《电工电子技术及应用》课件 5-1 集成门电路的逻辑功能测试

电工电子技术及应用任务5-1集成门电路的逻辑功能测试学习目标能力目标1、能运用基本门电路解决实际问题。知识目标1、能说出基本门电路的逻辑功能；

2、会用四种方法描述基本逻辑关系。态度目标1、培养学生探索知识的精神；

2、培养学生动手、动脑的习惯。任务5-1集成门电路的逻辑功能测试学习重点1、基本门电路的四种方法描述方法及应用；学习难点1、基本门电路的电路实现及应用。任务5-1

集成门电路逻辑功能测试任务引入1、模拟信号与数字信号的区别：

诸如温度、压力、速度、声音等量的转换信号，数值上具有随时间连续变化的特点，习惯上人们把这类信号称为模拟信号。tu0

对模拟信号接收、处理和传递的电子电路称模拟电路。如放大电路、滤波器、信号发生器等。模拟电路是实现模拟信号的产生、放大、处理、控制等功能的电路，模拟电路注重的是电路输出、输入信号间的大小和相位关系。任务引入1、模拟信号与数字信号的区别：

在两个稳定状态之间作阶跃式变化的信号称为数字信号，数字信号在时间上和数值上都是离散的。例如生产线中的产品，只能在一些离散的瞬间完成，而且产品的个数也只能逐个增减，它们的转换信号就是数字信号。tu05V2、数字电路的概念：

处理数字信号的电路称为数字电路。日常生活中我们会遇到很多结果完全对立而又相互依存的事件，如开关的通断、电位的高低、灯的亮灭、信号的有无、工作和休息等，显然这些都可以表示为二值变量的“逻辑”关系。

事件发生的条件与结果之间应遵循的规律称为逻辑。一般来讲，事件的发生条件与产生的结果均为有限个状态，每一个和结果有关的条件都有满足或不满足的可能，在逻辑中可以用“1”或“0”表示。显然，逻辑关系中的1和0并不是体现的数值大小，而是体现的某种逻辑状态。

如果我们在逻辑关系中用“1”表示高电平，“0”表示低电平，就是正逻辑；如果用“1”表示低电平，“0”表示高电平则为负逻辑。本教材不加特殊说明均采用正逻辑。3、数字电路的优点

数字电路的工作信号是二进制信息。因此，其优点明显：

1、对组成电路元器件的精度要求不高，只要能够可靠区分0和1两种状态即可，所以数字电路设计方便。

2、对数字电路而言，干扰往往只影响脉冲的幅度，在一定范围内不会混淆0和1两个数字信息，因此抗干扰能力强。

3、数字电路的模块化开放性结构使其功率损耗低。数字电路广泛应用于计算机、自动控制系统、电子测量仪器仪表、电视、雷达、通信及航空航天等各个领域。一、脉冲信号数字信号通常以脉冲的形式出现，矩形波和尖顶波用的比较多。

电路中没有脉冲信号时的状态称为静态，静态时的电压值可以为正、负或等于零。脉冲出现后电压幅度大于静态电压值为正脉冲，电压幅度小于静态电压值为负脉冲，对于正脉冲，脉冲前沿是上升沿，脉冲后沿是下降沿。因为矩形波脉冲电路只有高、低电平两种信号状态，所以在分析数字电路时只要用1、0两个数码就可分别代表脉冲的两种状态，数字电路对脉冲信号的电压幅度值要求不严格，因而抗干扰能力较强，准确度较高。图5-1-2理想矩形波和尖顶波

数字电路中用到的主要元件是开关元件，如二极管、双极型三极管和单极型MOS管等。S3V0VS3V0VRDRR导通截止相当于开关闭合相当于开关断开二极管的开关作用二极管正向导通时，管子的电阻近似为零，可视为接通的电子开关；二极管反向阻断时，管子电阻近似无穷大，可看作是断开的电子开关。二、开关元件1、二极管的开关作用3V0VuO

