實(shí)驗二_門電路的特性

1、實(shí)驗二 門電路的特性(終結(jié)報告)n 預(yù)習(xí)報告（記錄有原始數(shù)據(jù)）一 實(shí)驗?zāi)康?. 在理解CMOS門電路和TTL門電路的工作原理和電特性基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)并掌握其電特性主要參數(shù)的測試方法。2. 學(xué)習(xí)并掌握數(shù)字集成電路的正確使用方法二 預(yù)習(xí)任務(wù)1， 回顧實(shí)驗一“常用電子儀器使用”，回答下列問題：（1） 如何調(diào)整函數(shù)發(fā)生器，使其輸出100Hz、05V的三角波信號？選擇三角波輸出選項，通過“50”輸出端連接示波器觀察波形，通過調(diào)節(jié)函數(shù)信號發(fā)生器的頻率旋鈕，調(diào)節(jié)頻率至100Hz,Vp-p為5V，將示波器的參考電平位置設(shè)置在三角波的最低值處，得到0-5V的三角波，用示波器進(jìn)行實(shí)際測量，判斷調(diào)節(jié)是否正確應(yīng)該以示波器

2、的測量結(jié)果為準(zhǔn)。（2） 用示波器觀測到如圖1所示的a、b兩個信號，假設(shè)此時示波器的垂直定標(biāo)（靈敏度）旋鈕位置分別為1V/格和2V/格，請寫出它們的最高值和最低值。解：圖(a)中最高值為2V，最低值為-2V 圖(b)中最高值為4V，最低值為0V（3） 電壓傳輸特性曲線是指輸出電壓隨輸入電壓變化的曲線。示波器默認(rèn)的時基模式為“標(biāo)準(zhǔn)（YT）模式”顯示的是電壓隨時間變化的波形，若要觀測電壓傳輸特性曲線，需改變示波器上哪些菜單或旋鈕？解：示波器默認(rèn)的時基模式為“標(biāo)準(zhǔn)（YT）模式”，若要觀察電壓傳輸特性，應(yīng)該將時基模式調(diào)節(jié)為XY模式。具體調(diào)節(jié)方法如下： 按下【Horiz】按鈕，在“水平設(shè)置菜單”中，按下時

3、間模式，然后改變時基模式由原來的“標(biāo)準(zhǔn)”變?yōu)椤癤Y模式”。 （4） 用示波器觀測兩路信號時，如何調(diào)整示波器使波形穩(wěn)定的顯示在屏幕上?應(yīng)該合理設(shè)置觸發(fā)源和觸發(fā)電平使得波形穩(wěn)定，調(diào)節(jié)【Trigger】旋鈕2， 仔細(xì)閱讀數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章相關(guān)內(nèi)容，并結(jié)合各項任務(wù)完成以下內(nèi)容。（1） 寫出各測試電路中門電路的工作電壓。測試電路1，工作電壓VDD=5V；測試電路2， VDD=12V；測試電路3，工作電壓為VDD=5V；（2） 寫出各測試電路輸入信號的類型、頻率、電壓值。測試電路1，（3） 什么是閾值電壓？什么是噪聲容限？在電壓傳輸特性曲線中如何讀??？解：閾值電壓：通常將傳輸特性曲線中輸出電壓隨輸入電

4、壓改變而急劇變化轉(zhuǎn)折區(qū)的中點(diǎn)對應(yīng)的輸入電壓稱為閾值電壓； 噪聲容限：是指在前一極輸出為最壞的情況下，為保證后一極正常工作，所允許的最大噪聲幅度；高電平噪聲容限=最小輸出高電平電壓-最小輸入高電平電壓低電平噪聲容限=最大輸入低電平電壓-最大輸出低電平電壓噪聲容限=min高電平噪聲容限，低電平噪聲容限（4） 寫出各項任務(wù)的測試方法及步驟。步驟見各任務(wù)；（5） 列出各項任務(wù)記錄數(shù)據(jù)的表格。表格見各任務(wù)；（6） 寫出測試過程中的注意事項。測試2：每次在改變變阻器阻值時，都要斷電后再進(jìn)行電阻的測量，而且計算時電阻的取值以實(shí)際測量值為準(zhǔn)； 測試3：要注意傳輸延遲時間的定義，是以輸入，輸出的幅值的一半對應(yīng)的

