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1、数字化测量技术,信息学院电子工程系 数字化测量技术省级精品课,第二章 CMOS门电路的特殊应用,数字化测量技术,第二章 CMOS门电路的特殊应用,第一节 方波发生器第二节 占空比可调的矩形波发生器第三节 石英晶体振荡器及秒基准信号发生器第四节 CMOS门电路的使用技巧,第一节 方波发生器,一、两级反相式阻容振荡器二、三级反相频率可调式阻容振荡器三、方波信号发生器的特殊应用,一、两级反相式阻容振荡器,工作原理： 是CD4069属于CMOS六反相器，利用其中的两级反相器（D1、D2）和R、C元件，可构成阻容振荡器。 R1和C分别为振荡电阻、振荡电容。设在t0的时刻，电容器C开始向电阻R1放电，然后
2、电源UDD又对C进行充电，充电途径为UDDR1CUSS。于是，随着电容器周期性的充、放电，便形成了振荡。,图2-1-1 两级反相式阻容振荡器 a）振荡电路 b）工作波形,一、两级反相式阻容振荡器,R2作用： 偏置电阻，它不仅能稳定工作点，消除转移电压UT的偏差，使UTUDD/2，还可影响振荡频率，并能改变输出波形的占空比，使输出占空比等于50%的方波,振荡周期与振荡频率的估算公式：,T2R1Cln32.2R1C f ,一、两级反相式阻容振荡器,几点说明： （1）由于COMS反相器的参数存在一定的差异，加之阻容元件也存在着误差。因此上述公式均为估算公式。 （2）该电路的最低振荡频率fmin为零点
3、几赫兹，最高振荡频率fmax2MHz。 （3）在时间常数R1C为定值时，R1、C的数值可互相搭配。为提高频率的稳定性，避免使用体积较大的大容量电容器，R1值宜取大些，C值取小些。 （4）当R1100k，而R2Rl，或R2Rl，或者采用3V低电压电源供电时，估算公式中的系数0.455应依次换成0.722、0.559、0.555。 （5）图2-1-1a中的A点不能接地，否则C无法正常充放电，会造成电路停振。,第一节 方波发生器,一、两级反相式阻容振荡器二、三级反相频率可调式阻容振荡器三、方波信号发生器的特殊应用,二、三级反相频率可调式阻容振荡器,工作原理： 使用CD4069中的三个反相器（D1D3
4、）。 具有容易起振、振荡频率范围宽、稳定性好等优点。 振荡电阻由固定电阻Rl、电位器RP串联而成。调节RP的阻值RRP，可改变振荡频率。,图2-1-2 三级反相频率可调式阻容振荡器 a）振荡电路 b）工作波形,二、三级反相频率可调式阻容振荡器,当RRP100k时，最低振荡频率为fmin 4.5kHz当RRP0时，最高振荡频率为,二、三级反相频率可调式阻容振荡器,说明两点： 第一，采用三级反相式阻容振荡器，fmin可低至零点零几赫兹，fmax8MHz； 第二，若选用高速CMOS六反相器74HC04，则fmax能提高到40MHz，可构成高频方波信号发生器。,第一节 方波发生器,一、两级反相式阻容振
5、荡器二、三级反相频率可调式阻容振荡器三、方波信号发生器的特殊应用,三、方波信号发生器的特殊应用,（1）方波本身除包含基波之外，还有大量的高次谐波，其频谱极为丰富，可检查低频、中频、甚至高频放大器的失真。 （2）利用它还能迅速确定频率失真、相位失真、振幅失真。 （3）可用较低频率的方波信号来检查较宽的通频带，例如用1kHz方波去检查020kHz的通频带，或用40kHz方波来检查0800kHz的通频带。一般讲，如果被测放大器能将频率为f的方波不失真地放大，那么该放大器的频率响应便可达20f。,第二章 CMOS门电路的特殊应用,第一节 方波发生器第二节 占空比可调的矩形波发生器第三节 石英晶体振荡器