0uO

UCC+UCCuiRBRCuOTuO+UCCRCECuO+UCCRCEC3V0V饱和截止相当于开关闭合相当于开关断开2、三极管的开关作用二、开关元件

数字电路正是利用了二极管、三极管和MOS管的上述开关特性进行工作，从而实现了各种逻辑关系。显然，由这些晶体管子构成的开关元件上只有通、断两种状态，若把“通”态用数字“1”表示，把“断”态用数字“0”表示时，则这些开关元件仅有“0”和“1”两种取值，这种二值变量也称为逻辑变量，因此，由开关元件构成的数字电路又称之为逻辑电路。1.晶体管用于模拟电路时工作在哪个区？若用于数字电路时，又工作于什么区？2.为什么在晶体管用于数字电路时可等效为一个电子开关？晶体管用于数字电路时，工作在饱和区或截止区；用于模拟电路时，应工作在放大区。

根据晶体管的开关特性，工作在饱和区时，其电阻相当为零，可视为电子开关被接通；工作在截止区时，其电阻无穷大，可视为电子开关被断开。学习与讨论二、开关元件

由晶体管开关元件构成的逻辑电路，工作时的状态像门一样按照一定的条件和规律打开或关闭，所以也被称为门电路。门开——电路接通；门关——电路断开。何谓与门电路？

逻辑门电路是数字电路中最基本的逻辑元件。

显然我们所说的逻辑门实际上就是前面讲到的电子开关，这种电子开关能按照一定的条件去控制信号的通过或不通过。门电路的输入和输出之间存在一定的逻辑关系(因果关系)，所以门电路又称为逻辑门电路。

基本逻辑关系有“与”、“或”、“非”三种，下面通过例子说明逻辑电路的概念及“与”、“或”、“非”的意义。三、基本逻辑关系

思考：灯F与开关A、B的关系？1、“与”逻辑关系的概念及描述方法：+－USR0AB“与”逻辑电路F（一）与逻辑

只有当决定某事件的全部条件同时具备时，结果才会发生，这种因果关系叫做“与”逻辑，也称为逻辑乘。+－USR0AB“与”逻辑电路F（一）与逻辑1、“与”逻辑关系的概念及描述方法：

逻辑表达式中符号“

·

”表示逻辑“与”(或逻辑“乘”)，在不发生混淆时，此符号可略写。F=A·B这种关系可用逻辑函数式表示为：1、“与”逻辑关系的概念及描述方法：（一）与逻辑F=A·B这种关系可用逻辑函数式表示为：

A、B两个开关是电路的输入变量，是逻辑关系中的条件，灯F是输出变量，是逻辑关系中的结果。设定：开关AB的状态：1-闭合；0-断开灯F的状态：1-亮；0-灭1、“与”逻辑关系的概念及描述方法：“与”门逻辑电路图符号F

&AB1、“与”逻辑关系的概念及描述方法：（一）与逻辑ABF000010100111真值表：

设定：开关AB的状态：1-闭合；0-断开灯F的状态：1-亮；0-灭1、“与”逻辑关系的概念及描述方法：ABF000010100111

观察“与”逻辑真值表，可以把输入与输出一一对应的关系总结为“有0出0，全1出1”，这就是“与”逻辑实现的功能。真值表：1、“与”逻辑关系的概念及描述方法：练习：

完成以下真值表ABCF00000010010001101000101011001111思考：与门电路的应用？F

&AB如：设计走廊灯的自动控制电路？2.“与”门电路的应用（一）与逻辑3V“与”门电路①输入中只要有一个为低电平0时，该低电平二极管就会迅速导通，输出F将被钳位至低电平0；其余为高电平的输入端，其端子上串接的二极管呈截止态。②输入全部为高电平3V时，输入端上串接的二极管同时导通，输出F被钳位在高电平“1”。“与”门逻辑电路图符号F

