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Presentation Transcript

  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

  2. 数字化测量技术 第二章 CMOS门电路的特殊应用

  3. 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

  4. 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

  5. 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t=0的时刻,电容器C开始向电阻R1放电,然后电源UDD又对C进行充电,充电途径为UDD→R1→C→USS。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

  6. 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UT=UDD/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: T=2R1Cln3≈2.2R1C f ≈

  7. 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为零点几赫兹,最高振荡频率fmax≈2MHz。 • (3)在时间常数τ=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R1<100kΩ,而R2>>Rl,或R2=Rl,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。

  8. 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

  9. 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(D1~D3)。 • 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

  10. 二、三级反相频率可调式阻容振荡器 • 当RRP=100kΩ时,最低振荡频率为 • fmin≈= ≈4.5kHz • 当RRP=0时,最高振荡频率为

  11. 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,fmax=8MHz; • 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。

  12. 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

  13. 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0~20kHz的通频带,或用40kHz方波来检查0~800kHz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。

  14. 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

  15. 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

  16. 一、由门电路构成的矩形波发生器 • 人为地改变RC振荡器的放电时间t2(或充电时间t1),使得t1≠t2,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VDl、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。 • 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, 图2-2-1 由CMOS门电路构成矩形波发生器的电路

  17. 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Rl=5.1kΩ、R2=0~10kΩ、C=0.01μF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6~17.8kHz。

  18. 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

  19. 二、由定时器构成的矩形波发生器 • 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 • 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:UDD→R1→VD1→C1→USS • 放电回路为:C1→VD2→R2→ICM7555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。 2-2-2 由定时器构成矩形波发生器的电路

  20. 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,R1=1kΩ,R2=11kΩ,代入式(2-2-3)中得到D≈8.3%。同理,当滑动触头旋到b端时,D≈91.7%。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。

  21. 二、由定时器构成的矩形波发生器 • 注意事项 • (1)ICM7555属于CMOS电路,其电源电压范围是+3~18V。若采用双极型定时器NE555,电源电压范围将变成+4.5~16V,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。

  22. 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

  23. 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

  24. 一、石英晶体振荡器 • 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。 • 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0.001~150000H。C0为分布电容,约1~30pF。C1是动态电容,约为(5~20)×10-3pF。 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

  25. 一、石英晶体振荡器

  26. 一、石英晶体振荡器 • 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组成反相放大器,利用Rf可将D1偏置在线性放大区,Rf一般取5.1~30MΩ,典型值为10MΩ。 • 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。 • 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(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。 图2-3-2 典型的晶振电路

  27. 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。倘若把仪器接到Dl输出端,就可能改变晶振频率及波形,甚至造成停振。

  28. 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。

  29. 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

  30. 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:Q4~Q10、Ql2~Q14。Q1~Q3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,Cr=1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

  31. 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。 • 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)。

  32. 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。

  33. 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

  34. 2. 由石英钟表集成电路构成的秒基准信号发生器 • 5G5544是国产石英钟表集成电路。它是由低压CMOS工艺制成的,功耗极微。输出端能直接驱动永磁式步进电机,再配以齿轮传动机构和表针,制成石英钟。 • 5G5544的电源电压典型值为+1.5V,工作电流仅2μA。使用一节5号电池可连续工作一年以上。频率稳定度可达5×10-7,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:①15级二分频器,用于产生秒信号;②闹铃信号报时用的组脉冲发生器;③步进电机驱动脉冲输出电路。 图2-3-4 5G5544的引脚排列及内部框图

  35. 2. 由石英钟表集成电路构成的秒基准信号发生器 音频 • 闹铃信号周期为1s,每次输出脉冲时间为0.5s,调制频率是2048Hz。 • 步进电机驱动脉冲的周期是2s,脉宽为31.25ms,能精确地控制步进电机每秒钟推动一次机械齿轮。 图2-3-5 5G5544的时序波形

  36. 2. 由石英钟表集成电路构成的秒基准信号发生器 S为闹时开关,用来“定闹”。S闭合时,当钟表时间与定闹时间一致时,从ALO端输出的闹铃脉冲经过VT2(3DG6)驱动压电陶瓷蜂鸣器BZ发声。 • 采用32768Hz石英晶体,C是频率微调电容,用来校准时间。 • 5G5544的驱动信号输出级采用漏极开路的N沟道MOS管,需外接PNP晶体管进行功率放大。 • 图中的3CG21型PNP管还具有反相作用,将负脉冲变成正脉冲。虽然从OUT1和OUT2输出端产生的是周期为2s的信号,但二者是交替产生的,将两个信号合成后才是秒信号。VD1、VD2和3CG21就等效于二输入端或非门。 图2-3-6 由5G5544构成的秒信号发生器电路