6、及秒基准信号发生器第四节 CMOS门电路的使用技巧,第二节 占空比可调的矩形波发生,一、由门电路构成的矩形波发生器二、由定时器构成的矩形波发生器,一、由门电路构成的矩形波发生器,当反相器D1输出为1（高电平）、反相器D2输出为0（低电平）时，VDl导通，VD2截止，5V电压经过R1、VDl对C充电。 当D1输出为0、D2输出为1时，VD2导通，VDl截止，电容器C经过VD2向R2放电。R2是可变电阻，专门调整放电时间t2，t2与R2成正比。若忽略二极管的正向导通电阻，,人为地改变RC振荡器的放电时间t2（或充电时间t1），使得t1t2，从而获得不同占空比的矩形波输出。 通过硅高速开关二极管VD
7、l、VD2把电容器C的充、放电回路隔离开，使二者互不影响，以便单独调整放电时间t2。,图2-2-1 由CMOS门电路构成矩形波发生器的电路,一、由门电路构成的矩形波发生器,占空比及振荡频率的计算公式将Rl5.1k、R2010k、C0.01F分别代入上述两式得该电路的占空比调节范围是0%66%，振荡频率变化范围是617.8kHz。,第二节 占空比可调的矩形波发生,一、由门电路构成的矩形波发生器二、由定时器构成的矩形波发生器,二、由定时器构成的矩形波发生器,现利用隔离二极管VDl、VD2把定时电容C1的充、放电回路分开。 充电回路为：UDDR1VD1C1USS 放电回路为：C1VD2R2ICM75
8、55内部放电管USS。 能在很宽的频率范围内调节占空比而不影响振荡频率。,利用CMOS定时器（亦称时基电路）ICM7555，也可组成占空比可调的矩形波发生器。其主要特点是占空比与振荡频率之间彼此独立，互不影响、且占空比,2-2-2 由定时器构成矩形波发生器的电路,二、由定时器构成的矩形波发生器,占空比及振荡频率的计算公式电位器滑动触头旋至a端时，R11k，R211k，代入式（2-2-3）中得到D8.3%。同理，当滑动触头旋到b端时，D91.7%。因此，该电路的占空比调节范围是8.3%91.7%，而振荡频率始终保持为1.2kHz。,二、由定时器构成的矩形波发生器,注意事项（1）ICM7555属于
9、CMOS电路，其电源电压范围是318V。若采用双极型定时器NE555，电源电压范围将变成4.516V，功耗也会增大。（2）该电路还可用于调节数字仪表的显示器亮度。 可通过调整扫描波形的占空比，达到调节LED显示器亮度之目的。白天环境亮度较高，可增加显示亮度；夜晚适当降低显示亮度以节省耗电。,第二章 CMOS门电路的特殊应用,第一节 方波发生器第二节 占空比可调的矩形波发生器第三节 石英晶体振荡器及秒基准信号发生器第四节 CMOS门电路的使用技巧,第三节 石英晶体振荡器及秒基准信号发生器,一、石英晶体振荡器二、几种秒基准信号发生器 1. 由CD4060构成的秒基准信号发生器 2. 由石英钟表集成
10、电路构成的秒基准信号发生器 3. 由电波表构成的秒基准信号发生器,一、石英晶体振荡器,R1等效串联电阻，即谐振电阻，阻值范围约几欧至几十千欧。L0是等效电感，约为0.001150000H。C0为分布电容，约130pF。C1是动态电容，约为（520）103pF。,石英晶体是将天然或人造的石英单晶（即水晶）沿一定方向切割后制成的，它具有压电效应，加电压后能产生稳定度极高的晶振频率。,图2-3-1 石英晶体的工作原理 a）符号 b）等效电路 c）阻抗-频率特性,一、石英晶体振荡器,一、石英晶体振荡器,起振过程： 假定在某一瞬间反相器Dl的输入电压为负极性，反相后的输出电压为正极性。因此，C2上的电压
11、（即输出电压UO）极性为上正下负，而C1上的电压是上负下正，恰好与UI同相。UO经C2、C1分压后向D1的输入端提供正反馈电压。该电路通电后由于L0、C1、C2的选频作用，就把通电干扰杂波中与f相同的信号选出来，进行反馈和放大，直至形成振荡。 因C1、C2能提供足够高的正反馈电压，及时补偿振荡器的能量损失，故电路能在极短时间内起振，并在f频率上维持等幅振荡。当f偏高时应适当增大的C2容量，反之亦然。C2采用瓷介半可调电容，C1宜选温度稳定性好的云母电容。,典型的晶振电路如图2-3-2所示，包括石英晶体A，反相器D1和D2、偏置电阻Rf，振荡电容C1、C2。 C2为频率微调电容。D1与Rf组成反