&AB注意：分析过程中与门电路输入端上串接的二极管，都是按理想二极管处理的，即导通后管压降为0V(实际硅管0.7V，锗管0.3V)。0VD1AD2BRF0V3V反偏截止！0V3V3V3.“与”门电路的实现（一）与逻辑3V

一个“与”门的输入端至少为两个，输出端只有一个。F

&ABF

&ABCD1AD2BRF0V3V3V3V3V3.“与”门电路的实现（一）与逻辑思考：与门电路的应用？如2：与门电路的控制功能？F

&ABC4.“与”门电路的控制功能（一）与逻辑1、画出与逻辑门电路电路图，写表达式及真值表。2、预习“或”逻辑门电路相关知识。

作业1.“或”逻辑关系的概念及描述方法（二）或逻辑

思考：灯F与开关A、B的关系？+－USR0FAB

A、B两个开关是电路的输入变量，是逻辑关系中的条件，灯F是输出变量，是逻辑关系中的结果。显然灯亮的条件是A和B只要一个闭合，灯就会亮，全部不闭合时灯不会亮。+－USR0“或”逻辑电路FAB1.“或”逻辑关系的概念及描述方法（二）或逻辑

当决定某事件的全部条件都不具备时，结果不会发生，但只要一个条件具备，结果就会发生，这种因果关系叫做“或”逻辑，也称为逻辑加。F=A+B+－USR0FAB“或”门逻辑电路图符号F

≥1AB1.“或”逻辑关系的概念及描述方法用逻辑函数式表示这种关系：式中“+

”表示逻辑“或”(或逻辑“加”)，运算符级别比与低。（二）或逻辑

“或”逻辑中输入与输出一一对应的关系，不但可用逻辑加公式F=A+B+C表示，也可以用真值表表达为：ABCF00000011010101111001101111011111

观察“或”逻辑真值表，可以把输入与输出的一一对应关系总结为“有1出1，全0出0”。F=A+B“或”门逻辑电路图符号F

≥1AB2.或门电路的应用如：自动关窗控制？下雨、刮大风。3.或门电路的控制功能如：C=0C=1。F

≥1ABCD1AD2B－UCCRF“或”门电路①输入中只要有一个为高电平3V时，串接其上的二极管则迅速导通，输出F将被钳位到高电平1；其余为低电平的输入端，其端子上串接的二极管呈截止态。②输入全部为低电平0时，输入端上串接的二极管同时导通，输出F被钳位在低电平“0”。“或”门逻辑电路图符号F

≥1AB注意：所有管子都是按照理想二极管处理的。注意电路中二极管的极性画法和与门电路的区别。3V0V3V反偏截止！0V0V0V4.或门电路的实现1、画出或逻辑门电路电路图，写表达式及真值表。

作业1.“非”逻辑关系的概念及描述方法+－USR0“非”逻辑电路FA(三)非逻辑

思考：灯F与开关A的关系？

当某事件相关条件不具备时，结果必然发生；但条件具备时，结果不会发生，这种因果关系叫做“非”逻辑，也称为逻辑非。

变量头上的横杠“－

”表示逻辑“非”，0非是1；1非是0。+－USR0“非”逻辑电路F开关A是电路的输入变量，是事件的条件，灯F是输出变量，是事件的结果。条件不具备时开关A断开，电源和灯构成通路，灯F点亮。A

条件具备时开关A闭合，电源被开关短路，电灯不会亮。这种关系用逻辑函数式表示为：F=A1.“非”逻辑关系的概念及描述方法(三)非逻辑“非”门逻辑路图符号F

1A非符号逻辑“非”的真值表AF0110可见非门功能为：见0出1，见1出01.“非”逻辑关系的概念及描述方法(三)非逻辑TRC－UBB+UCCRB1RB2AF“非”门电路

