CMOS門電路的特殊用法課件

數(shù)字化測量技術(shù)數(shù)字化測量技術(shù)省級精品課

第二章CMOS門電路的特殊應(yīng)用數(shù)字化測量技術(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)信號發(fā)生器第四節(jié)

CMOS門電路的使用技巧一、兩級反相式阻容振蕩器工作原理：是CD4069屬于CMOS六反相器，利用其中的兩級反相器（D1、D2）和R、C元件，可構(gòu)成阻容振蕩器。R1和C分別為振蕩電阻、振蕩電容。設(shè)在t＝0的時刻，電容器C開始向電阻R1放電，然后電源UDD又對C進行充電，充電途徑為UDD→R1→C→USS。于是，隨著電容器周期性的充、放電，便形成了振蕩。圖2-1-1兩級反相式阻容振蕩器a）振蕩電路

b）工作波形一、兩級反相式阻容振蕩器R2作用：偏置電阻，它不僅能穩(wěn)定工作點，消除轉(zhuǎn)移電壓UT的偏差，使UT＝UDD/2，還可影響振蕩頻率，并能改變輸出波形的占空比，使輸出占空比等于50%的方波振蕩周期與振蕩頻率的估算公式：T＝2R1Cln3≈2.2R1C

f≈

一、兩級反相式阻容振蕩器幾點說明：（1）由于COMS反相器的參數(shù)存在一定的差異，加之阻容元件也存在著誤差。因此上述公式均為估算公式。（2）該電路的最低振蕩頻率fmin為零點幾赫茲，最高振蕩頻率fmax≈2MHz。（3）在時間常數(shù)τ＝R1C為定值時，R1、C的數(shù)值可互相搭配。為提高頻率的穩(wěn)定性，避免使用體積較大的大容量電容器，R1值宜取大些，C值取小些。（4）當(dāng)R1＜100kΩ，而R2>>Rl，或R2＝Rl，或者采用3V低電壓電源供電時，估算公式中的系數(shù)0.455應(yīng)依次換成0.722、0.559、0.555。（5）圖2-1-1a中的A點不能接地，否則C無法正常充放電，會造成電路停振。

二、三級反相頻率可調(diào)式阻容振蕩器工作原理：使用CD4069中的三個反相器（D1～D3）。具有容易起振、振蕩頻率范圍寬、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。振蕩電阻由固定電阻Rl、電位器RP串聯(lián)而成。調(diào)節(jié)RP的阻值RRP，可改變振蕩頻率。圖2-1-2三級反相頻率可調(diào)式阻容振蕩器a）振蕩電路

b）工作波形二、三級反相頻率可調(diào)式阻容振蕩器當(dāng)RRP＝100kΩ時，最低振蕩頻率為fmin≈

＝

≈4.5kHz當(dāng)RRP＝0時，最高振蕩頻率為

二、三級反相頻率可調(diào)式阻容振蕩器說明兩點：第一，采用三級反相式阻容振蕩器，fmin可低至零點零幾赫茲，fmax＝8MHz；第二，若選用高速CMOS六反相器74HC04，則fmax能提高到40MHz，可構(gòu)成高頻方波信號發(fā)生器。

三、方波信號發(fā)生器的特殊應(yīng)用（1）方波本身除包含基波之外，還有大量的高次諧波，其頻譜極為豐富，可檢查低頻、中頻、甚至高頻放大器的失真。（2）利用它還能迅速確定頻率失真、相位失真、振幅失真。（3）可用較低頻率的方波信號來檢查較寬的通頻帶，例如用1kHz方波去檢查0～20kHz的通頻帶，或用40kHz方波來檢查0～800kHz的通頻帶。一般講，如果被測放大器能將頻率為f的方波不失真地放大，那么該放大器的頻率響應(yīng)便可達20f。

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)信號發(fā)生器第四節(jié)

CMOS門電路的使用技巧第二節(jié)

占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生一、由門電路構(gòu)成的矩形波發(fā)生器二、由定時器構(gòu)成的矩形波發(fā)生器一、由門電路構(gòu)成的矩形波發(fā)生器占空比及振蕩頻率的計算公式將Rl＝5.1kΩ、R2＝0～10kΩ、C＝0.01μF分別代入上述兩式得該電路的占空比調(diào)節(jié)范圍是0%～66%，振蕩頻率變化范圍是6～17.8kHz。

第二節(jié)

占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生一、由門電路構(gòu)成的矩形波發(fā)生器二、由定時器構(gòu)成的矩形波發(fā)生器二、由定時器構(gòu)成的矩形波發(fā)生器現(xiàn)利用隔離二極管VDl、VD2把定時電容C1的充、放電回路分開。充電回路為：UDD→R1→VD1→C1→USS放電回路為：C1→VD2→R2→ICM7555內(nèi)部放電管→USS。能在很寬的頻率范圍內(nèi)調(diào)節(jié)占空比而不影響振蕩頻率。