5、時間點(diǎn)為基準(zhǔn)進(jìn)行計算的數(shù)據(jù)記錄（7） 根據(jù)選做任務(wù)內(nèi)容分析圖5電路，試著給出取樣電阻R的阻值范圍。三必做任務(wù)1. CMOS與非門CD4011的電壓傳輸特性 CD4011引腳圖如下Vi 輸出100Hz,0-5V的鋸齒波，因此工作電壓=5V， 接地實(shí)驗步驟：（1） 連接電路，注意芯片的放置方式以及引腳的位置（2） 利用示波器觀察函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生的波形符合要求后，再將信號接到輸入端（3） 將示波器調(diào)到XY工作方式，CH1接輸入，CH2接輸出（4） 觀察電壓傳輸特性，讀取并標(biāo)注和記錄數(shù)據(jù)；實(shí)驗數(shù)據(jù)記錄表格工作電壓實(shí)測：4.99V；閾值電壓輸入噪聲容限輸出噪聲容限 2.575V 2.82V 2.387

6、5V2.測試CMOS與非門CD4011輸出低電平負(fù)載特性改變RL的阻值，用逐點(diǎn)法畫出CMOS與非門低電平輸出特性曲線，并以此估計=5V 時的導(dǎo)通電阻 測試電路如下輸入端接高電平，該電路的電路可以等效為本實(shí)驗中工作電壓VDD取5V， 輸入信號為高電平直流信號，直接接在VDD上即可實(shí)驗步驟(1) 電路連接完畢后，將變阻器調(diào)到最大位置，再開始進(jìn)行實(shí)驗(2) 逐點(diǎn)改變RL的阻值，測量輸出電壓，并以此計算出輸出電流*注意事項每次在改變變阻器阻值時，都要斷電后再進(jìn)行電阻的測量，而且計算時電阻的取值以實(shí)際測量值為準(zhǔn)實(shí)驗數(shù)據(jù)記錄表如下RL()24k15k10k9.1k8.2k7.5k5.1k4.7k3.6k2

7、.4kVo(V)-0.00030.030.04870.0730.0810.09010.09890.14460.1580.210.31IoL(mA)00.2070.3290.4920.5390.5980.6520.951.0281.3281.95實(shí)驗后可以繪制Vo 與IoL的關(guān)系圖像，二者的比值應(yīng)該是常數(shù)，該常數(shù)就是=5V 時的導(dǎo)通電阻 3. CMOS與非門CD4011的傳輸延遲時間,測試電路如下該實(shí)驗的輸入Vi是頻率為20kHz的方波信號，記錄輸入，輸出波形和傳輸延遲時間，*注意事項：要注意傳輸延遲時間的定義，是以輸入，輸出的幅值的一半對應(yīng)的時間點(diǎn)為基準(zhǔn)進(jìn)行計算的數(shù)據(jù)記錄(ns)(ns)25

8、23四、選做任務(wù)觀察CMOS與非門CD4011的動態(tài)功耗測試電路如右：輸入信號為100Hz，0-5V的三角波，在門電路VSS和地之間接入一個小的電流取樣電阻，取樣電阻是用來將電流轉(zhuǎn)換為電壓，以觀察瞬時到導(dǎo)通電流的變化情況電阻R的取值范圍的確定：得到R上的瞬時電壓變化曲線后，可以從圖上讀出以及輸入輸出噪聲容限等數(shù)據(jù)五、實(shí)驗注意事項1，本實(shí)驗中門電路的工作電壓均由學(xué)習(xí)機(jī)上引出，其中第二題為12V，其余為5V.2，了解芯片的引腳排列，特別注意電源和接地引腳不能接錯。3，門電路的輸入信號的高低電平標(biāo)準(zhǔn)。05V和012V的三角波信號先在示波器上調(diào)好之后，才可以接到電路中。n 數(shù)據(jù)處理（原始數(shù)據(jù)記錄見預(yù)習(xí)

9、報告部分）1，CMOS與非門CD4011的電壓傳輸特性門電路的工作電壓：VDD = 5V(實(shí)測值為：5.02V)輸入信號的類型：鋸齒波（三角波） 頻率：100Hz 電壓值：05V數(shù)據(jù)記錄：閾值電壓輸入噪聲容限輸出噪聲容限 2.575V 2.82V 2.3875V計算公式：VNL = VOFF V OLMAX; VNH = VOHMIN VON;由示波器觀察到的電壓傳輸特性曲線如下圖：分析數(shù)據(jù)：由波形圖以及計算數(shù)據(jù)可得，CMOS與非門CD4011的電壓傳輸特性基本上與理想情況相同呈階梯狀，其轉(zhuǎn)折區(qū)曲線很陡，變化率很大，接近于躍變。同時，VDD = 5.02V，VTH = 2.575V,近似滿足V