输入变量A为高电平3V时，三极管饱和导通，ICRC≈+UCC，因此输出F为低电平0.3V；

当输入变量A为低电平0V时，三极管截止，输出F≈+UCC，显然为高电平+UCC。3V0.3V饱和导通0V+UCC截止不通

由图可看出，一个“非”门的输入端只有一个，输出端也只有一个。2.非门电路的实现(四)复合逻辑门电路

为提高二极管和晶体管的应用范围，常把与门、或门和非门按照一定形式组合起来，构成各种复合门电路。1.“与非”门、“与非”门显然，与非门电路的逻辑功能为：有0出1；全1出0与非门真值表F

&AB

1F一个与门和一个非门构成与非门与门非门F

&AB与非门的逻辑电路图符号BAF001101011110与非门的逻辑函数式为显然，或非门电路的逻辑功能为：有1出0；全0出1或非门真值表F

≥1AB

1F一个或门和一个非门构成或非门或门非门F

≥1AB或非门的逻辑电路图符号BAF001100010110或非门的逻辑函数式为：1.“与非”门、“或非”门2.“与或非”门逻辑功能：与门中只要有1个输出为1，F即为0；两个与门输出均为0时，F全为1。F1

& AB两个与门、一个或门和一个非门构成与或非门与门非门与或非门的逻辑电路图符号F2

& CD与门或门

& ABF

≥1

& CDF3

≥1

1F或非门的逻辑函数式为：3.“异或”门F

=1AB异或门图符号

异或门是一个只有两输入、一输出的逻辑门电路。

由异或门真值表可看出，其逻辑功能可描述为：相同出0，相异出1。异或门真值表BAF000101011110异或门逻辑式4.“同或”门F

=1AB同或门图符号

显然，同或门是异或门的非。其逻辑功能：相同出1，相异出0。同或门真值表BAF001100010111A

☉

B1、画出基本逻辑门电路电路图，写表达式及真值表。

作业集成门电路简介

分立元件构成的门电路，不但元件多体积大，而且连线和焊点也太多，因而造成电路的可靠性较差。随着电子技术的飞速发展及集成工艺的规模化生产，目前分立元件门电路已经被集成门电路所替代。

采用半导体制作工艺，在一块较小的单晶硅片上制作上许多晶体管及电阻器、电容器等元器件，并按照多层布线或遂道布线的方法将元器件组合成完整的电子电路，这种特殊的工艺称为集成。集成门电路与分立元件的门电路相比，不但体积小、重量轻、功耗小、速度快、可靠性高、而且成本较低、价格便宜，十分方便于安装和调试。

按导电类型和开关元件的不同，集成门电路可分为双极型集成逻辑门和单极型集成逻辑门两大类。(一)TTL与非门

逻辑电路的输入端和输出端都采用了半导体晶体管，称之为Transistor-Transistor-Logic(晶体管-晶体管-逻辑电路)，简称为TTL，TTL集成逻辑门是目前应用最广泛的集成电路。3.6V0.3VR4R3R5R2R1ABC3KΩ+UCC750Ω100Ω300Ω3KΩ5VFT1T2T3T4T5(U0)(Ui)输入级中间级输出级TTL与非门内部电路组成结构图R4R3R5R2R1ABC3KΩ+UCC750Ω100Ω300Ω3KΩ5VFT1T2T3T4T5(U0)(Ui)

输入级由多发射极晶体管T1和电阻R1组成。所谓多发射极晶体管，可看作由多个晶体管的集电极和基极分别并接在一起，而发射极作为逻辑门的输入端。实现“与”逻辑作用。(一)TTL与非门R4R3R5R2R1ABC3KΩ+UCC750Ω100Ω300Ω3KΩ5VFT1T2T3T4T5(U0)(Ui)

中间级由电阻R2，R3和三极管T2组成。作用：1、输出信号驱动三极管T3和T5；2、控制T4、T5管工作在截然相反的两个状态；3、前级电流放大以供给T5足够的基极电流。(一)TTL与非门R4R3R5R2R1ABC3KΩ+UCC750Ω100Ω300Ω3KΩ5VFT1T2T3T4T5(U0)(Ui)

