數(shù)字集成電路的輸入方式

1、主講人： 樓天良 副教授數(shù)字集成電路的輸入方式數(shù)字集成電路的輸入方式數(shù)字集成電路的輸入方式n一、實(shí)訓(xùn)目的n通過本實(shí)訓(xùn)能使同學(xué)掌握各種方式的輸入連接及應(yīng)用場合，鞏固對數(shù)字集成電路輸入?yún)?shù)的理解，使同學(xué)們能在今后的實(shí)踐中靈活引用。二、實(shí)訓(xùn)要求n掌握開關(guān)輸入方式n掌握開關(guān)晶體管輸入方式n了解光電耦合輸入方式n掌握施密特觸發(fā)器輸入方式n了解輸入端保護(hù)三、實(shí)訓(xùn)原理數(shù)字電路應(yīng)用實(shí)例（一）數(shù)字電路應(yīng)用實(shí)例（二）說明：n在這二個(gè)實(shí)例中，除數(shù)字集成電路外，還有眾多的外圍電路，這包括輸入電路和輸出電路，有了這些電路，數(shù)字集成電路才能發(fā)揮應(yīng)有的作用，今天就介紹輸入電路部分實(shí)訓(xùn)原理：n理論上數(shù)字電路的邏輯 “0”、“

2、1”所對應(yīng)的電平分別為：0V 和+5V。但實(shí)際輸入不可能為這樣理想的電平，也沒有這樣的必要。n實(shí)際的數(shù)字電路請查閱有關(guān)集成電路手冊，現(xiàn)以74LS00為例，加以說明，有幾個(gè)參數(shù)對我們連接十分重要。74LS00的技術(shù)參數(shù)表推薦工作條件 符號(hào) 參 數(shù)最小正常最大最小正常最大單 位 VCC工作電壓4.555.54.7555.25VVIH高電平輸人電壓22VVIL 低電平輸入電壓0.70.8V IOH高電平輸出電流-0.4-0.4mAIOL 低電平輸出電流48mATA自然通風(fēng)時(shí)工作溫度-55125070 DM54LS00 DM74LS00電氣特性：n滿足自然通風(fēng)時(shí)的工作溫度范圍符號(hào)參 數(shù)最小值典型值(注

3、1)最大值單位VI輸入鉗位電壓-1.5VVcc最小，IOH最大，DM542.53.4 VIL最大DM742.73.4VVcc最小， IOL最大，DM540.250.4VIH最小DM740.350.510L4mA，Vcc最小DM740.250.4II最大輸入電壓時(shí)的輸入電流0.1mAIIH高電平輸入電流20uA Vcc最小，II-18mA條件V Vcc最大，VI7V Vcc最大，VI27VVOHVOL高電平輸出電壓低電平輸出電壓電氣特性：n滿足自然通風(fēng)時(shí)的工作溫度范圍符號(hào)參 數(shù)最小值典型值(注1)最大值單位IIL低電平輸人電流-0.34 mADM54-20-100 mAIOS短路輸出電流Vcc最

4、大(注2)DM74-20-100 mAICCH高電平輸出工作電流0.81.6 mAICCL低電平輸出工作電流2.44.4 mAVcc最大Vcc最大Vcc最大，VI04V條件動(dòng)態(tài)特性：Vcc=5V,TA=25oC最小 最大 最小 最大TPLH低電平到高電子延遲時(shí)間310415nSTPHL高電平到低電乎延遲時(shí)間310415nS單 位CL15pFRL2kn 符號(hào) 參 數(shù)CL50pFn輸入電壓必須滿足電壓參數(shù)和的要求，也就是說，輸入為“0”時(shí)，電壓應(yīng)當(dāng)在0.8V與地電位之間，輸入為“1”時(shí)，電壓應(yīng)當(dāng)在2V和電源電壓之間，否則數(shù)字集成電路的工作就會(huì)出現(xiàn)異常，由于輸入電路內(nèi)部均含有一定的電阻，且輸入電流不

