实验二_门电路的特性

实验二门电路的特性(终结报告)

预习报告（记录有原始数据）

一．实验目的

1. 在理解CMOS 门电路和TTL 门电路的工作原理和电特性基础上，学习并

掌握其电特性主要参数的测试方法。 2. 学习并掌握数字集成电路的正确使用方法

二． 预习任务

1， 回顾实验一“常用电子仪器使用”，回答下列问题：

（1） 如何调整函数发生器，使其输出100Hz 、0~5V的三角波信号？

选择三角波输出选项，通过“50Ω”输出端连接示波器观察波形，通过调节函数信号发生器的频率旋钮，调节频率至100Hz,Vp-p 为5V ，将示波器的参考电平位置设置在三角波的最低值处，得到0-5V 的三角波，用示波器进行实际测量，判断调节是否正确应该以示波器的测量结果为准。

（2） 用示波器观测到如图1所示的a 、b 两个信号，假设此时示波器的垂直定标

（灵敏度）旋钮位置分别为1V/格和2V/格，请写出它们的最高值和最低值。 解：图(a)中最高值为2V ，最低值为-2V

图(b)中最高值为4V ，最低值为0V

（3） 电压传输特性曲线是指输出电压随输入电压变化的曲线。示波器默认的时

基模式为“标准（YT ）模式”显示的是电压随时间变化的波形，若要观测电压传输特性曲线，需改变示波器上哪些菜单或旋钮？ 解：示波器默认的时基模式为“标准（YT ）模式”，若要观察电压传输特性，应该将时基模式调节为XY 模式。具体调节方法如下：按下【Horiz 】按钮，

在“水平设置菜单”中，按下时间模式，然后改变时基模式由原来的“标准”变为“XY 模式”。

（4） 用示波器观测两路信号时，如何调整示波器使波形稳定的显示在屏幕上?

应该合理设置触发源和触发电平使得波形稳定，调节【Trigger 】旋钮

2， 仔细阅读《数字电子技术基础》第三章相关内容，并结合各项任务完成以下内容。

（1） 写出各测试电路中门电路的工作电压。

测试电路1，工作电压V DD =5V； 测试电路2， V DD =12V；

测试电路3，工作电压为V DD =5V；

（2） 写出各测试电路输入信号的类型、频率、电压值。

测试电路1，

（3） 什么是阈值电压？什么是噪声容限？在电压传输特性曲线中如何读取？ 解：阈值电压：通常将传输特性曲线中输出电压随输入电压改变而急剧变化转折区的中点对应的输入电压称为阈值电压； 噪声容限：是指在前一极输出为最坏的情况下，为保证后一极正常工作，所允许的最大噪声幅度； 高电平噪声容限=最小输出高电平电压-最小输入高电平电压

