CMOS門電路的特殊用法3~4(新)

數(shù)字化測(cè)量技術(shù)信息學(xué)院電子工程系數(shù)字化測(cè)量技術(shù)省級(jí)精品課

第二章CMOS門電路的特殊應(yīng)用數(shù)字化測(cè)量技術(shù)第二章CMOS門電路的特殊應(yīng)用第一節(jié)

方波發(fā)生器第二節(jié)

占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生器第三節(jié)

石英晶體振蕩器及秒基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器第四節(jié)

CMOS門電路的使用技巧第三節(jié)

石英晶體振蕩器及秒基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器一、石英晶體振蕩器二、幾種秒基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器1.由CD4060構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器2.由石英鐘表集成電路構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器3.由電波表構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器一、石英晶體振蕩器L1等效電感：晶體的質(zhì)量慣性，約為0.001～150000H。C0為分布電容：引出電極形成的，約1～30pF。C1是動(dòng)態(tài)電容：晶體的質(zhì)量慣性行程，約為（5～20×10－3）pF。R1等效串聯(lián)電阻：因振動(dòng)摩擦造成的損耗，約幾歐至幾十千歐。

石英晶體是將天然或人造的石英單晶（即水晶）沿一定方向切割后制成的，它具有壓電效應(yīng)，加電壓后能產(chǎn)生穩(wěn)定度極高的晶振頻率。圖2-3-1石英晶體的工作原理a）符號(hào)

b）等效電路

c）阻抗-頻率特性燧石取火交變電場(chǎng)機(jī)械振動(dòng)

壓電效應(yīng)

一、石英晶體振蕩器其中XLXC分別是感抗和容抗串聯(lián)諧振頻率：fs

電導(dǎo)(realpartoftheadmittance)最大時(shí)的頻率。

并聯(lián)諧振頻率：fp

是阻抗(realpartoftheelectricinputimpedance)最大時(shí)的頻率。負(fù)載電容：CL

(LoadCapacitance)從石英晶體兩個(gè)端子看向振蕩線路所遭遇到的所有電容值。負(fù)載電容在線路上可以與石英晶體共振子以并聯(lián)或以串聯(lián)的方示連接。

以并聯(lián)方式連接的振蕩線路中,負(fù)載電容(CL)的大小會(huì)影響諧振頻率的特性。

這種負(fù)載電容并聯(lián)線路的諧振頻率以fL

表示:等效阻抗一、石英晶體振蕩器j是虛數(shù)單位，等于-1的平方根。一、石英晶體振蕩器

典型的晶振電路如圖，包括石英晶體A，反相器D1和D2、偏置電阻Rf，振蕩電容C1、C2。C2為頻率微調(diào)電容。D1與Rf組成反相放大器，利用Rf可將D1偏置在線性放大區(qū)，Rf一般取5.1～30MΩ，典型值為10MΩ。圖2-3-2典型的晶振電路石英晶體在并聯(lián)諧振時(shí)呈感性，其等效電感L0與電容器C1、C2構(gòu)成正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)。該電路屬于柯爾皮茲式（即電容三點(diǎn)式）振蕩器，調(diào)整C2可使振蕩頻率達(dá)到標(biāo)稱值。一、石英晶體振蕩器

工作原理---門電路組成反相放大器門電路近似于對(duì)UTH的比較運(yùn)算器負(fù)反饋時(shí)，可以等效于右電路RI是門電路的輸入阻抗

CMOS輸入阻抗很高，所以直流增益≈1,Rf越大增益越高。交流增益>>1。取決于信號(hào)頻率和C值。D1與Rf組成反相放大器，利用Rf可將D1偏置在線性放大區(qū)，Rf一般取5.1～30MΩ，典型值為10MΩ。一、石英晶體振蕩器

工作原理---振蕩過程擾動(dòng)形成D1反相器，由Rf形成負(fù)反饋，直流工作點(diǎn)處于電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)穩(wěn)態(tài)1如正向擾動(dòng)IL正向UC1↑UI↑UO↓IL正向不能突變繼續(xù)向C充電穩(wěn)態(tài)2

電感電流逐漸減小并轉(zhuǎn)入負(fù)向，電容放電，當(dāng)UC低于UTH時(shí)UO翻轉(zhuǎn)。

IL負(fù)向UC1↑UI↓UO↑IL負(fù)向不能突變繼續(xù)向C放電周而復(fù)始電感電流逐漸減小并轉(zhuǎn)入正向，電容開始沖電，當(dāng)UC高于UTH時(shí)UO翻轉(zhuǎn)，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)1。石英晶體并聯(lián)諧振時(shí)呈感性，等效電路如圖一、石英晶體振蕩器

