数字电子技术应用(项目教程).ppt

书名：数字电子技术应用（项目教程）ISBN：978-7-111-35079-8作者：段有艳 出版社：机械工业出版社本书配有电子课件,数字电子技术应用（项目教程）ppt 课件,项目2 楼梯灯控制电路的设计与实现,任务引入：设计一个楼上、楼下开关都能控制楼梯灯打开和关闭的控制电路，使得在上楼前，可以用楼下开关打开灯，上楼后，能用楼上开关关掉灯；或者在楼上，能用楼上开关打开灯，下楼后，用楼下开关关掉灯。,数字电子技术应用（项目教程）ppt 课件,任务分析：,本项目所涉及的电路是我们生活中常用的一个双控电路，楼上、楼下安装的开关均为单刀双掷开关，上楼前在楼下开灯，上楼后关灯；反之下楼前，在楼上开灯，下楼后关灯。只要使两个开关同时满足闭合和断开时，楼梯灯灭，而其中一个开关闭合，一个开关断开时楼梯灯亮，即可实现对楼梯灯的控制。显然，楼梯灯的状态（亮与灭）是开关状态（闭合与断开）的函数。,数字电子技术应用（项目教程）ppt 课件,项目2 楼梯灯控制电路的设计与实现,任务1 楼梯灯控制电路最简逻辑表达式任务2 逻辑表达式的互换任务3 由集成门电路实现楼梯灯的控制任务4 相关知识扩展,数字电子技术应用（项目教程）ppt 课件,任务1 楼梯灯控制电路最简逻辑表达式,1.列写真值表2.根据真值表得到输出逻辑函数的最小项表达式3.化简逻辑表达式,数字电子技术应用（项目教程）ppt 课件,任务1 楼梯灯控制电路最简逻辑表达式,1.列写真值表（1）定义输入、输出变量及其取值 根据题目的逻辑要求，确定输入、输出变量并赋值。楼上开关 A 电灯 Y楼下开关 BA、B闭合为“1”，断开为“0”，灯亮为“1”，灯灭为“0”。,数字电子技术应用（项目教程）ppt 课件,任务1 楼梯灯控制电路最简逻辑表达式,（2）根据逻辑功能列写真值表 要满足上楼前，用楼下开关打开灯，上楼后，能用楼上开关关掉灯；或者在楼上，能用楼上开关打开灯，下楼后，用楼下开关关掉灯的电路要求，只需要使两个开关同时满足闭合和断开时，灯灭，只有1个开关闭合时，灯亮，就能满足楼梯灯控制要求。写出真值表见表2-1。,数字电子技术应用（项目教程）ppt 课件,楼梯灯真值表,表2-1 楼梯灯真值表,数字电子技术应用（项目教程）ppt 课件,2.根据真值表得到输出逻辑函数的最小项表达式可见是异或关系。3.化简逻辑表达式该表达式已经是最简，无需再化简了。,数字电子技术应用（项目教程）ppt 课件,任务2 逻辑表达式的互换,虽然一个逻辑函数的真值表是唯一的，但是一个逻辑函数的表达式却是形式多样的，根据逻辑函数各组成变量之间的逻辑先后关系可构成不同的表达式，如与或式、或与式、与非与非表达式、或非或非表达式、与或非式等，它们之间是可以相互转换的。,数字电子技术应用（项目教程）ppt 课件,本项目逻辑表达式的各种表达形式表示如下：,1.最简与或表达式在本项目中，得到的逻辑表达式Y=就是最简与或表达式，无需再化简，函数Y=的逻辑电路图如图2-1所示。,图2-1 楼梯灯控制电路与或表达式逻辑电路图,数字电子技术应用（项目教程）ppt 课件,2.最简或与表达式,利用前面在项目1中介绍的逻辑函数的常用公式，可以将上面的与或表达式进行转换，获得先或后与的或与表达式，转换过程如下：,最简或与表达式对应的逻辑电路图,图2-2 最简或与表达式逻辑电路图,3.最简与非与非表达式,仍然用与或式来变型，通过变换得到与非与非表达式，即表达式的关系是先与非，然后总的再与非，关系转换过程如下：,最简与非与非表达式对应的逻辑电路图,图2-3 与非与非表达式逻辑电路图,4.最简或非或非表达式,或非或非表达式，就是表达式的结构为先或非，然后总的再或非，表达式关系转换的过程如下：,或非或非表达式的逻辑电路图,图2-4 或非或非表达式逻辑电路图,5.