低电平噪声容限=最大输入低电平电压-最大输出低电平电压 噪声容限=min{高电平噪声容限，低电平噪声容限} （4） 写出各项任务的测试方法及步骤。

步骤见各任务；

（5） 列出各项任务记录数据的表格。

表格见各任务；

（6） 写出测试过程中的注意事项。

测试2：每次在改变变阻器阻值时，都要断电后再进行电阻的测量，而且计算时电阻的取值以实际测量值为准；

测试3：要注意传输延迟时间的定义，是以输入，输出的幅值的一半对应的时间点为基准进行计算的数据记录

（7） 根据选做任务内容分析图5电路，试着给出取样电阻R 的阻值范围。

三．必做任务 1. CMOS 与非门性

CD4011的电压传输特

CD4011引脚图如下

Vi 输出100Hz,0-5V 的锯齿波，因此工作电压V DD =5V，V SS 接地 实验步骤：

（1） 连接电路，注意芯片的放置方式以及引脚的位置

（2） 利用示波器观察函数信号发生器产生的波形符合要求后，再将信号接到输入端

（3） 将示波器调到XY 工作方式，CH1接输入，CH2接输出

（4） 观察电压传输特性，读取

并标注和记录数据；

实验数据记录表格

工作电压实测：4.99V ；

2. 测试CMOS 与非门CD4011输出低电平负载特性

改变RL 的阻值，用逐点法画出CMOS 与非门低电平输出特性曲线，并以此估计V DD =5V 时的导通电阻t PLH

测试电路如下

输入端接高电平，该电路的电路可以等效为

本实验中工作电压VDD 取5V ，输入信号为高电平直流信号，直接接在VDD 上即可 实验步骤

(1) 电路连接完毕后，将变阻器调到最大位置，再开始进行实验 (2) 逐点改变RL 的阻值，测量输出电压，并以此计算出输出电流V TH

*注意事项

每次在改变变阻器阻值时，都要断电后再进行电阻的测量，而且计算时电阻的取值以实际测量值为准

实验数据记录表如下

实验后可以绘制Vo 与IoL 的关系图像，二者的比值应该是常数，该常数就是V DD =5V 时的导通电阻V DD

3. CMOS与非门CD4011的传输延迟时间t PHL , t PLH 测试电路如下

该实验的输入Vi 是频率为20kHz 的方波信号，记录输入，输出波形和传输延迟时间t PHL ，t PLH *注意事项：

要注意传输延迟时间的定义，是以输入，输出的幅值的一半对应的时间点为基准进行计算的 数据记录

四、选做任务

观察CMOS 与非门CD4011的动态功耗 测试电路如右：

输入信号为100Hz ，0-5V 的三角波，在门电路V SS 和地之间接入一个小的电流取样电阻，取样电阻是用来将电流转换为电压，以观察瞬时到导通电流的变化情况

电阻R 的取值范围的确定：

得到R 上的瞬时电压变化曲线后，可以从图上读出V TH 以及输入输出噪声容限等数据 五、实验注意事项

1，本实验中门电路的工作电压均由学习机上引出，其中第二题为12V ，其余为5V. 2，了解芯片的引脚排列，特别注意电源和接地引脚不能接错。 3，门电路的输入信号的高低电平标准。0~5V和0~12V的三角波信号先在示波器上调好之后，才可以接到电路中。

数据处理（原始数据记录见预习报告部分）

1，CMOS 与非门CD4011的电压传输特性 门电路的工作电压：V DD = 5V(实测值为：5.02V)

输入信号的类型：锯齿波（三角波）频率：100Hz 电压值：0~5V 数据记录：

计算公式：V NL = VOFF – V OL MAX ;

V NH = VOH MIN – VON ;

由示波器观察到的电压传输特性曲线如下图：

分析数据：由波形图以及计算数据可得，CMOS 与非门CD4011的电压传输特性基本上与理想情况相同呈阶梯状，其转折区曲线很陡，变化率很大，接近于跃变。同时，V DD = 5.02V，V TH = 2.575V, 近似满足V TH = 0.5VDD 的关系。因此，CMOS 与非门CD4011接近于CMOS 门理想特性。

2，CMOS 与非门CD4011输出低电平负载特性。 工作电压：5V(实测值为：4.99V)

输入信号的类型：直流；频率：0Hz ；大小：5V R1 = 1.0kΩ

数据记录：

计算举例：

由式：I OL = (VDD - VO ) / RL

R L = 24kΩ时，I OL = (4.99 – 0.03) / 24 = 0.207mA

逐点法做出CMOS 与非门CD4011输出低电平负载曲线如下：

分析数据：线性拟合出负载特性曲线，此时的直线斜率即为R ON (注意单位) ，由曲线表达式可估算出V DD = 5V时，R ON 约为159.9Ω。

3, 测试CMOS 与非门CD4011的传输延迟时间t PHL , t PLH

工作电压：5V(实测值为：5.025V) 输入信号的类型：方波；频率：20kHz ；

大小：5V 数据记录：

用XY 时基模式得到输入输出信号波形如下：（黄—输入；绿—输出）

分析数据：由预习报告中实验原理可知，由于MOS 管寄生电容以及输出端负载电容的存在，当输入信号跳变的时候，输出电压的变化必然滞后于输入电压的变化，由此产生了传输延迟时间。将波形图放大得到下图，并得出上表格中的记录数据。其中，tPHL 与tPLH 的数量均与理论相接近。

实验收获与总结

1，

本次实验为本学期数电第二次实验，通过本次实验，初步

掌握了数电实验的基本接线方法，并对与非门电路的性质有了更深地了解。 2，

本次实验中第一次使用芯片进行接线。由于本次实验的电

路较为简单，所以在接线过程中并未出现很大的错误。不过在最开始接线的时候采用了用很长的导线接线，发现这样做问题很大，不但电路不稳而且不易于后续的检查和调节，电路也不够清晰。除此之外接出来的电路有些混乱，不易于进行后续检查。因此在以后的实验中应该尽量保持接线的步骤，使用长短适宜的导线完成电路，并将线路尽量搭接清晰。 3，

通过本次数电实验，发现排错能力非常重要。首先应当细

心接线，不犯低级错误，其次，出现了意外之后，应当冷静的思考，认真排查、找出根源、排除故障。本次实验中出现的一些小问题（比如接触不良、芯片烧毁等）都是非正常故障，应该通过实验累积经验，逐渐提高自己的排错能力。 4，

本次实验中，在测量传输延迟时间时曾出现波形不稳定的

情况，后调节了触发模式，便稳定了下来。说明在使用示波器和调试方面还有很大的欠缺，以后实验中应当注意。

实验思考题

1，在CMOS 数字集成电路中，如CD4011, 若仅用到其中的一个门电路，其余门电路输入端应该如何处理？为什么？

答：即使只是用一个门电路时，也不能将CMOS 芯片中其他门电路输入端悬空，因为悬空时CMOS 门电路容易受到外界噪声的干扰，将会使逻辑功能混乱，容易对门电路造成损坏，应当将输入端做接地处理。

3，能，V1选取5V ，20kHz 的方波，利用滑动变阻器将VDD 在5~12V

之间调节，取多组值进行读数，就可以观测CMOS 电路的直流噪声容限与电源电压的关系。