TTL集成门的测试与使用

一.  实验目的

1. 掌握TTL与非门逻辑功能的测试方法;

2. 熟悉TTL与非门主要参数的测试方法;

3. 掌握通用实验底板的使用方法。

二.  实验原理

    实验使用的TTL集成门74LS20是双4输入与非门。即在一块集成块内含有两个互相独立

的与非门，每个与非门有4个输入端。器件引出端排列图在本书附录中可以查到。所有TTL

集成电路使用的电源电压均为Vcc＝＋5V。

TTL与非门的主要参数：

       1.       低电平输出电源电流IccL和高电平输出电源电流IccH

       与非门处在不同的工作状态，电源提供的电流是不同的。低电平输出电源电流IccL是

指：所有输入端悬空，输出端空载时，电源提供器件的电流。高电平输出电源电流IccH则是

指：每个门各有一个以上的输入端接地，输出端空载时的电源电流。通常IccL>IccH。电源电

流的大小表示了器件静态功耗的大小。器件的最大功耗为：PM＝VccIccL器件的平均功耗为：

PAV＝（IccL＋IccH）Vcc/2

手册中提供的电源电流或功耗的值是指整个器件的数值。例如，对于一个74LS20双4输入与

非门的器件，是指两个门的总的电源电流值或功耗值。IccL的测试电路图见图1-1-2（a）

，IccH的测试自己设计，并与IccL进行比较。

      2.       低电平输入电流IIL和高电平输入电流IIH

低电平输入电流是指：被测输入端的输入电压VIL=0.4V,其余输入端悬空时，由被测输入端

流出的电流值。测试时，把被测输入端接地，可以测得与非门的输入端的短路电流I_IS，此

值可近似的代替IIL值。测试电路见图1-1-2（b）。

高电平输入电流是指：被测输入端接至＋5V电源，其余输入端接地，流入被测输入端的电

流值。

图1-1-2  TTL与非门静态参数测试电路图

      3.电压传输特性

   电压传输特性是反映输出电压VO与输入电压VI之间关系的特性曲线。测试电路图见图1-1

-2（c）。从电压传输特性曲线上可以直接读得下述各参数值。

   （1）输出高电平电压值VOH

   是指与非门有一个以上输入端接地时得输出电压值。当输出接有拉电流负载时，VOH值

将下降。其允许的最小输出高电平电压值VOH（min）＝2.4V。

   （2）输出低电平电压值VOL

    是指与非门的所有输入端悬空时的输出电压值。当输入端有灌电流负载时，VOL值将

升高。其允许的最大输出低电平电压值VOL（max）＝0.4V。

   （3）最小输高电平电压值VIH（min）

    是指输入电压大于此值时，输出必为低电平。通常VIH（min）<=2.0V。

   （4）最大输入低电平电压值VIL（max）

    是指当输入电压小于此值时，输出必为高电平。通常VIL（max）>=0.8V。

   （5）阈值电压值VT

    是指与非门电压传输特性曲线上，VOH（min）与VOL（max）间迅速变化段中点附近的输入电

压值。当与非门工作在这一电压附近时，输入信号的微小变化，将导致电路状态的迅速改

变。由于不同电路内部结构不同，故VT≈1.0－1.5V不等。

   （6）高电平直流噪声容VNH和低电平直流噪声容限VNL

    直流噪声容限是指在最坏条件下，输入端上所允许的输入电压变化的极限范围。它表

示驱动门输出电压的极限和负载门所要求的输入电压极限值之差。

     高电平直流噪声容限为

          VNH＝VOH（min）－VIH（min）

      低电平直流噪声容限为

          VNL＝VIL（max）－VOL（max）

     通常VNH与VNL均应大于或等于400mV。

            4. 扇出系数NO

         是指电路能驱动同类门电路的数目，用以衡量电路的负载能力：

                No＝IOL/IIL

       No的大小主要受输出低电平时输出端允许灌入的最大负载电流IOL的限制。VOL随负载电流