利用CMOS定時器（亦稱時基電路）ICM7555，也可組成占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生器。其主要特點是占空比與振蕩頻率之間彼此獨立，互不影響、且占空比2-2-2由定時器構(gòu)成矩形波發(fā)生器的電路二、由定時器構(gòu)成的矩形波發(fā)生器注意事項（1）ICM7555屬于CMOS電路，其電源電壓范圍是＋3～18V。若采用雙極型定時器NE555，電源電壓范圍將變成＋4.5～16V，功耗也會增大。（2）該電路還可用于調(diào)節(jié)數(shù)字儀表的顯示器亮度。

可通過調(diào)整掃描波形的占空比，達到調(diào)節(jié)LED顯示器亮度之目的。白天環(huán)境亮度較高，可增加顯示亮度；夜晚適當(dāng)降低顯示亮度以節(jié)省耗電。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)信號發(fā)生器一、石英晶體振蕩器二、幾種秒基準(zhǔn)信號發(fā)生器1.由CD4060構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號發(fā)生器2.由石英鐘表集成電路構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號發(fā)生器3.由電波表構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號發(fā)生器一、石英晶體振蕩器一、石英晶體振蕩器起振過程：假定在某一瞬間反相器Dl的輸入電壓為負極性，反相后的輸出電壓為正極性。因此，C2上的電壓（即輸出電壓UO）極性為上正下負，而C1上的電壓是上負下正，恰好與UI同相。UO經(jīng)C2、C1分壓后向D1的輸入端提供正反饋電壓。該電路通電后由于L0、C1、C2的選頻作用，就把通電干擾雜波中與f相同的信號選出來，進行反饋和放大，直至形成振蕩。因C1、C2能提供足夠高的正反饋電壓，及時補償振蕩器的能量損失，故電路能在極短時間內(nèi)起振，并在f頻率上維持等幅振蕩。當(dāng)f偏高時應(yīng)適當(dāng)增大的C2容量，反之亦然。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。

典型的晶振電路如圖2-3-2所示，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。石英晶體在并聯(lián)諧振時呈感性，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（即電容三點式）振蕩器，調(diào)整C2可使振蕩頻率達到標(biāo)稱值。圖2-3-2典型的晶振電路第三節(jié)

石英晶體振蕩器及秒基準(zhǔn)信號發(fā)生器一、石英晶體振蕩器二、幾種秒基準(zhǔn)信號發(fā)生器1.由CD4060構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號發(fā)生器2.由石英鐘表集成電路構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號發(fā)生器3.由電波表構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號發(fā)生器1.由CD4060構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號發(fā)生器CD4060是14位二進制串行計數(shù)/分頻器，采用DIP-16封裝，它內(nèi)部有14級二分頻器，但輸出端只有10個：Q4～Q10、Ql2～Q14。Q1～Q3以及Q11并未引出。CPI、CPO分別為時鐘輸入、輸出端。

CPO#為時鐘反相輸出端。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。鑒于國內(nèi)常見的石英晶體為32768Hz（即215Hz），欲獲得秒信號還必須外接一級二分頻器，把CD4060輸出的2Hz信號變成秒信號。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)信號發(fā)生器幾點說明：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數(shù)的；第三，利用片內(nèi)反相器D1、D2亦可接成兩級反相式阻容振蕩器；還可由CPI端輸入外時鐘信號，此時CPO和CPO#端懸空；第四，欲獲得脈寬為1s的頻率計采樣信號，需再增加一級二分頻器。第三節(jié)

石英晶體振蕩器及秒基準(zhǔn)信號發(fā)生器一、石英晶體振蕩器二、幾種秒基準(zhǔn)信號發(fā)生器1.由CD4060構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號發(fā)生器2.由石英鐘表集成電路構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號發(fā)生器3.由電波表構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號發(fā)生器2.由石英鐘表集成電路構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號發(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號電池可連續(xù)工作一年以上。頻率穩(wěn)定度可達5×10－7，年計時誤差約為幾十秒。OSCI、OSCO分別為振蕩器輸入、輸出端。ALI、ALO依次為鬧鐘信號輸入端（簡稱“鬧入”端）、輸出端。OUT1和OUT2是步進電機的兩個驅(qū)動端。主要包括三部分：①15級二分頻器，用于產(chǎn)生秒信號；②鬧鈴信號報時用的組脈沖發(fā)生器；③步進電機驅(qū)動脈沖輸出電路。

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)動永磁式步進電機，再配以齒輪傳動機構(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)信號發(fā)生器鬧鈴信號周期為1s，每次輸出脈沖時間為0.5s，調(diào)制頻率是2048Hz。步進電機驅(qū)動脈沖的周期是2s，脈寬為31.25ms，能精確地控制步進電機每秒鐘推動一次機械齒輪。