工作原理---晶振選頻放大放大增益

石英晶體與反饋電阻并聯(lián)，作為反饋，石英晶體的阻抗影響放大增益。選頻放大振蕩頻率為非諧振頻率時(shí)，晶振阻抗低，放大增益小，≈1。振蕩頻率為諧振頻率時(shí)，晶振阻抗極大，放大增益大，>>1。諧振頻率C1、

C2為負(fù)載電容CL，會(huì)影響諧振頻率的特性，把通電干擾雜波中與諧振頻率相同的信號(hào)選出來，進(jìn)行反饋和放大，直至形成振蕩。C2采用瓷介半可調(diào)電容，C1宜選溫度穩(wěn)定性好的云母電容。石英晶體在反饋輸入輸出，等效反饋。一、石英晶體振蕩器反相器D2的作用：第一，起放大整形作用，把晶振電路輸出的近似正弦波信號(hào)變成沿口陡峭的矩形波，滿足數(shù)字電路的需要；第二，起隔離作用，提高晶振電路帶負(fù)載的能力。校準(zhǔn)晶振頻率時(shí)應(yīng)把標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字頻率計(jì)接到D2的輸出端，一邊微調(diào)C2，一邊監(jiān)視晶振頻率，直到調(diào)成標(biāo)稱值f，還可以接示波器來觀察晶振輸出波形。倘若把儀器接到Dl輸出端，就可能改變晶振頻率及波形，甚至造成停振。二、幾種秒基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器許多數(shù)字儀器儀表，例如頻率計(jì)、轉(zhuǎn)速儀、流量?jī)x、油耗儀以及時(shí)間控制器，都需要秒基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器。對(duì)秒基準(zhǔn)信號(hào)的基本要求：“穩(wěn)”——是指頻率穩(wěn)定度高；“準(zhǔn)”——是指頻率準(zhǔn)確度高；“簡(jiǎn)”——是電路簡(jiǎn)單；“廉”——是成本低廉，易于推廣。第三節(jié)

石英晶體振蕩器及秒基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器一、石英晶體振蕩器二、幾種秒基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器1.由CD4060構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器2.由石英鐘表集成電路構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器3.由電波表構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器1.由CD4060構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器CD4060是14位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)/分頻器，采用DIP-16封裝，它內(nèi)部有14級(jí)二分頻器，但輸出端只有10個(gè)：Q4～Q10、Ql2～Q14。Q1～Q3以及Q11并未引出。CPI、CPO分別為時(shí)鐘輸入、輸出端。

CPO#為時(shí)鐘反相輸出端。石英晶體接在CPI與

CPO#之間。CPO端可接標(biāo)準(zhǔn)頻率計(jì)或示波器，來校準(zhǔn)晶振頻率或觀察波形。Cr為復(fù)位端，Cr＝1時(shí)停振。

圖2-3-3CD4060的引腳排列及典型應(yīng)用電路a）引腳排列

b）典型應(yīng)用電路1.由CD4060構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器CD4060只能得到10種分頻系數(shù)，最小為16分頻，最大為16384分頻。因此，CD4060適配16384Hz的石英晶體，從Ql4端輸出周期為1s的基準(zhǔn)信號(hào)。鑒于國內(nèi)常見的石英晶體為32768Hz（即215Hz），欲獲得秒信號(hào)還必須外接一級(jí)二分頻器，把CD4060輸出的2Hz信號(hào)變成秒信號(hào)。外接的二分頻器可選D觸發(fā)器CD4013或JK觸發(fā)器CD4027（現(xiàn)僅用其中一半）。1.由CD4060構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器幾點(diǎn)說明：第一，復(fù)位端Cr應(yīng)固定接低電平USS，否則輸出呈全零狀態(tài)；第二，CD4060是用脈沖下降沿來計(jì)數(shù)的；第三，利用片內(nèi)反相器D1、D2亦可接成兩級(jí)反相式阻容振蕩器；還可由CPI端輸入外時(shí)鐘信號(hào)，此時(shí)CPO和CPO#端懸空；第四，欲獲得脈寬為1s的頻率計(jì)采樣信號(hào)，需再增加一級(jí)二分頻器。第三節(jié)