输出级由晶体管T3、T4和T5及电阻R4和R5组成。T5导通时T4截止，T5截止时T4导通。(一)TTL与非门1.TTL与非门的电压传输特性

非门的电压传输特性曲线是指输出电压与输入电压之间的对应关系曲线，它反映了电路的静态特性（如图（b）所示）。测试电路如图（a）所示，将TTL与非门的一个输入端的电位由零逐渐增大，而将其它输入端接高电平（电源正极），测出其输出电压。

（a）传输特性的测试方法（b）传输特性1.TTL与非门的电压传输特性

从电压传输特性上可以看到，TTL与非门的标准低电平是0.3V，这时的输出为高电平3.6V，当输入信号偏离标准低电平而增大时，输出的高电平并没立即下降，大约当输入接近1.4V时，输出信号开始迅速下降；TTL与非门的标准高电平是3.6V，这时的输出为低电平0.3V，同样当输入信号偏离标准高电平3.6V而减小时，输出的高电平也不立即上升。

U0HUILU0LUIHABCDEu0/Vui/V1231234TTL与非门电压传输特性输出高电平UON输出低电平UOFF关门电平开门电平1.TTL与非门的电压传输特性U0HUILU0LUIHABCDEu0/Vui/V1231234TTL与非门参数的测试要在一定条件下进行，一般要遵守的原则有：不用的输入端应悬空(悬空端子为高电平“1”)；输出高电平时不带负载；输出低电平时输出端应接规定的灌电流负载；输出高电平时输出端应接规定的拉电流负载。TTL与非门电压传输特性输出高电平UON输出低电平UOFF关门电平开门电平②UOL是被测与非门一输入端接1.8伏、其余输入端开路、负载接380欧的等效电阻时，输出端的电压值。典型值0.3V2.TTL与非门的主要参数①U0H是被测TTL与非门一个输入端接地、其余输入端开路时的输出端电压值，典型值3.6V。③关门电平UOFF：输出为0.9UOH时，所对应的输入电压称为关门电平UOFF。典型值为1V④开门电平UON：输出为0.35V时，所对应的输入电压称为开门电平UON。典型值为1.4V

。其余参看课本。1.集电极开路的TTL与非门(OC门)

去掉普通TTL与非门中的T3、T4管，让T5管的集电极开路，即构成集电极开路的“与非”门。R5T3T4R4R1ABCR2+5VT1T2R3T5F(U0)(Ui)RC+UCOC门在使用时要外接一个电源UC和一个电阻RCOC门的特点是输出门T5的集电极开路。(二)其它类型的门电路R1ABR2+5VT1T2R3T5FRC+UC当OC门输入全为高时，T2和T5导通饱和，输出F为低电平0.3V0.3VOC门输入有一个为低时，T2、T5截止，输出F为高电平UC

UC

OC门同样可实现与非功能OC门的逻辑电路图符号ABF&OC门可实现“线与”逻辑ABF1&CDF2&F“线与”逻辑功能RC＋UC可实现“与或非”逻辑运算左图所示即利用OC门使输出转换为12V的电路

上述分析可知，OC门具有“线与”功能，并且在线与的过程中实现了输出对输入的与或非逻辑运算。OC门还可用于数字系统接口部分的电平转换。ABF&RC＋12VOC门还可以用来驱动指示灯、继电器等，如左图所示电路。ABF&＋UC2.三态输出门

三态门控制端EN=1时，相当于控制端放弃控制权，此时三态门相当于一个普通与非门，输出由输入端A、B决定。

三态门控制端EN=0(有效态)时，控制端行使控制权，此时由于电路在EN=1时输出有高、低电平两种状态；在EN=0时输出为高阻态，共呈三种状态，因此称为三态门。ABE/DFEN&三态门真值表BAF011101011110EN1110×高阻态0×三态门逻辑图符号ABE/DFEN&利用三态门可以实现总线结构图示为三态门总线结构图。用一根总线轮流传送几个不同的数据或控制信号时，让连接在总线上的所有三态门控制端轮流处于高电平，任何时间只能有一个三态门处工作状态，其余三态门均为高阻状态。这样，总线将轮流接受来自各个三态门的输出信号。这种利用总线来传送数据或信号的方法广泛应用于计算机技术中。总线（BUS）D1&EN……&EN&END2DnE/DnE/D1E/D2L1L2Ln两种常用的TTL与非门集成电路芯片管脚排列图(a)74LS00与非门芯片管脚排列图

