集电极开路门电路及三态门电路的实验

一、实验目的

1、熟悉集电极开路OC门及三态TS门的逻辑功能和使用方法 2、掌握三态门构成总线的特点及方法

3、掌握集电极负载电阻RL对OC门电路输出的影响

二、实验原理

集电极开路门和三态输出门电路是两种特殊TTL门电路 （1） 集电极开路门 在数字系统中，有时需要将两个或两个以上集成逻辑门的输出端相连，从而实现输出相与（线与）的功能，这样在使用门电路组合各种逻辑电路时，可以很大程度地简化电路。由于推拉式输出结构的TTL门电路不允许将不同逻辑门的输出端直接并接使用，为使TTL门电路实现“线与”功能，常把电路中的输出级改为集电极开路结构，简称OC（Open Collector）结构。

本实验所用OC门为四-2输入与非门74LS01，电路结构及引脚排列如图3.3.1所示。

UCC R1 R2 A B T2 T3 R3 1Y 2A 3B 2Y 2A 2B GND 图3.3.1集电极开路与非门电路结构及74LS01引脚排列 UCC 4Y 4B 4A 3Y 3B 3A T1 Y 14 13 12 11 10 9 8 74LS01 1 2 3 4 5 6 7 从图3.3.1可见，集电极开路门电路与推拉式输出结构的TTL门电路区别在于：当输出三极管T3管截止时，OC门的输出端Y处于高阻状态，而推拉式输出结构TTL门的输出为高电平。所以，实际应用时，若希望T3管截止时OC门也能输出高电平，必须在输出端外接上拉电阻RL到电源UCC。电阻RL和电源UCC的数值选择必须保证OC门输出的高、低电平符合后级电路的逻辑要求，同时T3的灌电流负载不能过大，以免造成OC门受损。

假设将n个OC门的输出端并联“线与”，负载是m个TTL与非门的输入端，为了保证OC门的输出电平符合逻辑要求，OC门外接上拉电阻RL的数值应介于RLmax和RLmin所规定的范围之内。其中， 上拉电阻最大值：RLmaxU'ccUoHmin nIoHmIiH上拉电阻最小值： 'UccUoLmax RLmin'mIIiLoLmax

RL值不能选得过大，否则OC门的输出高电平可能小于UOmin ;RL值也不可太小，否则OC

门输出低电平时的灌电流可能超过最大允许的负载电流IOLmax 。 式中，

UOH-------OC门输出高电平 UOL--------OC门输出低电平

U'-------负载电阻RL所接的外接电源电压

cc m---------接入电路的负载门输入个数

n--------“线与”输出的OC门的个数

m--------负载门的个数

IiH-------负载门高电平输入电流 IiL--------负载门低电平输入电流

IOLmax------OC门导通时输出端允许的最大灌电流 IOH--------OC门输出截止时的漏电流

OC门电路应用的范围广泛，利用电路的“线与”特性，可以方便地实现某些特殊的逻辑功能，例如，把两个以上OC结构的与非门“线与”可完成“与或非”的逻辑功能，实现电平的转换等任务。

（2） 三态输出门

UCC R1 A B D R2 R4 T3 T1 T2 D4 Y T4 UCC 4EN 4A 4Y 3EN 3A 3Y '14 13 12 11 10 9 8 74LS0125 1 2 3 4 5 6 7 1EN 2A 1Y 2EN 2A 2Y GND EN 1 R3 图3.3.2三态反相器电路结构及74LS125引脚排列 三态输出门（简称三态门）的电路结构是在普通门电路的基础上附加控制电路构成的。图3.3.2（a）为三态门电路的结构。

本实验采用的三态门74LS125三态输出四总线同相缓冲器，图3.3.2（b）为74LS125的引脚排列图，表3.3.1为其功能表。

表3.3.1 三态门的功能表

输 入 EN 输 出 A 0 1 0 1 Y 0 1 高阻态 高阻态 0 0 1 1 从表3.3.1中可以看出，在三态使能端EN的控制下，输出端Y有三种可能出现的状态，高阻

态、关态（高电平）、开态（低电平）。当EN=“1”时，电路输出Y呈现高阻状态，当EN=“0”时，实现Y=A的逻辑功能，即EN为低电平有效 。 在数字系统中，为了能在同一条线路上分时传递若干个门电路的输出信号，减少各个单元电路之间连线数目，常采用总线结构，如图3.3.3所示