12、相放大器，利用Rf可将D1偏置在线性放大区，Rf一般取5.130M，典型值为10M。 石英晶体在并联谐振时呈感性，其等效电感L0与电容器C1、C2构成正反馈选频网络。该电路属于柯尔皮兹式（即电容三点式）振荡器，调整C2可使振荡频率达到标称值。,图2-3-2 典型的晶振电路,一、石英晶体振荡器,反相器D2的作用： 第一，起放大整形作用，把晶振电路输出的近似正弦波信号变成沿口陡峭的矩形波，满足数字电路的需要； 第二，起隔离作用，提高晶振电路带负载的能力。校准晶振频率时应把标准数字频率计接到D2的输出端，一边微调C2，一边监视晶振频率，直到调成标称值f，还可以接示波器来观察晶振输出波形。倘若把仪器接
13、到Dl输出端，就可能改变晶振频率及波形，甚至造成停振。,二、几种秒基准信号发生器,许多数字仪器仪表，例如频率计、转速仪、流量仪、油耗仪以及时间控制器，都需要秒基准信号发生器。对秒基准信号的基本要求：“稳”是指频率稳定度高； “准”是指频率准确度高； “简”是电路简单； “廉”是成本低廉，易于推广。,第三节 石英晶体振荡器及秒基准信号发生器,一、石英晶体振荡器二、几种秒基准信号发生器 1. 由CD4060构成的秒基准信号发生器 2. 由石英钟表集成电路构成的秒基准信号发生器 3. 由电波表构成的秒基准信号发生器,1. 由CD4060构成的秒基准信号发生器,CD4060是14位二进制串行计数/分频
14、器，采用DIP-16封装，它内部有14级二分频器，但输出端只有10个：Q4Q10、Ql2Q14。Q1Q3以及Q11并未引出。CPI、CPO分别为时钟输入、输出端。 CPO#为时钟反相输出端。石英晶体接在CPI与 CPO#之间。CPO端可接标准频率计或示波器，来校准晶振频率或观察波形。Cr为复位端，Cr1时停振。,图2-3-3 CD4060的引脚排列及典型应用电路 a）引脚排列 b）典型应用电路,1. 由CD4060构成的秒基准信号发生器,CD4060只能得到10种分频系数，最小为16分频，最大为16384分频。因此，CD4060适配16384Hz的石英晶体，从Ql4端输出周期为1s的基准信号。
15、 鉴于国内常见的石英晶体为32768Hz（即215Hz），欲获得秒信号还必须外接一级二分频器，把CD4060输出的2Hz信号变成秒信号。 外接的二分频器可选D触发器CD4013或JK触发器CD4027（现仅用其中一半）。,1. 由CD4060构成的秒基准信号发生器,几点说明： 第一，复位端Cr应固定接低电平USS，否则输出呈全零状态； 第二，CD4060是用脉冲下降沿来计数的； 第三，利用片内反相器D1、D2亦可接成两级反相式阻容振荡器；还可由CPI端输入外时钟信号，此时CPO和CPO #端悬空； 第四，欲获得脉宽为1s的频率计采样信号，需再增加一级二分频器。,第三节 石英晶体振荡器及秒基准信
16、号发生器,一、石英晶体振荡器二、几种秒基准信号发生器 1. 由CD4060构成的秒基准信号发生器 2. 由石英钟表集成电路构成的秒基准信号发生器 3. 由电波表构成的秒基准信号发生器,2. 由石英钟表集成电路构成的秒基准信号发生器,5G5544的电源电压典型值为1.5V，工作电流仅2A。使用一节5号电池可连续工作一年以上。频率稳定度可达5107，年计时误差约为几十秒。 OSCI、OSCO分别为振荡器输入、输出端。ALI、ALO依次为闹钟信号输入端（简称“闹入”端）、输出端。OUT1和OUT2是步进电机的两个驱动端。 主要包括三部分：15级二分频器，用于产生秒信号；闹铃信号报时用的组脉冲发生器；步进电机驱动脉冲输出电路。,