电源

1234567

&

&

&

&

1413

12

11

10

9

8

地

&

&

1234567

14

13

12

11

10

9

8

电源

地(b)74LS20与非门芯片管脚排列图

型号中74是指标准型系列TTL芯片；L指低功耗；S表示肖特基。其中74LS00中包含四个2输入的与非门；74LS20包括两个4输入的与非门。芯片中的电源线和“地”线均为公用。4、非OC门结构的与非门输出端不能并联；使用TTL与非门芯片时需注意事项1、不用的管脚可以悬空，不可以接地；2、不用的管脚可以接高电平，不可以接低电平；5、输出端接容性负载时，应接大电阻(≥2.7K)限流；3、几个输入端引脚可以并联连接；6、TTL集成电路的电源电压应满足±5V要求，输入信号电平应在0~5V之间。注意7、用45W以下电铬铁焊接，最好用中性焊剂，设备应良好接地。3.CMOS门电路CMOS门电路也是应用极广的一种逻辑门电路，它具有静态功耗极小、工作电源范围宽、扇出系数大、抗干扰能力强等优点，它的传输特性曲线与TTL门电路类似，主要区别：（1）CMOS门电路的输入电阻极高。（2）CMOS电路的输出高电平约为电源电压，一般为+5V；低电平为0V左右。因此其抗干扰能力强。使用时，一般CMOS门电路不与TTL门电路一起用，在需要同时用CMOS门电路和TTL门电路时，要注意它们的连接问题。

五、集成电路符号及管脚排列图

1、常用组合逻辑门电路符号

五、集成电路符号及管脚排列图2、各种集成电路芯片管脚排列图

五、集成电路符号及管脚排列图2、各种集成电路芯片管脚排列图

五、集成电路符号及管脚排列图2、各种集成电路芯片管脚排列图

五、集成电路符号及管脚排列图2、各种集成电路芯片管脚排列图

六、测试注意事项及知识要点1、TTL、CMOS集成电路外引线排列：

如前所述，TTL集成门电路外引脚分别对应逻辑符号图中的输入、输出端，对于标准双列直插式的TTL集成电路中，7脚为电源地（GND），14脚为电源正极（＋5V），其余管脚为输入和输出，若集成芯片引脚上的功能标号为NC，则表示该引脚为空脚，与内部电路不连接。

六、测试注意事项及知识要点2、外引脚的识别方法：

将集成块正面对准使用者，以凹口侧小标志点“·”为起始脚1，逆时针方向数1，2，3，…，N脚，使用时根据功能查找IC手册，即可知各管脚功能，如图5-1-18。

六、测试注意事项及知识要点3、TTL电路（OC门和三态门除外）的输出端不允许并联使用，也不允许直接与＋5V电源或地线相连，否则将会使电路的逻辑混乱并损害器件。

4、TTL电路输入端外接电阻要慎重，针对不同的逻辑门对外电阻阻值有不同要求，要考虑输入端负载特性，否则会影响电路的正常工作。

六、测试注意事项及知识要点5、多余输入端的处理：

输入端可以串入一个1K～10K的电阻或直接接在大于＋2.4V和小于＋4.5V电源上，以获得高电平输入，直接接“地”为低电平输入。或门及或非门等TTL电路的多余输入端不能悬空，只能接“地”。与门、与非门等TTL电路的多余输入端可以悬空（相当于高电平），但悬空时对地呈现阻抗很高，容易受到外界干扰，因此，可将它们接电源或与其他输