí)，電路與負(fù)高阻態(tài)。處于高阻態(tài)時(shí)，電路與負(fù)載之間相當(dāng)于開(kāi)路。圖載之間相當(dāng)于開(kāi)路。圖(a)是使能端高電平有效的三態(tài)與非門(mén)，當(dāng)使能端是使能端高電平有效的三態(tài)與非門(mén)，當(dāng)使能端en = 1時(shí)，電路時(shí)，電路為正常的工作狀態(tài)，與普通的與非門(mén)一樣，實(shí)現(xiàn)為正常的工作狀態(tài)，與普通的與非門(mén)一樣，實(shí)現(xiàn)y = ；當(dāng)；當(dāng)en = 0時(shí)，為禁止工作時(shí)，為

12、禁止工作狀態(tài)，狀態(tài)，y輸出呈高阻狀態(tài)。圖輸出呈高阻狀態(tài)。圖(b)是使能端低電平有效的三態(tài)與非門(mén)，當(dāng)是使能端低電平有效的三態(tài)與非門(mén)，當(dāng) = 0時(shí)，時(shí)，電路為正常的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電路為正常的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)y = ；當(dāng)；當(dāng) = 1時(shí)，電路為禁止工作狀態(tài)，時(shí)，電路為禁止工作狀態(tài)，y輸出呈高阻狀態(tài)。輸出呈高阻狀態(tài)。_ab_en_ab_en 圖圖3_2_6 三態(tài)門(mén)的結(jié)構(gòu)和邏輯符號(hào)三態(tài)門(mén)的結(jié)構(gòu)和邏輯符號(hào) 三態(tài)門(mén)電路用途之一是實(shí)現(xiàn)總線傳輸?？偩€傳輸?shù)姆绞接袃煞N，一種是單向總線，如三態(tài)門(mén)電路用途之一是實(shí)現(xiàn)總線傳輸。總線傳輸?shù)姆绞接袃煞N，一種是單向總線，如圖圖3_2_7(a)所示，功能表見(jiàn)表所示，功能表見(jiàn)表3_2

13、_1所示，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)所示，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)a1、a2、a3向總線向總線y的分時(shí)傳送；的分時(shí)傳送；另一種是雙向總線，如圖另一種是雙向總線，如圖3_2_7(b)所示，功能表見(jiàn)表所示，功能表見(jiàn)表3_2_2所示，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分時(shí)雙向所示，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分時(shí)雙向傳送。單向總線方式下，要求只有需要傳輸信息的那個(gè)三態(tài)門(mén)的控制端處于使能狀態(tài)傳送。單向總線方式下，要求只有需要傳輸信息的那個(gè)三態(tài)門(mén)的控制端處于使能狀態(tài)(en = 1)，其余各門(mén)皆處于禁止?fàn)顟B(tài)，其余各門(mén)皆處于禁止?fàn)顟B(tài)(en = o)，否則會(huì)出現(xiàn)與普通，否則會(huì)出現(xiàn)與普通ttl門(mén)線與運(yùn)用時(shí)同樣的問(wèn)門(mén)線與運(yùn)用時(shí)同樣的問(wèn)題，因而是絕對(duì)不允許的。題，因而是絕對(duì)不允許的

14、。 圖圖3_2_7 三態(tài)門(mén)總線傳輸方式三態(tài)門(mén)總線傳輸方式 表表3_2_1 單向總線邏輯功能單向總線邏輯功能 表表3_2_2 雙向總線邏輯功能雙向總線邏輯功能 三、預(yù)習(xí)要求三、預(yù)習(xí)要求 (1)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，畫(huà)出邏輯電路圖，并注明管腳號(hào)。 (2)擬出記錄測(cè)量結(jié)果的表格。 (3)完成第七項(xiàng)中的思考題1、2、3。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容圖3_2_8 設(shè)計(jì)要求框圖設(shè)計(jì)要求框圖 1、用三態(tài)門(mén)實(shí)現(xiàn)三路信號(hào)分時(shí)傳送的總線結(jié)構(gòu)。框圖如圖3_2_8所示，功能如表3_2_3所示。 圖3_2_8 設(shè)計(jì)要求框圖表表3_2_3 設(shè)計(jì)要求的邏輯功能設(shè)計(jì)要求的邏輯功能 在實(shí)驗(yàn)中要求：在實(shí)驗(yàn)中要求： (1)靜態(tài)驗(yàn)證靜態(tài)