最简与或非表达式,与或非表达式的关系有三层，先后顺序是先与后或再非，其表达式关系变换过程如下：,与或非表达式对应的逻辑电路图,图2-5 与或非表达式逻辑电路图,任务3 由集成门电路实现楼梯灯 控制电路,1.基本逻辑门电路 2.复合逻辑门电路3.TTL集成门电路4.通过集成门实现楼梯灯控制电路,1.基本逻辑门电路,由前面的分析可以看出本电路的输出结果（灯是否亮）仅仅只与输入信号当前的状态（两个开关是否闭和）有关，是组合逻辑电路，电路的实现需要将设计好的逻辑电路图搭建成逻辑电路，通过电路来实现功能。门电路是指只有一个或多个输入，但只有一个输出的开关电路，门电路的输入和输出之间存在一定的因果关系，即逻辑关系，所以又称为逻辑门电路。,1.基本逻辑门电路,能实现基本逻辑关系（与、或、非）的门电路，我们把它称作基本逻辑门电路。即与门、或门、非门电路。（1）由二极管组成的与门电路和或门电路 与门电路和或门电路通常通过二极管、电阻等元器件来实现，主要利用了二极管的导通条件和钳位作用，在由二极管和电阻组成的基本门电路中，A、B是输入变量，Y是输出变量，在此采用正逻辑 在数字电路中，通常采用正逻辑，高电平为“1”，低电平为“0”，我们设3V以上为高电平，1V以下为低电平。,由二极管组成的与门电路和或门电路,图2-6 二极管组成的与门电路,图2-7 二极管组成的或门电路,图2-6所示电路进行分析后发现，只有当输入A、B均为高电平时，输出才为高电平，符合与逻辑关系，即逻辑表达式为：YAB 或者YAB。,对图2-7所示电路进行分析后发现，输入变量A、B中只要有一个为高电平，则输出就为高电平，符合或逻辑关系，即逻辑表达式为：Y=A+B。,（2）由晶体管组成的非门电路,非门电路由晶体管、电阻等组成，如图2-8所示，当输入A为高电平时，晶体管导通，输出Y为低电平，而输入为低电平时，晶体管截止，输出为高电平。因此，输出与输入的电平之间是反相关系，称之为非门（亦称反相器）。即逻辑表达式为：。,由晶体三极管组成的非门电路,图2-8晶体管非门电路,2.复合逻辑门电路,能实现复合逻辑的复合逻辑门电路通常也是由二极管、晶体管和一些电阻元件组成，常用的复合门电路有二极管-晶体管与非门电路、二极管-晶体管或非门电路。,（1）与非门电路,将二极管的与门的输出与晶体管非门连接起来，就构成图2-9所示的与非门电路。,图2-9 与非门电路,（2）或非门电路,将二极管的或门的输出与晶体管非门连接起来，就构成图2-10所示的或非门电路。,图2-10 或非门电路,（3）其它复合门电路,其它常用的复合门电路还有与或非门、异或门、同或门等。,3.TTL集成门电路,由分立元件组成的逻辑门电路，在实际使用中成本低，结构简单，但是输入与输出的高低电平数值不相等，带负载的能力差，而且连线和焊点太多，可靠性差，为此，人们研制出了各种数字集成逻辑门，它的成本更低，可靠性高，且便于安装调试。分立元件组成的门电路通常只偶尔用于集成门电路的部分电路。,（1）典型TTL集成门电路,TTL集成门电路是晶体管晶体管（Transistor-Transistor Logic）集成逻辑门电路的简称。这种电路的输入和输出端结构都采用了半导体晶体管。典型TTL与非门电路的内部构成如图2-11a所示，该集成电路的应用比较普遍，它由输入级、中间级、输出级三部分组成。其逻辑符号如图2-11b所示。,图2-11 TTL与非门,a）电路图,b）与非门逻辑符号,经分析，电路的输出和输入之间满足与非逻辑关系：,（2）TTL集成门电路封装和芯片引脚识别,1）常用TTL集成门电路封装。封装就是指把硅片上的电路引脚，用导线接引到外部接头处，以便与其它器件连接，不同的芯片可以有相同的封装。