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數(shù)字電路可控門(mén)電路原理(三態(tài)/同相/反相、緩沖/驅(qū)動(dòng)電路)


  說(shuō)明:我將數(shù)字電路分成普通門(mén)、可控門(mén)和記憶門(mén)三大類(lèi)別。


  普通門(mén)電路,對(duì)輸入信號(hào)是被動(dòng)傳輸?shù)?。而可控門(mén)電路,則有一定的主動(dòng)權(quán),輸入信號(hào)到了“門(mén)口”,是放行(正常傳輸),還是阻止(處于阻斷狀態(tài)),則由開(kāi)、關(guān)門(mén)控制信號(hào)說(shuō)了算。說(shuō)白了,這種可控門(mén),起碼有兩種狀態(tài),“開(kāi)門(mén)”和“關(guān)門(mén)”狀態(tài)。相對(duì)于普通門(mén),多一個(gè)“關(guān)門(mén)”狀態(tài)。


  對(duì)此種數(shù)字電路的定義概念較多,如題目括號(hào)中所示。其輸出級(jí)電路具三態(tài)特性。何謂三態(tài)?需從數(shù)字電路芯片的輸出級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)談起。


圖1-1 數(shù)字門(mén)電路輸出級(jí)的三種結(jié)構(gòu)形式


  普通數(shù)字門(mén)電路的輸出級(jí)電路,常用a電路形式,因內(nèi)部Q1、Q2僅工作于飽和和截止兩種工作狀態(tài),電路實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于一刀兩擲的高、低電平切換開(kāi)關(guān),要求接通電阻越小越好(傳輸電壓信號(hào)時(shí)可忽略接通電阻/電壓降),無(wú)論輸出高、低電平,均為低阻狀態(tài)。


  b電路形式(開(kāi)路集成極輸出),稱(chēng)為高電壓大電流器件,具備一定的功率驅(qū)動(dòng)能力,如可以直接驅(qū)動(dòng)繼電器,典型器件如ULN2003A等,而外部負(fù)載電源可以另供為高電壓(如24V或48V),以適應(yīng)負(fù)載電源電壓要求。


  c電路形式,則除了高、低電平的低阻狀態(tài),還存在第三種狀態(tài):高阻態(tài)。如圖1-2所示。


圖1-2 三態(tài)式輸出級(jí)的三種工作狀態(tài)


  其輸出級(jí)Q1、Q2基極輸入的是兩路獨(dú)立電平信號(hào):


  a態(tài):當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí),相當(dāng)于輸出端與+5V接通,輸出為高電平(低阻態(tài)1);b態(tài):Q2導(dǎo)通時(shí),輸出端相當(dāng)于與供電地接通,輸出為低電平(低阻態(tài)2);c態(tài):當(dāng)控制信號(hào)俱為0時(shí),Q1、Q2均處于截止?fàn)顟B(tài),此時(shí)OUT輸出端相當(dāng)于“懸空”——高阻態(tài)(與內(nèi)部電路失掉聯(lián)系)。有兩個(gè)問(wèn)題:


  1、處于高阻狀態(tài)時(shí),檢測(cè)OUT端應(yīng)該為什么電平?高阻態(tài)有何意義?


  這與電路設(shè)計(jì)者的考慮——后級(jí)電路的輸入要求相關(guān)。處于高阻態(tài)時(shí),其輸出電壓狀態(tài)的高、低完全由設(shè)計(jì)者決定——由接入偏置(上拉、或上拉電阻)電路來(lái)決定之。


圖1-3 三態(tài)式輸出級(jí)的三種工作狀態(tài)


  a電路,在高阻態(tài)其輸出端取決于R1電路形式,為5V高電平。此高電平內(nèi)部電路無(wú)關(guān);b電路,在高阻態(tài)則由R2的下拉作用,使輸出端為低電平,同樣與輸出級(jí)電路無(wú)關(guān);c電路,為一個(gè)偏置電路實(shí)例,當(dāng)電路設(shè)計(jì)要求在靜態(tài)時(shí),光電耦合器PC1處于截止?fàn)顟B(tài),電路的安全性能更有保障時(shí),接入R1上接電阻,使電路靜態(tài)時(shí),PC1無(wú)導(dǎo)通條件,顯然更為合理和可靠。


  因而電路的第三態(tài)——高阻態(tài)的出現(xiàn),其意義如下:


  1)可由設(shè)計(jì)者任意決定輸出的高、低電平狀態(tài)(與輸出信號(hào)無(wú)關(guān));


  2)當(dāng)多組器件輸出端需要并聯(lián)(如信號(hào)總線(xiàn)模式)時(shí),只有“需要?jiǎng)幼鳌钡钠骷ぷ髂J綖楦?、低電平(指低阻)態(tài),而“閑置”電路,則處于高阻態(tài),從而不會(huì)影響總線(xiàn)電平,不會(huì)影響有用信號(hào)。


  2、什么情況下輸出端會(huì)進(jìn)入高阻態(tài)?三態(tài)門(mén)與普通門(mén)的區(qū)別?


  以74HC240電路(八反相緩沖器/線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器/線(xiàn)接收器)為例加以說(shuō)明。


圖1-4 三態(tài)式輸出級(jí)的三種工作狀態(tài)


  從上圖可看出,芯片內(nèi)含8路反相器電路,與普通反相器電路相比較,每路反相器除輸入、輸出端外,多出一個(gè)OE控制端。當(dāng)OE端為低電平時(shí),電路處于“開(kāi)門(mén)”即通態(tài),相當(dāng)于普通反相器的功能;當(dāng)OE端為高電平時(shí),傳輸狀態(tài)被阻斷,輸出端處于高阻狀態(tài)。


  顯然,與普通門(mén)電路相比,可控門(mén)(為反相器或同相器)電路,多出一個(gè)OE控制端——“開(kāi)、關(guān)門(mén)”信號(hào)輸入端。信號(hào)的傳輸不但與輸入信號(hào)狀態(tài)相關(guān),而且與OE控制端的狀態(tài)相關(guān)。


  以74HC240為例,當(dāng)信號(hào)傳輸異常時(shí),對(duì)可控門(mén)的故障檢修需注意:


  輸入信號(hào)無(wú),查前級(jí)電路;


  控制端是否有“關(guān)門(mén)”信號(hào)存在,即1、19腳是否變?yōu)楦唠娖??是,查OE端控制信號(hào)來(lái)源;


  芯片本身?yè)p壞。當(dāng)輸入信號(hào)與控制端電平狀態(tài)都正常時(shí),落實(shí)至芯片本身。


  常見(jiàn)三態(tài)同相/反相可控門(mén)電路型號(hào)為74HC240(八反相可控門(mén))、74HC244(八同相可控門(mén))、74HC365(六同相可控門(mén))、75HC366(六反相可控門(mén))。以74HC240為例:該器件斜對(duì)角10、20腳為電源引腳,除信號(hào)輸入、輸出引腳外,尚有兩個(gè)OE控制端(1、19腳),每個(gè)OE端分別控制四路反相器電路的開(kāi)、關(guān)門(mén)。


  通常,普通門(mén)與三態(tài)門(mén)為基本邏輯電路,在些基礎(chǔ)上,將普通門(mén)電路進(jìn)行有序搭接,可組成復(fù)雜的組合型邏輯電路。近年來(lái),MCU、DSP、PIC和JTAG等器件技術(shù)的完善,在一定程度上取代了組合邏輯電路(完成同一邏輯功能,采用MCU更為簡(jiǎn)潔,用軟件方法即可完成——用程序行來(lái)代替了大片的硬件數(shù)字信號(hào)處理電路)。



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