15、驗(yàn)證 控制輸入和數(shù)據(jù)輸入端加高、低電平，用電壓表測(cè)量輸出高電平、低電平控制輸入和數(shù)據(jù)輸入端加高、低電平，用電壓表測(cè)量輸出高電平、低電平的電壓值。的電壓值。 (2)動(dòng)態(tài)驗(yàn)證動(dòng)態(tài)驗(yàn)證 控制輸入加高、低電平，數(shù)據(jù)輸入加連續(xù)矩形脈沖，用示波器對(duì)應(yīng)地觀察控制輸入加高、低電平，數(shù)據(jù)輸入加連續(xù)矩形脈沖，用示波器對(duì)應(yīng)地觀察數(shù)據(jù)輸入波形和輸出波形。數(shù)據(jù)輸入波形和輸出波形。 (3)動(dòng)態(tài)驗(yàn)證時(shí)，分別用示波器中的動(dòng)態(tài)驗(yàn)證時(shí)，分別用示波器中的ac耦合與耦合與dc耦合，測(cè)定輸出波形的幅值耦合，測(cè)定輸出波形的幅值vp-_p及高、及高、低電平值。低電平值。 2、用集電極開(kāi)路、用集電極開(kāi)路(oc)“與非與非”門(mén)實(shí)現(xiàn)三路信號(hào)分時(shí)

16、傳送的總線結(jié)構(gòu)。門(mén)實(shí)現(xiàn)三路信號(hào)分時(shí)傳送的總線結(jié)構(gòu)。 要求與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1相同。相同。 3、在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2的電路基礎(chǔ)上將電源的電路基礎(chǔ)上將電源ec從從+5v改為改為+10v，測(cè)量，測(cè)量oc門(mén)的輸出高、低電門(mén)的輸出高、低電平的電壓值。平的電壓值。 五、注意事項(xiàng)五、注意事項(xiàng) (1)做電平轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)時(shí)，只能改變做電平轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)時(shí)，只能改變ec，千萬(wàn)不能將，千萬(wàn)不能將oc門(mén)的電源電壓門(mén)的電源電壓+vcc接至接至+10v，以，以免燒壞器件。免燒壞器件。 (2)用三態(tài)門(mén)實(shí)現(xiàn)分時(shí)傳送時(shí)，不能同時(shí)有兩個(gè)或兩個(gè)以上三態(tài)門(mén)的控制端處于使能狀用三態(tài)門(mén)實(shí)現(xiàn)分時(shí)傳送時(shí)，不能同時(shí)有兩個(gè)或兩個(gè)以上三態(tài)門(mén)的控制

17、端處于使能狀態(tài)。態(tài)。 六、報(bào)告要求六、報(bào)告要求 (1) 畫(huà)出示波器觀察到的波形，且輸入與輸出波形必須對(duì)應(yīng)，即在一個(gè)相位平面上比較畫(huà)出示波器觀察到的波形，且輸入與輸出波形必須對(duì)應(yīng)，即在一個(gè)相位平面上比較兩者的相位關(guān)系。兩者的相位關(guān)系。 (2)根據(jù)要求設(shè)計(jì)的任務(wù)應(yīng)有設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)邏輯圖，記錄實(shí)際檢測(cè)的結(jié)果，并進(jìn)行分根據(jù)要求設(shè)計(jì)的任務(wù)應(yīng)有設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)邏輯圖，記錄實(shí)際檢測(cè)的結(jié)果，并進(jìn)行分析。析。 (3)完成第七項(xiàng)中的思考題完成第七項(xiàng)中的思考題4。 七、思考題七、思考題 用用oc 門(mén)時(shí)是否需外接其它元件門(mén)時(shí)是否需外接其它元件?如果需要，此元件應(yīng)如何取值如果需要，此元件應(yīng)如何取值? 幾個(gè)幾個(gè)oc 門(mén)的輸出端是否允許短接門(mén)的輸出端是否允許