封装形式是指安装半导体集成电路芯片用的外壳。它不仅起着安装、固定、密封、保护芯片及增强电热性能等方面的作用，而且还通过芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其它器件相连接，从而实现内部芯片与外部电路的连接。封装主要分为DIP双列直插和SMD贴片扁平封装两种。,TTL集成电路引脚排列,2）芯片引脚识别。一般TTL产品多数都是采用双列直插式封装结构，有的采用扁平式封装结构。图2-12a为14引脚的外形图，面对芯片，将半圆弧形凹口置于上端，则从凹口左下角开始，沿逆时针方向数起，顺序为1、2、3、7、8、14。扁平封装式的同样，从标记端开始，按逆时针排列。,图2-12 TTL集成门电路引脚排列,3）常用TTL集成电路芯片简介,我国现行标准是参照国际标准制定的，同一品名的TTL器件，如中国的CT7400，美国的摩托罗拉（MOTOROLA）公司的MC7400，日本日立（HITACHI）公司的HD7400，除标明国家或公司的前缀不同外，后面的7400完全一致，说明是同一系列的通用型，为器件的互换带来了方便。我国TTL集成电路分为CT54和CT74两大系列，CT54系列产品常用于军品或野外条件较恶劣的环境，其电压允许工作范围更宽。CT74系列产品常用于民品和一般数字系统，适用于室内或一般环境。部分常用TTL集成电路见教材中表2-2。,4）常用TTL集成电路芯片引脚排列功能图,以典型的TTL与非门器件74LS00为例，其功能图如图2-13所示，其内部含有4个2输入端与非门，共有14个引脚。封装引脚排列图如图2-12所示。其余常用TTL集成电路芯片的引脚排列如图2-14所示。图2-14a）为二4输入与非门74LS20，图2-14b）为四2输入或非门74LS02，图2-14c）为六反相器74LS04。,顶 视,图2-13 74LS00引脚排列图 a）二4输入与非门74LS20,b）四2输入或非门74LS02 c）六反相器74LS04图2-14 常用TTL集成电路芯片引脚排列功能图,5）TTL器件的组成符号及意义,表2-3 TTL器件的组成符号及意义,4.通过集成逻辑门实现楼梯灯控制电路,在项目2中，楼梯灯控制电路的实现，可以根据得到的表达式，用表达式中相应逻辑关系对应的门电路来实现。在本项目中，根据楼梯灯的最简逻辑表达式：Y，选择需要的芯片：因为是异或关系，查集成电路电气手册，可以选用四2异或门74LS86 芯片一个，其接线图如图2-15所示，7脚GND端是接地端，14脚VCC是直流电源供给端，按要求进行相应连接即可。,楼梯灯电路接线图,图2-15 楼梯灯电路接线图,在实际情况中，通常遇到的情况是手头有什么芯片，就用什么芯片来实现电路，这时，就可以利用任务2中介绍的表达式之间的相互转换，来得到所需要的表达式形式。例如项目1设计的交通信号灯工作状态显示电路，经过化简得到的是最简与或表达式，若要求用与非门来实现，则需要对已经获得的最简与或表达式进行变换，可以利用反演率，得到与非与非表达式，转换过程为：,根据逻辑函数表达式可以画出由与非门组成的组合逻辑电路图如图2-16所示。,图2-16 交通信号灯与非门逻辑示意图,选择芯片,从逻辑电路图中可以看出，共需要二输入与非门五个，四输入与非门两个，所以选择74LS00四2输入与非门芯片两片，74LS20双四输入与非门芯片一个，交通信号灯工作状态显示电路的实际接线如图2-17所示。,交通信号灯工作状态实际接线图,图2-17 交通信号灯工作状态显示电路接线图,任务4 相关知识扩展,数字信号中，只规定高电平的下限值和低电平的上限值，凡大于等于高电平下限值（2.4V）的都认为是高电平“1”，凡是小于等于低电平的上限值（0.4V）的都认为是低电平“0”，不研究其具体数值。