1、關于數字邏輯門電路平均傳輸延遲時間的實驗測量胥 學 金 （西南科技大學電工電子中心 中國綿陽 621010）摘 要 本文在數字電子技術基礎普通實驗技術條件下，給出了幾種門電路平均延遲時間實驗測量方法，以便于大家實驗時選用。關鍵詞 邏輯門電路 平均傳輸延遲時間 實驗測量方法1引 言 在數字技術中，關于邏輯門電路參數的測試，對掌握電氣特性和應用非常重要。特別是門電路平均傳輸延遲時間的測量。現就門電路平均延遲時間（tpd）的定義和有關實驗測試方法總結如下，以供實驗者在做實驗時選用和參考。2 tpd的定義現以二輸入與非門為例，說明門電路平均延遲時間tpd的定義。TTL與非門傳輸延遲時間tpd ，當與非

2、門輸入一個脈沖波形時，其輸出波形有一定的延遲，如圖1所示。定義了以下兩個延遲時間： 導通延遲時間tPHL從輸入波形上升沿的中點到輸出波形下降沿的中點所經歷的時間。 截止延遲時間tPLH從輸入波形下降沿的中點到輸出波形上升沿的中點所經歷的時間。 uiuo1 圖1 TTL與非門的傳輸時間由于導通延遲時間與截止延遲時間一般不等，所以與非門的傳輸延遲時間tpd是tPHL和tPLH的平均值。即定義為： 。（1） 一般TTL與非門傳輸延遲時間tpd的值約為幾納秒十幾個納秒。3 定義法1對 tpd的實驗測量在實驗測量時，選用CD4069（六反相器）、TTL74LS00（4-2輸入與非門），或74HC08（4

3、-2輸入與門）等芯片，在含有上述芯片的面包板或實驗板上，給芯片加載5伏直流電源，用EE1641B函數發生器的TTL 輸出端，輸出4伏/200KHZ方波，作為門電路的輸入信號，然后用VP-5220D型雙蹤示波器，雙通道校準后，同時測試芯片上某個門電路的輸入/輸出端信號波形。實驗原理電路如圖2所示。1uouiui1uouououi11ui圖2.2 74LS00圖2.1 CD4069圖2.3 74HC08圖2 定義法測tpd實驗原理圖注意，示波器靈敏度打到1V/DIV，掃描時間用uS/DIV并用X10擴展與之配合；示波器信號可選用DC耦合。測試過程中，讓輸入/輸出信號波形的上、下幅度，分別關于X標尺

4、對稱，并重合，顯示邊緣清晰，然后在X標尺上讀出前、后延遲時間，代入（1）式計算tpd，并填于表1.中，比較異同。 表1.芯 片CD406974LS0074HC08備 注手冊tpd參數(ns)451010測試tpd參數(ns)1002022誤 差551012從表1中可看出:（1）實驗測試tpd參數與手冊tpd參數有誤差，這里忽略示波器固有延遲時間，但測試數據與手冊數據變化趨勢一致，說明測試方法正確、結果可信。（2）測試結果表明，不同門電路芯片tpd不同，CMOS比TTL大。4. 振蕩法2的實驗測量用74LS00上3/4個門（或3個以上的奇數個門）接成3級環型振蕩器，如圖3所示。uoCH1圖3振蕩

5、法測tpd實驗原理圖上電后，用VP-5220D型雙蹤示波器，單通道校準后，掃描時間用uS/DIV并用X10擴展，對地測試某個門輸出端信號波形，該波形為自激振蕩正弦波，靠擾動起振。讀出正弦波周期T，然后用下式（2）計算tpd，為5.3ns量級(級聯法為13ns)。計算公式:tpd = T/2n（2） 其中，T 為周期,n=3（環型振蕩器上門的個數）。5 級聯法3的實驗測量用CD4069上的5/6個門（也可以用6個，主要是增加延遲時間以利于測量）串聯起來，接成如下級聯實驗電路，如圖4示。uiuoCH2CH1圖4級聯法測tpd實驗原理圖 上電后，用EE1641B函數發生器的TTL 輸出端，輸出200

6、KHZ以上標準幅度方波，作為門電路的輸入信號ui，用VP-5220D型雙蹤示波器，如定義法一樣，用雙通道測量級聯門電路的輸入/輸出端信號uo波形，讀出前、后延遲時間，代入下式（3）計算tpd，并填入下表中。 Tpd = 1/2 n *（tlh+thl）.（3），其中，n=5（級聯門的個數）。 表2.芯 片CD4069n=5n=3備 注級聯法tpd參數(ns)3448振蕩法tpd參數(ns)4250誤 差(ns)82然后，撤除門電路輸入端上信號和示波器輸入通道，把級聯門電路的輸出端與輸入端首尾相聯，構成5級環型振蕩器，如圖5所示。并振蕩法測算tpd=T/2n，其中n=5（串聯門的個數）。填于表2

7、.中，并與級聯法tpd比較。從表2中可看出，即使相同芯片的門電路，tpd不同測試方法間存在有一定的誤差，但結果都在幾個ns量級。 CH1 uiuo圖5環型振蕩器6. 尖峰法3及其測試在邏輯電路，特別是在組合電路中，由競爭引起的冒險要出現尖峰脈沖干擾現象（俗稱毛刺）。它的產生原因 4 有三:(1)信號在傳輸線路上的延遲時間,或不能同時到達;(2)信號在芯片上通過有關門電路的傳輸延遲;(3)信號的上沿升和下降沿時間不為零.等引起競爭，進而可能產生冒險現象。若不考濾(1)、(3)和輸出級的延遲，而主要考濾有關組合門電路的延遲時間，或門電路的延遲時間占主要矛盾時（在某些頻率不高的電路中是客觀存在的），

8、引起組合電路的競爭與冒險原因，主要就是tpd。因此，若能測量尖峰脈寬的量級，就是tpd的量級。于是可構造尖峰產生電路，既可觀察競爭與冒險，又能測量尖峰脈寬，還能得到tpd的數量級。實驗原理如圖6所示。其中,圖 6.1、6.2、 6.3，是用CD4069分別與TTL74LS00、74HC08和74LS 86（4-2輸入異或門）構造的. 表3. 芯 片CD406974LS0074HC0874LS 86備 注尖峰法測試tpd參數(ns)262422 圖 6.1在Cp為200KHZ下, 用示波器測得“0”型輸出uo尖峰脈寬為26ns.11111uocpCH2CH1圖 6.1 “0”型尖峰產生電路圖 6

9、.2在Cp為200KHZ下, 用示波器測得“1”型輸出uo尖峰脈寬為24ns.CH111111uocpCH2 圖 6.2 “1” 型尖峰產生電路圖 6.3在Cp為200KHZ下, 用示波器測得“1”型輸出uo尖峰脈寬為22ns. 11=1uoc pCH1CH2 圖 6.3“1”型尖峰產生電路7. 結 語 以上是我們在數字電子技術基礎實驗中，用雙蹤示波器測量邏輯門電路平均傳輸延遲時間tpd的4種方法，其中,定義法概念清楚，容易理解;振蕩法和級聯法簡單,易于測量;尖峰法在一定條件下成立,誤差較大.感興趣讀者,可以一試. 以上方法僅供實驗者參考,欠妥之處,望同仁批評指正.參 考 書 1 數字邏輯及數字集成電路 ,王爾乾等,清華版,1998.2 電子技術基礎實驗 (2版)