石英晶體振蕩器及秒基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器一、石英晶體振蕩器二、幾種秒基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器1.由CD4060構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器2.由石英鐘表集成電路構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器3.由電波表構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器2.由石英鐘表集成電路構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器5G5544的電源電壓典型值為＋1.5V，工作電流僅2μA。使用一節(jié)5號(hào)電池可連續(xù)工作一年以上。頻率穩(wěn)定度可達(dá)5×10－7，年計(jì)時(shí)誤差約為幾十秒。OSCI、OSCO分別為振蕩器輸入、輸出端。ALI、ALO依次為鬧鐘信號(hào)輸入端（簡(jiǎn)稱“鬧入”端）、輸出端。OUT1和OUT2是步進(jìn)電機(jī)的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)端。主要包括三部分：①15級(jí)二分頻器，用于產(chǎn)生秒信號(hào)；②鬧鈴信號(hào)報(bào)時(shí)用的組脈沖發(fā)生器；③步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖輸出電路。

圖2-3-45G5544的引腳排列及內(nèi)部框圖5G5544是國產(chǎn)石英鐘表集成電路。它是由低壓CMOS工藝制成的，功耗極微。輸出端能直接驅(qū)動(dòng)永磁式步進(jìn)電機(jī)，再配以齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和表針，制成石英鐘。2.由石英鐘表集成電路構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器鬧鈴信號(hào)周期為1s，每次輸出脈沖時(shí)間為0.5s，調(diào)制頻率是2048Hz。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖的周期是2s，脈寬為31.25ms，能精確地控制步進(jìn)電機(jī)每秒鐘推動(dòng)一次機(jī)械齒輪。

圖2-3-55G5544的時(shí)序波形音頻2.由石英鐘表集成電路構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器采用32768Hz石英晶體，C是頻率微調(diào)電容，用來校準(zhǔn)時(shí)間。5G5544的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出級(jí)采用漏極開路的N溝道MOS管，需外接PNP晶體管進(jìn)行功率放大。圖中的3CG21型PNP管還具有反相作用，將負(fù)脈沖變成正脈沖。雖然從OUT1和OUT2輸出端產(chǎn)生的是周期為2s的信號(hào)，但二者是交替產(chǎn)生的，將兩個(gè)信號(hào)合成后才是秒信號(hào)。VD1、VD2和3CG21就等效于二輸入端與非門。

圖2-3-6由5G5544構(gòu)成的秒信號(hào)發(fā)生器電路S為鬧時(shí)開關(guān)，用來“定鬧”。S閉合時(shí)，當(dāng)鐘表時(shí)間與定鬧時(shí)間一致時(shí)，從ALO端輸出的鬧鈴脈沖經(jīng)過VT2（3DG6）驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷蜂鳴器BZ發(fā)聲。

2.由石英鐘表集成電路構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器兩點(diǎn)說明：第一，該電路輸出秒信號(hào)幅度約1.5V，欲配CMOS/TTL電路，應(yīng)加一級(jí)電平轉(zhuǎn)換器；第二，為提高計(jì)時(shí)準(zhǔn)確度，還可采用國產(chǎn)LH5512F（國外型號(hào)為STP5512F）型高頻石英鐘集成電路，它采用4.194304MHz（即223Hz）高頻石英晶體，經(jīng)23級(jí)二分頻后獲得秒信號(hào)。因此，即使存在0.2Hz的頻率偏差，秒信號(hào)準(zhǔn)確度也比32768Hz石英晶體高幾十倍，年誤差可低至幾秒。第三節(jié)

石英晶體振蕩器及秒基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器一、石英晶體振蕩器二、幾種秒基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器1.由CD4060構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器2.由石英鐘表集成電路構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器3.由電波表構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器3.由電波表構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器電波表亦稱為無線控制計(jì)時(shí)鐘表(Radiocontrolledtimepieces)。2003年9月5日，我國第一塊電波表已經(jīng)面世，使我國成為繼美國、德國、英國、日本之后世界上第5個(gè)擁有該項(xiàng)技術(shù)并實(shí)現(xiàn)商品化的國家。電波表是時(shí)頻技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)鐘表技術(shù)的結(jié)晶，它具有精確計(jì)時(shí)（與國家授時(shí)臺(tái)嚴(yán)格保持同步）、自動(dòng)調(diào)時(shí)、無積累誤差這三大優(yōu)點(diǎn)。是人類計(jì)時(shí)技術(shù)發(fā)展歷程中繼沙漏、日晷、機(jī)械鐘表和石英鐘表之后的第五代計(jì)時(shí)工具。由于采用了自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)，因此30萬年內(nèi)的計(jì)時(shí)誤差不超過1s。3.由電波表構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器工作原理：首先由授時(shí)臺(tái)將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)進(jìn)行編碼，利用低頻（20kHz～80kHz）載波方式將時(shí)間信號(hào)以無線電長波發(fā)射出去。電波表再通過內(nèi)置微型無線電接收系統(tǒng)接收被電離層反射回來的時(shí)碼信號(hào)，由內(nèi)部微處理器進(jìn)行解調(diào)，再經(jīng)過控制機(jī)構(gòu)自動(dòng)調(diào)節(jié)鐘表的計(jì)時(shí)。第二章CMOS門電路的特殊應(yīng)用第一節(jié)