,1.典型TTL与非门电路,（1）电路组成 在所有的集成电路中，与非门应用最普遍，它由输入级、中间级、输出级三部分组成。1）输入级。由多发射极晶体管VT1和电阻R1组成，其作用是对输入变量A、B、C实现逻辑与，所以它相当一个与门。多发射极晶体管及其等效形式如图2-19所示。,图2-19 多发射极晶体管及其等效形式,TTL与非门,2）中间级。由VT2、R2、R3组成，在VT2的集电极与发射极分别可以得到两个相位相反的电压，以满足输出级的需要。3）输出级。由VT3、VT4、VT5和R4、R5组成，这种电路形式称推拉式电路，它不仅输出阻抗低，带负载能力强，而且可以提高工作速度。,（2）工作原理,1）输入端至少有一个接低电平（0.3V）。VT1管低电平所对应的PN结（发射结）导通，比如A接低电平，则有 UB1=UA+UBE1=0.3 V+0.7 V=1V，则VT1的基极电位被固定在1V上，与其连接的VT2、VT5的发射结均因反偏而截止.，因VT2截止，所以其集电极电位约为+5V，该电位可使VT3、VT4导通并处于深度饱和状态。R2上的电压降忽略不计，得出电路输出高电平为：,（2）工作原理,2）输入端全为高电平（3.6V）。VT1的基极电位被钳制住：由“地”经VT5发射结到VT2发射结到VT1的集电极得到：VB1=VBC1+VBE2+VBE5=0.7V3=2.1V所以VT1发射结反偏而集电结正偏.处于倒置放大状态。在倒置情况下，电源经R1，VT1向VT2、VT5提供足够的电流，使得VT2、VT5处于导通、深度饱和状态，VT3：VC2=VCES2+VBE51V，使VT3导通，VE3=VC2-VBE3=1 V-0.7 V0.3V，使VT4截止。因此输出为逻辑低电平VOL=0.3V。由此可见，电路的输出和输入之间满足与非逻辑关系：,2.TTL与非门电路的特性和参数,TTL与非门输入电压Ui与输出电压uo之间的关系曲线即 uo=F（ui）如图2-20所示,图2-20 TTL与非门的电压传输特性,TTL与非门电路的参数,（1）输出高电平UOH、输出低电平UOL UOH 2.4V为高电平“1”，U OL 0.4V 为低电平“0”，典型值UOH=3.4V，U OL=0.3V。（2）阈值电压UTH UTH为输出高低电平的分界线。UIUTH时，认为ui是高电平。uTH=1.4V。（3）关门电平UOFF UOFF为保证输出为额定高电平UON的90%的条件下，允许的最大输入低电平值。UOFF=0.8V。（4）开门电平UON UON为保证输出为标准低电平UOL的最小输入高电平值。UON=1.8V。,TTL与非门电路的参数,（5）低电平噪声容限UNL UNL为保证输出高电平不低于额定值的90%时，允许叠加在输入低电平上的噪声（干扰）电压。UNL=UOFF-UOL=0.8 V-0.4 V=0.4V。（6）高电平噪声容限UNH UNH为保证输出为低电平的前提下，允许叠加在输入高电平上（极性与输入信号相反）的噪声（干扰）电压。UNH=UOH-UON=3 V-1.8 V=1.2V。（7）扇出系数NO NO为一个与非门能够驱动同类与非门的最大数目。扇出系数反映了与非门的带负载的最大能力，该值越大，带负载能力越强。,3.集电极开路的TTL与非门（Open Collector gate，OC门）,在TTL集成与非门电路的基础上将输出级的T3、T4去掉，就构成集电极开路的与非门，简称OC门，如图2-21所示。,a）OC门电路图 b）OC门逻辑符号图2-21 OC门的电路图及逻辑符号,注意：集电极开路与非门只有在外接负载电阻RP和电源VCC后才能正常工作。