逻辑门电路使用中的几个实际问题_经纬

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逻辑门电路使用中的几个实际问题

(2007-08-22 09:42:21)

标签：

IT/科技

分类：电子技术

一  各种门电路之间的接口问题
    在数字电路或系统的设计中，往往由于工作速度或者功耗指标的要求，需要采用多种逻辑器件混合使用，例如，TTL和CMOS两种器件都要使用。由于每种器件的电压和电流参数各不相同，因而需要采用接口电路，一般需要考虑下面三个条件：
    ·驱动器件必须能对负载器件提供灌电流最大值。
    ·驱动器件必须对负载器件提供足够大的拉电流。
    ·驱动器件的输出电压必须处在负载器件所要求的输入电压范围，包括高、低电压值。
    其中条件1和2,属于门电路的扇出数问题，已在4.4.5节作过详细的分析。条件3属于电压兼容性的问题。其余如噪声容限、输入和输出电容以及开关速度等参数在某些设计中也必须予以考虑。
    下面就CMOS门驱动TTL门或者相反的两种情况的接口问题进行分析：
    1.  CMOS门驱动TTL门
    在这种情况下，只要两者的电压参数兼容，不需另加接口电路，仅按电流大小计算出扇出数即可。
    图4.9.1表示CMOS门驱动TTL门的简单电路。当CMOS门的输出为高电平时，它为TTL负载提供拉电流，反之则提供灌电流。

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图4.9.1  CMOS门驱动TTL门

    例1 一74HC00与非门电路用来驱动一个基本的TTL反相器和六个74LS门电路。试验算此时的CMOS门电路是否过载？
    解：(1)由附录查得接口参数如下：一个基本的TTL反相器，I_IL＝1.6mA，六个74LS门的输入电流。I_IL=6×0.4mA=2.4mA。总的输入电流I_IL(total)=1.6mA+2.4mA=4mA。
    (2)因74HC00门电路的I_OL=I_IL=4mA，所驱动的TTL门电路未过载。
    2.  TTL门驱动CMOS门
    此时TTL为驱动器件，CMOS为负载器件。由附录查得,当TTL输入为低电平时，它的输出电压参数与CMOS HC的输入电压参数是不兼容的。例如，LSTTL的V_OH(min)为2.7V，而HC CMOS的V_IH(min)为3.5V。为了克服这一矛盾，常采用如图4.9.2所示的接口措施。由图可知，用上拉电阻R_P接到V_DD可将TTL的输出高电平电压升到约5V，上拉电阻的值取决于负载器件的数目以及TTL和CMOS的电流参数。此时R_P可作具体的计算得出。

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图4.9.2  TTL门驱动CMOS门

    当TTL驱动CMOS－HCT时，由于电压参数兼容，不需另加接口电路。

二  门电路带负载时的接口电路
    1.用门电路直接驱动显示器件
    在数字电路中，往往需要用发光二极管来显示信息的传输，如简单的逻辑器件的状态，七段数码显示，图形符号显示等。在每种情况下均需接口电路将数字信息转换为模拟信息显示。
    图4.9.3表示CMOS反相器74HC04驱动发光二极管LED的方法，电路中串接了限流电阻R以保护LED。限流电阻的大小可分两种情况来计算。

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图4.9.3 CMOS 74HC04 驱动LED的电路

对于图4.9.3(a)，当门电路的输入为低电平时，输出为高电平，于是

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对于图4.9.3(b)当门电路的输入为高电平时，输出为低电平，故有

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    以上两式中，I_D－LED的电流，V_F－LED的正向压降，V_OH和V_OL为门电路的输出高、低电平电压，常取典型值。
    例2 试用CMOS反相器74HC04作为接口电路，使门电路的输入为高电平时，LED导通。设I_D＝10mA，V_F＝2.2V，V_CC＝5V，V_OL＝0.1V。
    解：根据题意，得：

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相应的电路如图4.9.4所示

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图4.9.4  例2.9.2的电路

2.机电性负载接口
在工程实践中，往往会遇到各种数字电路以控制机电性系统的功能，如控制电动机的位置和转速，继电器的接通与断开，流体系统中的阀门的开通和关闭，自动生产线中的机械手多参数控制等。下面以继电器的接口电路为例来说明。在继电器的应用中，继电器本身有额定的电压和电流参数。一般情况下，需用运算放大器以提升到必须的数－模电压和电流接口值。对于小型继电器，可以将两个反相器并联作为驱动电路，如图4.9.5所示。

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图4.9.5  继电器驱动电路

三  抗干扰措施
    在利用逻辑门电路（TTL或CMOS）作具体的设计时，还应当注意下列几个实际问题：
    1.多余输入端的处理措施
    集成逻辑门电路在使用时，一般不让多余的输入端悬空，以防止干扰信号引入。对多余输入端的处理以不改变电路工作状态及稳定可靠为原则。对于TTL与非门，一般可将多余的输入端通过上拉电阻（1～3kΩ）接电源正端，也可利用一反相器将其输入端接地，其输出高电位可接多余的输入端。对于CMOS电路，多余输入端可根据需要使之接地（或非门）或直接接V_DD（与非门）。
    2.去耦合滤波器
    数字电路或系统往往是由多片逻辑门电路构成，它们由一公共的直流电源供电。由于电源是非理想的，一般是由整流稳压电路供电，具有一定的内阻抗。当数字电路运行时，产生较大的脉冲电流或尖峰电流，当它们流经公共的内阻抗时，必将产生相互的影响，甚至使逻辑功能发生紊乱。一种常用的处理方法是采用去耦合滤波器，通常是用10～100μF的大电容器与直流电源并联以滤除不需的频率成分。除此之外，对于每一集成芯片还加接0.1μF的电容器以滤除开关噪声。
    3.接地和安装工艺
    正确的接地技术对于降低电路噪声是很重要的。这方面可将电源地与信号地分开，先将信号地汇集在一点，然后将二者用最短的导线连在一起，以避免含有多种脉冲波形（含尖峰电流）的大电流引到某数字器件的输入端而导致系统正常的逻辑功能失效。此外，当系统中兼有模拟和数字两种器件时，同样需将二者的地分开，然后再选用一个合适共同点接地，以免除二者之间的影响。必要时，也可设计模拟和数字两块电路板，各备直流电源，然后将二者恰当的地连接在一起。在印刷电路板的设计或安装中，要注意连线尽可能短，以减少接线电容而导致寄生反馈有可能引起寄生振荡。此外，CMOS器件在使用和储藏过程中要注意静电感应导致损伤的问题。静电屏蔽是常用的防护措施。

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