方波發(fā)生器第二節(jié)

占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生器第三節(jié)

石英晶體振蕩器及秒基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器第四節(jié)

CMOS門電路的使用技巧第四節(jié)CMOS門電路的使用技巧一、電壓放大器二、門控振蕩器三、聲光報(bào)警電路四、開機(jī)自動(dòng)復(fù)位電路五、負(fù)電源發(fā)生器一、電壓放大器

在反相器輸入、輸出端之間并聯(lián)一只10MΩ左右的負(fù)反饋電阻Rf，即可將反相器的工作點(diǎn)偏置在放大區(qū)。b圖中0A為負(fù)載線，電壓轉(zhuǎn)移特性曲線與0A的交點(diǎn)即為靜態(tài)工作點(diǎn)Q。Q點(diǎn)必定位于線性放大區(qū)的中點(diǎn)。由此可構(gòu)成電壓放大器，其放大倍數(shù)KV≈－20倍。圖2-4-1由CMOS反相器構(gòu)成電壓放大器的工作原理a）電路b）靜態(tài)工作點(diǎn)c）波形

一、電壓放大器

R1為輸入端限流電阻，C1是高頻濾波電容。VD1和VD2是雙向限幅二極管，起過壓保護(hù)作用。C2、C3為交流耦合電容。KU≈（－20）×（－20）＝400倍。圖2-4-2交流電壓放大器電路第四節(jié)CMOS門電路的使用技巧一、電壓放大器二、門控振蕩器三、聲光報(bào)警電路四、開機(jī)自動(dòng)復(fù)位電路五、負(fù)電源發(fā)生器二、門控振蕩器圖2-4-3門控振蕩器的典型電路基于二級(jí)反相阻容振蕩器圖2-4-4蜂鳴器電路基于三級(jí)反相阻容振蕩器通過改變控制門輸入端的電平，來決定振蕩器的工作狀態(tài)（起振或停振）當(dāng)控制端電壓UC＝1（高電平）時(shí)D1被打開，電路起振；第四節(jié)CMOS門電路的使用技巧一、電壓放大器二、門控振蕩器三、聲光報(bào)警電路四、開機(jī)自動(dòng)復(fù)位電路五、負(fù)電源發(fā)生器三、聲光報(bào)警電路

實(shí)驗(yàn)表明，在用聲音或燈光報(bào)警時(shí)，持續(xù)不斷的聲響或常亮的燈光往往不容易引起人們的警覺，只有斷續(xù)的聲音或閃爍的燈光，才能取得最佳報(bào)警效果。由與非門CD4011構(gòu)成兩級(jí)門控振蕩器。其中，D1和D2組成低頻振蕩器，振蕩頻率f1≈1Hz，周期約1s。D3和D4組成音頻振蕩器，振蕩頻率f2≈1kHz。圖2-4-5由門控振蕩器組成的聲光報(bào)警電路三、聲光報(bào)警電路

僅當(dāng)UC端接高電平信號(hào)時(shí)電路才起振，BO端交替輸出的高、低電平經(jīng)過VT1，使發(fā)光二極管LED閃爍發(fā)光，閃光周期是1s。僅當(dāng)BO＝1時(shí)，第二級(jí)振蕩器才起振，通過達(dá)林頓管VT2、VT3及輸出變壓器T，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器BL發(fā)出斷續(xù)的“嘀、嘀、…”報(bào)警聲。圖2-4-6聲光報(bào)警電路的各級(jí)振蕩波形第四節(jié)CMOS門電路的使用技巧一、電壓放大器二、門控振蕩器三、聲光報(bào)警電路四、開機(jī)自動(dòng)復(fù)位電路五、負(fù)電源發(fā)生器四、開機(jī)自動(dòng)復(fù)位電路

開機(jī)后產(chǎn)生UDD。由于C1兩端壓降不能突變，使UC點(diǎn)呈高電平，經(jīng)反相器D1、D2整形，再經(jīng)過C2、R2微分，產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。然后正電源沿UDD→C1→R1→USS的途徑給C1充電，使UC迅速下降，當(dāng)UC低于D1的開啟電壓時(shí)，D1輸出高電平，從而使D2輸出低電平，并一直維持低電平。關(guān)機(jī)后S1-2撥至a，將C1上的電荷迅速泄放掉，保證再次開機(jī)時(shí)仍能產(chǎn)生復(fù)位脈沖。D1和D2起到放大整形作用，防抖動(dòng)干擾