  37. 2. 由石英钟表集成电路构成的秒基准信号发生器 • 两点说明: • 第一,该电路输出秒信号幅度约1.5V,欲配CMOS/TTL电路,应加一级电平转换器; • 第二,为提高计时准确度,还可采用国产LH5512F(国外型号为STP5512F)型高频石英钟集成电路,它采用4.194304MHz(即223Hz)高频石英晶体,经23级二分频后获得秒信号。因此,即使存在0.2Hz的频率偏差,秒信号准确度也比32768Hz石英晶体高几十倍,年误差可低至几秒。

  38. 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

  39. 3. 由电波表构成的秒基准信号发生器 • 电波表亦称为无线控制计时钟表(Radio controlled timepieces)。 • 2003年9月5日,我国第一块电波表已经面世,使我国成为继美国、德国、英国、日本之后世界上第5个拥有该项技术并实现商品化的国家。 • 电波表是时频技术、微电子技术、通信技术、计算机技术与传统钟表技术的结晶,它具有精确计时(与国家授时台严格保持同步)、自动调时、无积累误差这三大优点。 • 是人类计时技术发展历程中继沙漏、日晷、机械钟表和石英钟表之后的第五代计时工具。由于采用了自动校准技术,因此30万年内的计时误差不超过1s。

  40. 3. 由电波表构成的秒基准信号发生器 • 工作原理: • 首先由授时台将标准时间信号进行编码,利用低频(20kHz~80kHz)载波方式将时间信号以无线电长波发射出去。电波表再通过内置微型无线电接收系统接收被电离层反射回来的时码信号,由内部微处理器进行解调,再经过控制机构自动调节钟表的计时。

  41. 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

  42. 第四节 CMOS门电路的使用技巧 • 一、电压放大器 • 二、门控振荡器 • 三、声光报警电路 • 四、开机自动复位电路 • 五、负电源发生器

  43. 一、电压放大器 • 在反相器输入、输出端之间并联一只10MΩ左右的负反馈电阻Rf,即可将反相器的工作点偏置在放大区。 • b图中0A为负载线,电压转移特性曲线与0A的交点即为静态工作点Q。Q点必定位于线性放大区的中点。 • 由此可构成电压放大器,其放大倍数KV≈-20倍。 图2-4-1 由CMOS反相器构成电压放大器的工作原理 a)电路 b)静态工作点 c)波形

  44. 一、电压放大器 • R1为输入端限流电阻,C1是高频滤波电容。 • VD1和VD2是双向限幅二极管,起过压保护作用。 • C2、C3为交流耦合电容。 • KU≈(-20)×(-20)=400倍。 图2-4-2 交流电压放大器电路

  45. 第四节 CMOS门电路的使用技巧 • 一、电压放大器 • 二、门控振荡器 • 三、声光报警电路 • 四、开机自动复位电路 • 五、负电源发生器

  46. 二、门控振荡器 • 通过改变控制门输入端的电平,来决定振荡器的工作状态(起振或停振), • 当控制端电压UC=1(高电平)时D1被打开,电路起振; 图2-4-3 门控振荡器的典型电路 基于二级反相阻容振荡器 基于三级反相阻容振荡器 图2-4-4 蜂鸣器电路

  47. 第四节 CMOS门电路的使用技巧 • 一、电压放大器 • 二、门控振荡器 • 三、声光报警电路 • 四、开机自动复位电路 • 五、负电源发生器

  48. 三、声光报警电路 • 实验表明,在用声音或灯光报警时,持续不断的声响或常亮的灯光往往不容易引起人们的警觉,只有断续的声音或闪烁的灯光,才能取得最佳报警效果。 • 由与非门CD4011构成两级门控振荡器。其中,D1和D2组成低频振荡器,振荡频率f1≈1Hz,周期约1s。D3和D4组成音频振荡器,振荡频率f2≈1kHz。 图2-4-5 由门控振荡器组成的声光报警电路

  49. 三、声光报警电路 • 仅当UC端接高电平信号时电路才起振,BO端交替输出的高、低电平经过VT1,使发光二极管LED闪烁发光,闪光周期是1s。 • 仅当BO=1时,第二级振荡器才起振,通过达林顿管VT2、VT3及输出变压器T,驱动扬声器BL发出断续的“嘀、嘀、…”报警声。 图2-4-6 声光报警电路的各级振荡波形

  50. 第四节 CMOS门电路的使用技巧 • 一、电压放大器 • 二、门控振荡器 • 三、声光报警电路 • 四、开机自动复位电路 • 五、负电源发生器