5、能為零，由于電阻上的壓降，實(shí)際到達(dá)數(shù)字電路輸入端的電壓不一定能滿足要求，一定在注意輸入電路電阻對電路的影響。輸入信號(hào)的要求主要是：一、機(jī)械開關(guān)輸入方式n通常的開頭有二種類型：n單刀雙擲n單刀單擲型，單刀雙擲開關(guān) 直接連接電源 開頭接+5V時(shí)，輸入為“1”，開頭接地時(shí)，輸入為“0”，這種接法要注意二種狀態(tài)切換時(shí)，輸入為來穩(wěn)定狀態(tài)，可能會(huì)造成許多不能預(yù)了的后果。 GNDS+5V單刀單擲（接地）n開關(guān)斷開時(shí)，電阻R將輸入端拉為高電位，輸入為“1”，而開關(guān)斷開時(shí)，輸 入 端 接 地 ， 輸 入 為“0”。 +5VGNDR當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，為保證輸入VIVIH,由于集成電路器件的IIH很小，電阻R的取值范圍

6、很大，一般TTL電路取幾千歐至幾萬歐，COMS電路取幾萬歐至數(shù)十萬歐。單刀單擲（接正電源） n開關(guān)斷開時(shí)，電阻R將輸入端電位拉為低 電 平 ， 輸 入 為“0”，反之為高電平。+5VGNDRR必須小于“關(guān)門電阻”ROFF,對于TTL器件，ROFF為700歐，而對CMOS器件，ROFF可達(dá)數(shù)十萬歐。指出開關(guān)連接的錯(cuò)誤原因指出開關(guān)連接的錯(cuò)誤原因指出開關(guān)連接的錯(cuò)誤原因指出開關(guān)連接的錯(cuò)誤原因二、撥碼開關(guān)1位撥碼開關(guān)內(nèi)部接線n撥碼開關(guān)實(shí)際上是一個(gè)4刀10擲開關(guān)，在許多控制設(shè)備中常用于設(shè)定一些具體的數(shù)值，如溫度、繞圈的匝數(shù)、速度等，使用中，操作者可根據(jù)需要來改變設(shè)定，撥碼開關(guān)分別有5根引線，分別為A、8、

7、4、2、1。其中A為公共線，而8、4、2、1分別為四個(gè)開關(guān)的引腳，按8421碼的規(guī)律與A線接通。撥碼開關(guān)接線方式之一n使用時(shí)，將撥碼開關(guān)的四個(gè)開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼，直接實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制到二進(jìn)制的轉(zhuǎn)換。三、干簧管n干簧管是一種非接觸性機(jī)械開關(guān)，觸點(diǎn)被封裝在玻璃管內(nèi)，當(dāng)磁體靠近干簧管時(shí)，管內(nèi)有二簧片被磁化，從而接通或斷開觸點(diǎn)。干簧管應(yīng)用舉例（水泵控制）n儲(chǔ)水箱內(nèi)的塑料管內(nèi)安裝兩只干簧管，塑料管外套一塊組裝在浮子內(nèi)的環(huán)型形永久磁鐵，能隨水位的高低而上下浮動(dòng)，要求設(shè)計(jì)的電路能夠在水位低于低水位時(shí)啟動(dòng)水泵供水，高于高水位時(shí)，關(guān)閉水泵，停止向水向內(nèi)供水。控制電路AB&CD&R2R1C2C1高

8、水位管低水位管水泵控制=0 水泵停機(jī)=1 水泵運(yùn)轉(zhuǎn)G1G2+5V這是一個(gè)由基本RS觸發(fā)器及外圍電路組成的自動(dòng)控制電路，干簧管應(yīng)用舉例（水泵控制）AB&CD&R2R1C2C1高水位管低水位管水泵控制=0 水泵停機(jī)=1 水泵運(yùn)轉(zhuǎn)G1G2+5V控制電路和水泵工作情況磁鐵位置觸發(fā)器G1、G2輸出水泵工作狀態(tài)水位情況低水位干簧管處1、0 工作、供水低水位高低水位之間上升1、0工作、供水水位上升高水位0、1停止工作高水位高低水位之間上升0、1停止工作水位下降n晶體管作為數(shù)字集成電路的輸入時(shí)，工作在開關(guān)狀態(tài)，分為晶體管飽和導(dǎo)通和截止情況.R1R2+5VVT90131TTL+5VR3R4VT9