三态门电路的主要应用之一就是实现总线传输，只要在工作时控制各个三态门的EN端轮流有效，且在任何时刻仅有一个有效，就可以把A1，A2，A3…….An信号分别轮流通过总线进行传递。

UCC A1 EN1 1 Y1n A A2 EN2 1 ∶∶ 1 Y2n 数据总路B & 1 RL F C D & An ENn Ynn 图3.3.3 三态门接成总路线结构电路原理图 图3.3.4 OC门实现“线”与逻辑电路原理图

三、实验设备与器材

1、THD-4型数字电路实验箱 2、GOS-620示波器 3、MS8215 数字万用表 4、函数信号发生器

四、实验内容与步骤

（1）OC门应用

1）TTL集电极开路与非门74LS01负载电阻RL的确定

按图3.3.4连接实验电路，用两个电极开路与非门“线与”后驱动一个TTL非门，负载电阻RL用一只200Ω 电阻和100KΩ 电位器串联而成，用实验方法确定RLmax和RLmin的阻值，并和理论计算值相比较，填入表3.3.2中。

表 3.3.2 负载电阻RL的测定

负载电阻 RL RLmax RLmin 理论值（Ω） 测量值（Ω） 2）按预习内容（4）连接电路，验证逻辑功能

3）用OC门电路作TTL—CMOS电路接口的研究，接图3.3.5接线，实现电平转换。

ⅰ）用电路输入端加不同的逻辑电平值，用万用表测量与非门输出端C端、OC门输出端D

端及CMOS输出端F端的电压值，并将测量结果填入表3.3.3中。

表 3.3.3 电平测试数据表

输 入 A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 UC（V） UD（V） UF（V） ⅱ）在电路输入端加10KHZ的方波信号，用示波器观察C、D、F各点的波形记录。 (2) 三态输出门

1）按表3.3.1验证74LS125三态输出门的逻辑功能

将三态门输入端接数字逻辑实验箱上的逻辑开关，使能端EN接单脉冲源，输出端接LED指示器，按表3.3.1逐项测试其逻辑功能。 2）试用74LS125实现总线传输

实验电路原理如图3.3.6所示，先将三个三态门的使能端都接高电平“1”，Y端输出，然后分别将使能端接低电平“0”，观察总线的逻辑状态。

“1” 12V EN1 1 Y1n 5V RL 2kΩ TTL A B & C & D CMOS & F “0” EN2 1 Y2n LED 数据总路1HZ ENn 1 Ynn 图3.3.5 OC门实现电平平电路原理图 图3.3.6 三态门实现总路线传输电路原理图

实验参考电路

1、OC门实现“线与”逻辑，如图3.3.4所示 2、OC门实现电平转换，如图3.3.5所示 3、三态门实现总线传输，如图3.3.6所示

五、实验报告要求

1、整理实验数据，分析实验结果，按要求填写表格。

2、将示波器观察到的波形画在方格纸上，要求输入、输出波形画在同一个相位平面上，比较两者的相位关系。

3、完成思考题。

六、实验预习要求

1、复习TTL集电极开路门和三态输出门的工作原理及应用。 2、了解74LS01，74LS125的功能及外部接线。

3、分析图3.3.4中OC门的上接电阻的阻值范围，确定实验所选电阻值。 4、试用74LS01 OC门电路实现函数：FABCDEF。 5、完成各项实验内容的理论计算。

七、思考问题

1、用OC门时是否需要外接其他元件？如需要，此元件应该如何取值？ 2、几个OC门的输出端是否允许连接在一起？

3、几个TS门的输出端是否允许接在一起？有无条件限制？应该注意什么问题？

八、实验注意事项

1、进行OC门线与实验时，一定要先计算出RL值，再继续实验

2、做电平转换实验时，不能将OC门的工作电源接到12V上，以免烧件

3、做三态门实现总线实验时，三态门的使能端，不能有一个以上同时接低电平“0”，否则会使电路出错。

4、CMOS集成电路的多余输入端绝对不能悬空，否则会引入干扰导致电路输出状态不确定。