圖2-3-55G5544的時序波形音頻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)時間。5G5544的驅(qū)動信號輸出級采用漏極開路的N溝道MOS管，需外接PNP晶體管進行功率放大。圖中的3CG21型PNP管還具有反相作用，將負脈沖變成正脈沖。雖然從OUT1和OUT2輸出端產(chǎn)生的是周期為2s的信號，但二者是交替產(chǎn)生的，將兩個信號合成后才是秒信號。VD1、VD2和3CG21就等效于二輸入端或非門。

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

2.由石英鐘表集成電路構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號發(fā)生器兩點說明：第一，該電路輸出秒信號幅度約1.5V，欲配CMOS/TTL電路，應(yīng)加一級電平轉(zhuǎn)換器；第二，為提高計時準(zhǔn)確度，還可采用國產(chǎn)LH5512F（國外型號為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級二分頻后獲得秒信號。因此，即使存在0.2Hz的頻率偏差，秒信號準(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)信號發(fā)生器一、石英晶體振蕩器二、幾種秒基準(zhǔn)信號發(fā)生器1.由CD4060構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號發(fā)生器2.由石英鐘表集成電路構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號發(fā)生器3.由電波表構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號發(fā)生器3.由電波表構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號發(fā)生器電波表亦稱為無線控制計時鐘表（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個擁有該項技術(shù)并實現(xiàn)商品化的國家。電波表是時頻技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)與傳統(tǒng)鐘表技術(shù)的結(jié)晶，它具有精確計時（與國家授時臺嚴(yán)格保持同步）、自動調(diào)時、無積累誤差這三大優(yōu)點。是人類計時技術(shù)發(fā)展歷程中繼沙漏、日晷、機械鐘表和石英鐘表之后的第五代計時工具。由于采用了自動校準(zhǔn)技術(shù)，因此30萬年內(nèi)的計時誤差不超過1s。3.由電波表構(gòu)成的秒基準(zhǔn)信號發(fā)生器工作原理：首先由授時臺將標(biāo)準(zhǔn)時間信號進行編碼，利用低頻（20kHz～80kHz）載波方式將時間信號以無線電長波發(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碼信號，由內(nèi)部微處理器進行解調(diào)，再經(jīng)過控制機構(gòu)自動調(diào)節(jié)鐘表的計時。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、聲光報警電路四、開機自動復(fù)位電路五、負電源發(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左右的負反饋電阻Rf，即可將反相器的工作點偏置在放大區(qū)。b圖中0A為負載線，電壓轉(zhuǎn)移特性曲線與0A的交點即為靜態(tài)工作點Q。Q點必定位于線性放大區(qū)的中點。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、聲光報警電路四、開機自動復(fù)位電路五、負電源發(fā)生器二、門控振蕩器圖2-4-3門控振蕩器的典型電路圖2-4-4蜂鳴器電路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D1被打開，電路起振；基于二級反相阻容振蕩器基于三級反相阻容振蕩器第四節(jié)CMOS門電路的使用技巧一、電壓放大器二、門控振蕩器三、聲光報警電路四、開機自動復(fù)位電路五、負電源發(fā)生器三、聲光報警電路

實驗表明，在用聲音或燈光報警時，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，才能取得最佳報警效果。由與非門CD4011構(gòu)成兩級門控振蕩器。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警電路三、聲光報警電路

僅當(dāng)UC端接高電平信號時電路才起振，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，第二級振蕩器才起振，通過達林頓管VT2、VT3及輸出變壓器T，驅(qū)動揚聲器BL發(fā)出斷續(xù)的“嘀、嘀、…”報警聲。圖2-4-6聲光報警電路的各級振蕩波形第四節(jié)CMOS門電路的使用技巧一、電壓放大器二、門控振蕩器三、聲光報警電路四、開機自動復(fù)位電路五、負電源發(fā)生器四、開機自動復(fù)位電路

開機后產(chǎn)生UDD。由于C1兩端壓降不能突變，使UC點呈高電平，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。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，D2輸出低電平。關(guān)機后S1-2撥至a，將C1上的電荷迅速泄放掉，保證再次開機時仍能產(chǎn)生復(fù)位脈沖。D1和D2起到放大整形作用，防抖動干擾。還能起到隔離作用，提高帶負載能力。圖2-4-7開機自動復(fù)位電路微分電路第四節(jié)CMOS門電路的使用技巧一、電壓放大器二、門控振蕩器三、聲光報警電路四、開機自動復(fù)位電路五、負電源發(fā)生器五、負電源發(fā)生器

由C2、VDl、VD2和C3組成半波倍壓整流電路。在振蕩信號的正半周，VDl導(dǎo)通，VD2截止。則信號電壓全部降落在C2上。在信號的負半周，VDl截止，VD2導(dǎo)通，信號電壓就與C2上的電壓相疊加，經(jīng)VD2整流后變成負極性的脈動直流電壓，再經(jīng)過C3濾波后獲得－5V電源。圖2-4-8利用門電路產(chǎn)生－5V電源的電路兩級