增加而上升。当VOL上升到VOL（max）时，此时的最大输出电流IOL就是该电路允许的最大负载电

流。式中的IIL应该是同类门允许的最大输入电流值。  IOL的测试电路图见图1-1-2（d）。

           5. 平均传输延迟时间tdp

        传输延迟时间是指输入波形边沿的0.5Vm点至输出波形对应边沿的0.5Vm点的时间间隔。由

于TTL门电路的延迟时间较小，直接测量时对信号发生器和示波器的性能要求较高，故实验采

用测量由奇数个与非门组成的环形振荡器的振荡周期T来求得，忽略了与非门的上升延迟时间

和下降沿延迟时间的差别，用平均传输延迟时间tpd表示。其测试电路图见图1-3-4。

       电路由3个与非门组成。其工作原理是：假设电路在接通电源后某一瞬间，电路中的A点为

逻辑1；经过一级门的延迟时间，使B点为逻辑0；又经过一级门的延迟时间，使C点为逻辑1；

再经过一级门的延迟时间，使A点由原来的逻辑1变为逻辑0。因此经过3级门的延迟时间，A点

电平发生了一次变化。同理可知，再经过3级门的延迟时间，A点电平又重新回到逻辑1。电路

的其他各点电平也在不断地变化着，说明电路产生振荡。从分析可知：要使某一点发生一个周

期的振荡，必须要经过6级门的延迟时间。因此平均传输延迟时间为

tpd＝T/ 6

        逻辑门及其组成电路的静态逻辑功能测试，就是测试电路的真值表。电路的各输入端由数

据开关提供0与1信号；在输出端，用由发光二极管组成的逻辑指示器显示，按真值表逐行进行

测试，由测得的真值表可以对应地画出电路各输入、输出端的工作波形图。

三、实验前准备

       预习思考题

       （1）TTL集成电路使用的电源电压是多少伏？使用时，如何判断器件的正方向？若一旦方

向反了，将会出现什么现象（以实验使用的74LS20为例说明）？

       （2）分别说明TTL与非门、或非门和与或非门的各不使用输入端应如何处置。

       （3）两个普通TTL与非门的输入端是否可以直接连在一起使用？为什么？

四、实验任务

       1. 测量与非门（74LS20）的静态参数（电源电压Vcc＝5V）。

       （1）低电平输出电源电流ICCL（指整个器件值）；

       （2）输入短路电流IIS；

       （3）扇出系数No；

       （4）测量静态电压传输特性曲线。

       从实测的曲线中读出VOH、VOL、VIH（min）、VIL（max）和VT等值，并计算该器件的直流噪声容限

VNH和VNL。

       提示：输入电压VI和输出电压VO可按表1-3-1要求逐点测量。在VO变化较快的区域应多测几

点，并且尽可能在Vo≈0.4V附近测得VI值，有利于绘制曲线。

表1-3-1  与非门电压传输特性记录

       2. 测量与非门（74LS20）的平均传输延迟时间tpd。

五、实验设备与器材

       1. 二踪示波器

       2. 晶体管直流稳压电源

       3. 通用实验底板

       4. 万用电表及工具

       5. 主要器材：74LS20  3只；电位器（1kΩ）  1只；150Ω、1kΩ电阻  各1只

六、实验报告要求

       1. 测试各项参数必须附有测试电路图，记录测试数据，并对结果进行分析。

       2. 静态传输特性曲线必须画在方格坐标纸上，并贴在相应内容中。从曲线中读得所要求的

数值。

       3. 设计性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。

七、练习题

       1. 测量扇出系数No的原理是什么？为什么计算中只考虑输出低电平时的负载电流值，而不

考虑输出高电平时的负载电流值？

       2. 欲使一只异或门实现非逻辑，电路将如何连接？

       3. 使用最少数量的与非门，设计一个比较电路，能比较两个1位二进制数。当比较结果处于

＜、＝或＞时，分别由不同的输出端输出。检测所设计电路的逻辑功能。

       4. 讨论TTL与非门不使用输入端的各种处置方法的优缺点。