9、0121TTL4、開關(guān)晶體管輸入方式NPN型晶體管n對NPN型晶體管，管子截止時(shí)，輸出為邏輯“1”狀態(tài)，管子導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓為0.3V左右，即邏輯“0”狀態(tài)，R1的阻值大小必須保證當(dāng)管子飽和時(shí)，能達(dá)到飽和狀態(tài)。R1R2+5VVT90131TTLPNP型晶體管n對PNP型晶體管，使用時(shí)的狀態(tài)與NPN型的管子情況相反，但同樣也能保證電阻R3能使管子飽和導(dǎo)通；管子截止時(shí)，R4阻值必須小于“關(guān)門電阻”，對TTL電路，一般為500歐。+5VR3R4VT90121TTL3、光電管n光電耦合器是以光為媒體傳輸電信號(hào)的一種“電-光-電”轉(zhuǎn)換隔離器件。它由發(fā)光器和光敏器件兩部分組成。把發(fā)光器件與光敏器件組裝在同

10、一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離，光線不通過外界媒體，分離型光電管n有把發(fā)光器件與光敏器件分開，光線要通過外界媒體才能到達(dá)對方。光電管的作用n不管是哪種類型，發(fā)光器件都作為輸入回路，它將電能轉(zhuǎn)換成光能，光敏器件為輸出回路，將光能再轉(zhuǎn)換成電能。實(shí)現(xiàn)了兩部分電路之間能傳遞信號(hào)但電氣上被隔離開來，從而可有效的實(shí)現(xiàn)高低電壓的分離及電氣干擾。光電耦合器的外觀n光電耦合器的外觀大多為淺黃色或白色，市面上見到淺黃色或白色封裝的集成電路幾乎都是光電耦合器。光電耦合器分類n光電耦合器中的發(fā)光器件為紅外發(fā)光二極管，而光敏器件有多種類型，根據(jù)光敏器件的不同，可分為光敏二極管型、光敏晶體管型、光敏電阻型、光控晶

11、閘管型、光敏達(dá)林頓弄等。光電耦合器的使用n使用硅光敏晶體管型光電耦合器作數(shù)字集成電路輸入時(shí)，與普通晶體管使用方法相同。光電耦合輸入的典型應(yīng)用光電耦合器的型號(hào)n（1）TLP521-1/ TLP521-2/ TLP521-4，分別是每個(gè)封裝內(nèi)包含1個(gè)、2個(gè)、4個(gè)光電耦合器，由HP公司和日本東芝公司生產(chǎn)。n（2）4N系列，如4N25、4N32等，由Motorola公司生產(chǎn)。n（3）MOC30系列，如MOC3010、MOC3021、MOC3041等，為晶閘管驅(qū)動(dòng)輸出。n（4）6N137，由HP公司生產(chǎn)，用于高速數(shù)據(jù)。TLP521-1 光電耦合器的參數(shù)正向電流反向電壓功耗擊穿電壓最大電流功耗耐壓溫度正向

12、電流正向電壓導(dǎo)通時(shí)間截止時(shí)間mAV mW V mA mWV度 mA VususTLP521-1晶體管輸出505100 5550100 2500-3010010 1.2215型號(hào)輸出方式極限參數(shù)工作參數(shù)發(fā)光器件受光器件整體發(fā)光器件延遲時(shí)間4、施密特觸發(fā)器的輸入方式n數(shù)字集成電路中各器件都工作在開關(guān)狀態(tài)，對輸入信號(hào)也要求是邏輯量狀態(tài)。但是實(shí)際的輸入信號(hào)往往并不是理想脈沖波形，甚至輸入信號(hào)是一種緩慢變化的波形。施密特觸發(fā)器n這種波形加在普通的數(shù)字集成電路的輸入端時(shí)，輸入就會(huì)有一段較長的時(shí)間處于“邏輯不明區(qū)” 。此時(shí)，本應(yīng)工作在開關(guān)狀態(tài)的器件可能會(huì)在放大狀態(tài)，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)故障施密特觸發(fā)器n