,（2）OC门的应用,1）实现“线与”功能。OC门的输出端并联在一起，实现”与”的逻辑功能，如图2-22所示，每个OC门单独工作时，有。将两个OC门的输出端Y1、Y2连在一起后，由图可见，当任一个OC门的所有输入端均为高电平时，其输出端输出才为低电平；只有每个OC门的输入端中均有低电平时，输出才呈高电平。即实现了“与”的功能，逻辑表达式可写为：。,图2-22 用OC门实现线与,与此对应，通常典型的TTL电路是不允许把输出端直接连接在一起的，因为TTL与非门的输出电阻很小，不管与非门是导通还是截止，其输出电阻都在几欧姆几十欧姆之间，若将它们的输出端直接连在一起，当一个输出高电平，一个输出低电平时，将从电源到地形成一条低电阻的通路，将有一个很大的电流流过，持续时间稍长，会因功耗过大使两个与非门都损坏。,2）可以直接驱动负载,一部分OC门输出管尺寸设计得较大，可以承受较大的电流和电压，输出端可以直接驱动继电器、指示灯，负载电阻RL和电源VCC等，可以根据情况选择。如图2-23、图2-24所示。,图2-23 OC门驱动指示灯图 图2-24 OC门驱动小型继电器,3）实现电平转换。,OC门需外接电阻，所以电源VCC以选530V，因此OC门作为TTL电路可以和其它不同类型不同电平的逻辑电路进行连接。,4.三态门（TSL门）,（1）定义 三态门是指逻辑电平的输出除有高电平、低电平以外，还有第三种状态：高阻态（或称禁止工作状态），也称TSL门。其电路结构如图2-25a所示。,图2-25 三态输出门及其逻辑符号,4.三态门（TSL门）,（2）工作原理 EN端称为“使能端”。当EN=1时：对T1没有影响；同时，二极管D 截止，对T2、T3也没有影响，原非门电路正常工作。当EN=0时：T1输入端被封锁，UB1为低电平，T2、T4截止；同时，二极管D 导通，T3基极为低电平，T3截止。T3、T4均截止，非门电路输出为高阻状态。,4.三态门（TSL门）,图2-25b所示逻辑符号为使能端高电平有效，即当EN=1时，二极管D截止，电路工作于与非的工作状态，输出，当EN=0时，T1管基极电压小于1V，使得T2、T5截止，同时，由于D导通，使得T3基极电压也小于1V，T4管也截止，所以输出端呈现悬空的状态，及所谓的高阻状态。图2-25c所示逻辑符号为使能端低电平有效，当 时，时，二极管截止，电路处于正常的与非门工作状态，即输出；当 时，T2、T5、T4均截止，输出端呈现高电阻状态。,三态门的应用 三态门主要是在计算机系统中应用，数据总线可以实现数据的单向传输，也可以是双向传输。,三态门构成数据的总线结构,由三态门构成数据的单向总线结构如图2-25所示，由三态门构成数据的双向传输如图2-26所示。三态门G1为使能端高电平有效，G2为使能端低电平有效，当EN=1时，G1门处于工作状态，G2处于高阻状态，输入D0经G1输出 到总线上，而当EN=0时，G1门处于高阻状态，G2处于工作状态，来自总线的数据D1经G2输出，通过控制使能端的取值，可以控制数据的双向传输。,5.其它TTL门电路,除了前面讲述的TTL与非门、OC门、三态门之外，还有TTL与门、或门、非门、或非门、同或门、异或门等，都是由前面几种变换而来的。,6.使用TTL集成门电路的注意事项,（1）多余输入端的处理 在使用集成门电路时，如果输入信号数小于门的输入端数，则可能出现多余输入端，对于多余输入端的处理，一般不允许悬空，主要是为了防止有电磁干扰信号从多余输入端流入，通常是以不改变电路工作状态及稳定可靠性为主。,与非门多余输入端的处理,对于TTL与非门，多余输入端通常是通过13 k的电阻与电源相连，也可以将多余输入端与另一输入信号的输入端相连。