10、TH = 0.5VDD的關(guān)系。因此，CMOS與非門CD4011接近于CMOS門理想特性。2，CMOS與非門CD4011輸出低電平負(fù)載特性。工作電壓：5V(實(shí)測值為：4.99V)輸入信號的類型：直流； 頻率：0Hz； 大?。?VR1 = 1.0k數(shù)據(jù)記錄：RL(k) 24k15k10k9.1k8.2k7.5k5.1k4.7k3.6k2.4kVO(V)-0.00030.03000.04870.0730.0810.09010.09890.14460.1580.210.31IOL(mA)00.2070.3290.4920.5390.5980.6520.951.0281.3281.95計算舉例：由式：I

11、OL = (VDD - VO) / RLRL = 24k時，IOL = (4.99 0.03) / 24 = 0.207mA逐點(diǎn)法做出CMOS與非門CD4011輸出低電平負(fù)載曲線如下：分析數(shù)據(jù)：線性擬合出負(fù)載特性曲線，此時的直線斜率即為RON(注意單位)，由曲線表達(dá)式可估算出VDD = 5V時，RON約為159.9。3,測試CMOS與非門CD4011的傳輸延遲時間tPHL,tPLH工作電壓：5V(實(shí)測值為：5.025V)輸入信號的類型：方波； 頻率：20kHz；大?。?V數(shù)據(jù)記錄：(ns)(ns)50 35用XY時基模式得到輸入輸出信號波形如下：（黃輸入；綠輸出） 分析數(shù)據(jù)：由預(yù)習(xí)報告中實(shí)驗原

12、理可知，由于MOS管寄生電容以及輸出端負(fù)載電容的存在，當(dāng)輸入信號跳變的時候，輸出電壓的變化必然滯后于輸入電壓的變化，由此產(chǎn)生了傳輸延遲時間。將波形圖放大得到下圖，并得出上表格中的記錄數(shù)據(jù)。其中，tPHL與tPLH的數(shù)量均與理論相接近。n 實(shí)驗收獲與總結(jié)1， 本次實(shí)驗為本學(xué)期數(shù)電第二次實(shí)驗，通過本次實(shí)驗，初步掌握了數(shù)電實(shí)驗的基本接線方法，并對與非門電路的性質(zhì)有了更深地了解。2， 本次實(shí)驗中第一次使用芯片進(jìn)行接線。由于本次實(shí)驗的電路較為簡單，所以在接線過程中并未出現(xiàn)很大的錯誤。不過在最開始接線的時候采用了用很長的導(dǎo)線接線，發(fā)現(xiàn)這樣做問題很大，不但電路不穩(wěn)而且不易于后續(xù)的檢查和調(diào)節(jié)，電路也不夠清晰。

13、除此之外接出來的電路有些混亂，不易于進(jìn)行后續(xù)檢查。因此在以后的實(shí)驗中應(yīng)該盡量保持接線的步驟，使用長短適宜的導(dǎo)線完成電路，并將線路盡量搭接清晰。3， 通過本次數(shù)電實(shí)驗，發(fā)現(xiàn)排錯能力非常重要。首先應(yīng)當(dāng)細(xì)心接線，不犯低級錯誤，其次，出現(xiàn)了意外之后，應(yīng)當(dāng)冷靜的思考，認(rèn)真排查、找出根源、排除故障。本次實(shí)驗中出現(xiàn)的一些小問題（比如接觸不良、芯片燒毀等）都是非正常故障，應(yīng)該通過實(shí)驗累積經(jīng)驗，逐漸提高自己的排錯能力。4， 本次實(shí)驗中，在測量傳輸延遲時間時曾出現(xiàn)波形不穩(wěn)定的情況，后調(diào)節(jié)了觸發(fā)模式，便穩(wěn)定了下來。說明在使用示波器和調(diào)試方面還有很大的欠缺，以后實(shí)驗中應(yīng)當(dāng)注意。n 實(shí)驗思考題1，在CMOS數(shù)字集成電路中，如CD40