13、施密特觸發(fā)器的輸入電路是一種內(nèi)部帶有正反饋的特殊結(jié)構(gòu)，它的輸入可以不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電平，而輸出為標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電平。施密特反相器74LS14的電壓轉(zhuǎn)移特性n其邏輯功能為反器，當(dāng)輸入電壓升高，達(dá) 到 并 超 過 VT +（1.7V）時(shí)，輸出為低電平，而輸入電 壓 降 低 至 VT -（0.9V）后，輸出為高電平。而VT +-VT-=0.8V的差值稱為回差。施密特反相器應(yīng)用實(shí)例n分析電茶水爐自動(dòng)控制器溫度檢測電路n要求：自動(dòng)控制電茶水爐的加熱器，當(dāng)水燒開后（1000C）自動(dòng)停止加熱，當(dāng)溫度降到70oC以下時(shí)，自動(dòng)接通電路加熱。MF58-502-3540型熱敏電阻n使用熱敏電阻檢測水溫是較為簡單的溫度

14、檢測方式，本例采用MF58-502-3540型熱敏電阻，阻值與溫度的對應(yīng)關(guān)系如下表所示：溫度（度）010202530405060708090100阻值（k）14.257 9.2032 6.09254.1265 2.8552.0151.4481.05920.7870.5940.4545電路原理圖電路原理圖說明n輸出采用復(fù)合管驅(qū)動(dòng)微型繼電器，由于微型繼電器不能直接驅(qū)動(dòng)大功率加熱器，所以采用微型繼電器驅(qū)動(dòng)交流接觸器，由交流接觸器驅(qū)動(dòng)加熱器。5、輸入端保護(hù)措施n 在某些場合中數(shù)字集成電路的輸入電壓有可能超過允許范圍造成器件的損壞。為防止輸入電壓超出范圍，可以采用鉗位二極管保護(hù)。1+5VTTLVD1VD

15、2R輸入端的保護(hù)n當(dāng)輸入電壓高于電源電壓時(shí)，二極管VD1導(dǎo)通，使輸入端電壓鉗制在VCC+0.7V；而當(dāng)輸入電壓出現(xiàn)負(fù)值時(shí)，二極管VD2導(dǎo)通，使輸入端電壓鉗制在VCC-0.7V左右。1+5VTTLVD1VD2R輸入端的保護(hù)n圖中電阻為限流保護(hù)，阻值越大越好，但過大的阻值會(huì)產(chǎn)生較大的電壓降，影響輸入信號(hào)的電位，一般TTL電路使用100歐，CMOS電路選用1千歐。1+5VTTLVD1VD2R四、實(shí)訓(xùn)內(nèi)容1、對簡易水泵控制電路進(jìn)行進(jìn)一步分析，是否還存在不足之處，如何改進(jìn)？畫出線路圖。2、請查閱有關(guān)干簧管的型號(hào)、種類以及參數(shù)，并以表格的形式寫入實(shí)訓(xùn)報(bào)告。3、請查閱型號(hào)為4N35的管子的功能、參數(shù)及集成電路的引腳功能。實(shí)訓(xùn)內(nèi)容4、識(shí)圖訓(xùn)練，下圖為一種觸摸延時(shí)燈電路，當(dāng)人手觸摸金屬片M時(shí)燈亮，經(jīng)過一段時(shí)間后，自動(dòng)熄滅，可用于公共場所（如樓道）的照明，可根據(jù)圖說明電路工作過程，并說明如何調(diào)節(jié)才能改變燈亮的時(shí)間，并用具體的電路實(shí)施。&+5