在图2-27中，A、B为输入信号端，其余一端为多余输入端，与非门多余输入端的处理如图2-28(a)、(b)所示，其它与门处理方法与与非门相同。,图2-28 TTL门电路多余输入端的处理,或非门的多余输入端的处理,或非门的多余输入端应接地，或与其它有输入信号的输入端相连，如图2-28(c)、(d)所示。TTL门电路的多余输入端均可以通过与其它输入信号的输入端相连。,图2-28 TTL门电路多余输入端的处理,使用TTL集成门电路的注意事项,（2）电源电压 TTL电路的电源电压不能高于5.5V，使用时不能将电源与地接错，否则会烧坏器件。（3）输入、输出端 输入端不能直接与高于5.5V及低于-0.5V的低内阻电源相连，否则电流过大会使器件烧，输出端不允许与电源或地短路，否则也会造成器件损坏，除了OC门与三态门之外，输出端不允许并联使用。（4）芯片 拔插芯片时，应在断电的情况下进行，以免烧坏器件。,7.CMOS集成门电路,实现电路逻辑功能还可以选用CMOS集成门电路来实现，MOS集成门电路是采用单极型场效应管组成的门电路，分为NMOS型、PMOS型、CMOS型，其中CMOS型为互补型门电路，其优点是：功耗极低，开关速度大，开关能力强，带负载能力好，抗干扰能力强等优点，所以应用范围很广。,7.CMOS集成门电路,CMOS集成门电路沿着4000A4000B74HC74HCT系列的方向高速发展，既保持了低功耗的优势，又提高了运行速度。CMOS集成门电路有两大系列：CMOS4000系列和高速CMOS系列（称HCMOS）。,常用的CMOS四输入与非门集成电路CC4011,如图2-29所示为我国生产的最常用的集成逻辑门CC4011的引脚排列及逻辑功能。CC4011是常用的CMOS四输入与非门集成电路,他的内部含有4个与非门，常用在各种数字逻辑电路和单片机系统中，功耗很小。,图2-29 CC4011引脚排列图,CMOS电路的使用注意事项：,器件插入或拔出插座时，所有电源均应除去；禁止在CMOS电路本身没有接通电源的情况下接入输入信号；多余输入端不能悬空，应根据实际逻辑要求接电源（与非门），或接地（或非门），或者在工作速度不高，不需要特别考虑功耗时也可以与使用端并连，如图2-28所示。,8.TTL集成门电路与CMOS集成门电路的接口,TTL门电路与CMOS集成门电路的连接，在两种电路都有的情况下，将两种电路连接时要考虑匹配的问题，否则电路将不能正常工作。要求驱动门必须为负载门提供合乎标准的高、低电平和足够的驱动电流。,TTL门电路驱动CMOS集成门电路：,TTL电路输出低电平时，其上限值小于CMOS所要求输入低电平的最大值，所以可以直接相连，而TTL门的输出高电平典型值为3.4V，CMOS集成门电路的输入高电平要求高于3.6V，两者不能匹配，通常采取的方法有：1）VCC VDD时，在TTL电路输出端与电源VDD之间接入一上拉电阻RL阻值在几欧到几千欧，如图2-30所示。,图2-30 电源电压接近时的接口,图2-31电源电压相差较大时的接口,2）VCC VDD时，即CMOS集成门电路的电源电压较高时，可以采用输出端耐压值较高的OC门作为驱动门，如图2-31所示。,3）通过电平转换器来实现。如图2-32所示。,图2-32采用电平转换器的接口,CMOS集成门电路驱动TTL集成门电路：,主要考虑电流问题，再考虑逻辑电平的匹配的问题，通常采取的措施有：1）将同一芯片的门电路并联使用，如图2-33所示。2）在CMOS集成门电路输出端与TTL集成门电路输入端之间接入CMOS驱动器，如图2-34所示。3）用74HC/74HCT系列CMOS集成门电路直接驱动TTL集成门电路，因两者相容。,图2-33并联使用提高带负载能力 图2-34用CMOS驱动器驱动TTL电路,