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）写出各测试电路中门电路的工作电压。 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74HC00 2~6VDC

TTL 与非门74LS00 5VDC

（3）写出各测试电路输入信号的类型、频率、电压值。 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 0~5V CMOS 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）列出各项任务记录数据的表格。 （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 tPHL、tplh

4、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 VOH：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 VOL：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 VNH：VNH=VOHmin-VON，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 VNL：VNH=VOFF-VOLmax，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 VTH：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 VTH、输入噪声容限 VNH 和 VNL。 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 RL 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 VDD 为 5V 时的导通电阻 RON

3、 CMOS 与非门 CD4011 的传输延迟时间 tPHL、tPLH

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 VNH 和 VNL 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 tPHL=124.844us 由低电平变为高电平的传输延迟时间为 tPLH=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 VTH 噪声容限 VNH 噪声容限 VNL

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 RL 所给出的参考值，设计一系列不同的 RL，测量出 VO 和 IOL，由于 IOL 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 VOL.需要测量 VDD 和 VO，通过测量 VO、VDD 和计算 IOL，得到了如下表格的数据：

RON=VO/IOL，为了求出 RON，绘制出 VO—IOL 图像： RL /Ω 98k 24k 15k 10k 9.1k 8.2k 7.5k 5.1k 4.7k 3.6k 2.4k

VO /V 0.01 0.04 0.07 0.11 0.12 0.13 0.15 0.22 0.24 0.32 0.48

VDD/V 5.04 5.06 5.06 5.06 5.06 5.06 5.05 5.05 5.06 5.06 5.06

IOL /mA

0.05 1 0.20 9 0.33 3 0.49 5 0.54 3 0.60 0 0.65 3 0.94 9 1.02 1 1.31 7 1.90

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