实验二与非门电路测试实验

实验目的

加深对 CMOS 与非门基本特性和主要参数的理解，掌握主要参数的测试方法。
熟悉 TTL 与非门的基本特性和主要参数，以及主要参数的测试方法。

实验内容

测量 CMOS 与非门 CD4011 的平均延迟时间
测量 CMOS 与非门 CD4011 的电压传输特性
测量 TTL 与非门 74LS00 的电压传输特性
测量 TTL 与非门 74LS00 的平均延迟时间

要求

实验 1 和 2 必做，实验 3 和 4 选做。

实验 2 和 3 只要求测出电压传输特性曲线，VOFF、VON等等具体值不要求测量。

注意

实验 4 的电路较为复杂，请在预习时提前设计好。

同时，为了减少下个实验搭建电路时可能出现的问题，建议用电压表 / 示波器 / LED 灯测试以下 74LS00(与非门) / 74LS86(异或门) / 74LS04(非门) 的工作是否正常。如果芯片有问题，请及时找助教和老师进行更换，以免影响下次实验。

实验步骤

CD4011 平均延迟时间CD4011 电压传输特性74LS00 电压传输特性74LS00 的平均延迟时间

平均延迟时间是指与非门输出波形相对于输入波形的延迟，是描述与非门电路工作速度的参数。

t_pd ＝ ( t_pHL + t_pLH )/2

输入信号v_i是由信号源输出的方波脉冲，接到与非门的两个输入上，输出v_o是与非门输出结果，是v_i的反相波形，只要测出v_o与v_i之间的延迟时间就是与非门的延迟时间。

参照实验 1 的内容，使用信号发生器产生 1MHz TTL 方波；
连接电路，将方波作为与非门的输入，用示波器的 CH1（通道 1）和 CH2（通道 2）探头分别接入输入和输出；
接通电路开关，按下Auto Scale键显示波形，通道 2 的波形会出现反相的通道 1 波形，如果波形显示如下，则说明电路电源未接通或开关没开。
开始测量：

按测量Meas按键，在测量菜单里，在类型软键中选择延迟时间，然后设置软键；

在测量设置菜单里，源1选 1，选上升沿, 源2选 2，选下降沿；使用Back按钮返回上一级测量菜单，按添加测量软键，就把通道 1 波形上升沿到通道波形下降沿的延时 t_pHL添加到屏幕右侧的测量栏中；使用同样方式可以将通道 1 波形下降沿到通道波形上升沿的延时 t_pLH。

当然，也可以使用手动测量的方式分别测量 t_pHL 和 t_pLH，下图是波形放大后手动测量 t_pLH的值。

电压传输特性是指输出电压v_o与输入电压v_i的函数关系，与非门典型的电压传输特性曲线如下：

注意

由于芯片性能的提升，实际测量出来曲线很难测量出V_ON，V_OFF这些参数，本实验中也不要求。

测量电压传输特性的电路如图所示，其中输入电压v_i是低电平为0V，高电平为5V的三角波。将输入的三角波电压v_i送至示波器的CH1（通道1）作为X输入端，输出电压v_o送至CH2（通道2）作为Y输入端，示波器的时基模式选择XY，示波器便会显示出电压传输特性曲线。

参照实验 1 的内容，使用信号发生器产生 100Hz 0-5V 三角波；
连接电路，将三角波作为与非门的输入，用示波器的 CH1（通道 1）和 CH2（通道 2）探头分别接入输入和输出；

注意

这里需要使用时钟模块上的10k电阻，只需要连接10k电阻上方的插线孔即可，电阻另一端已经接地。
接通电路开关，按下Auto Scale键显示波形，波形显示如下：
按下Horiz按钮，在屏幕下方会出现水平设置菜单：

选择时基模式为XY，波形就会显示成传输特性的曲线。

了解一下

这里的时基模式中YT表示的是波形相对于时间的变化曲线，XY则表示通道 2（Y）相对于通道 1（X）的变化曲线，从而反映了输出相对与输入的变化。

电压传输特性是指输出电压v_o与输入电压v_i的函数关系，与非门典型的电压传输特性曲线如下：

注意

由于芯片性能的提升，实际测量出来曲线很难测量出V_ON，V_OFF这些参数，本实验中也不要求。

可能是芯片问题

可能是由于所购置的74LS00芯片型号不同或者有翻新芯片的问题，有些芯片测试出来的波形很不规整，经我们测试HD74LS00的实验曲线比较规整，但不保证，请尽量使用此型号芯片，实验中随机应变吧，发现此问题找老师换芯片。

测量电压传输特性的电路如图所示，其中输入电压v_i是低电平为0V，高电平为5V的三角波。将输入的三角波电压v_i送至示波器的CH1（通道1）作为X输入端，输出电压v_o送至CH2（通道2）作为Y输入端，示波器的时基模式选择XY，示波器便会显示出电压传输特性曲线。

参照实验 1 的内容，使用信号发生器产生 100Hz 0-5V 三角波；
连接电路，将三角波作为与非门的输入，用示波器的 CH1（通道 1）和 CH2（通道 2）探头分别接入输入和输出；

注意

这里需要使用时钟模块上的10k电阻，只需要连接10k电阻上方的插线孔即可，电阻另一端已经接地。
接通电路开关，按下Auto Scale键显示波形，波形显示如下：
按下Horiz按钮，在屏幕下方会出现水平设置菜单：

选择时基模式为XY，波形就会显示成传输特性的曲线。

了解一下

这里的时基模式中YT表示的是波形相对于时间的变化曲线，XY则表示通道 2（Y）相对于通道 1（X）的变化曲线，从而反映了输出相对与输入的变化。

由于74LS00的延时时间太短，示波器测量精度不足，需要将其内部的四个与非门进行串联。

因此通道2的输出波形与通道1的输入波形同项，平均延迟时间也需要在原来的基础上再除以4.

t_pd ＝ (( t_pd1 + t_pd2 )/2 )/4

具体测试步骤与CD4011的类似。

参照实验 1 的内容，使用信号发生器产生 2MHz TTL 方波；
连接电路，将方波作为与非门的输入，用示波器的 CH1（通道 1）和 CH2（通道 2）探头分别接入输入和输出；
接通电路开关，按下Auto Scale键显示波形，通道 2 的波形会出现同相的通道 1 波形；
开始测量：

按测量Meas按键，在测量菜单里，在类型软键中选择延迟时间，然后设置软键；

在测量设置菜单里，源1选 1，选上升沿, 源2选 2，选上升沿；使用Back按钮返回上一级测量菜单，按添加测量软键，就把通道 1 波形上升沿到通道波形上升沿的延时 t_pd1添加到屏幕右侧的测量栏中；使用同样方式可以将通道 1 波形下降沿到通道波形下降沿的延时 t_pd2。

当然，也可以使用手动测量的方式分别测量 t_pd1 和 t_pd2。

注意

波形未调好前，不要接入电路

芯片的引脚要垂直插入插座（插到底）

不要忘记给芯片接电源和地

不许带电接插线及更换元件

实验报告要求

给出实验电路图；
给出测试波形图，并整理实验测试数据，列出所测与非门电路的参数。
如果做了选做实验，请根据实验测试结果，比较 TTL 与非门 74LS00 和 CMOS 与非门 CD4011 的性能。

最后更新: 2024年4月9日

作者：cuibst (3.7%), 李山山 (80.95%), Jiajie Chen (15.34%)

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