CMOS门电路的特殊用法3~4(新)

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一、石英晶体振荡器L1等效电感：晶体的质量惯性，约为0.001～150000H。C0为分布电容：引出电极形成的，约1～30pF。C1是动态电容：晶体的质量惯性行程，约为（5～20×10－3）pF。R1等效串联电阻：因振动摩擦造成的损耗，约几欧至几十千欧。

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-频率特性燧石取火交变电场机械振动

压电效应

一、石英晶体振荡器其中XLXC分别是感抗和容抗串联谐振频率：fs

电导(realpartoftheadmittance)最大时的频率。

并联谐振频率：fp

是阻抗(realpartoftheelectricinputimpedance)最大时的频率。负载电容：CL

(LoadCapacitance)从石英晶体两个端子看向振荡线路所遭遇到的所有电容值。负载电容在线路上可以与石英晶体共振子以并联或以串联的方示连接。

以并联方式连接的振荡线路中,负载电容(CL)的大小会影响谐振频率的特性。

这种负载电容并联线路的谐振频率以fL

表示:等效阻抗一、石英晶体振荡器j是虚数单位，等于-1的平方根。一、石英晶体振荡器

典型的晶振电路如图，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。图2-3-2典型的晶振电路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。一、石英晶体振荡器

工作原理---门电路组成反相放大器门电路近似于对UTH的比较运算器负反馈时，可以等效于右电路RI是门电路的输入阻抗

CMOS输入阻抗很高，所以直流增益≈1,Rf越大增益越高。交流增益>>1。取决于信号频率和C值。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。一、石英晶体振荡器

工作原理---振荡过程扰动形成D1反相器，由Rf形成负反馈，直流工作点处于电压传输特性的转折区稳态1如正向扰动IL正向UC1↑UI↑UO↓IL正向不能突变继续向C充电稳态2

电感电流逐渐减小并转入负向，电容放电，当UC低于UTH时UO翻转。

IL负向UC1↑UI↓UO↑IL负向不能突变继续向C放电周而复始电感电流逐渐减小并转入正向，电容开始冲电，当UC高于UTH时UO翻转，进入稳态1。石英晶体并联谐振时呈感性，等效电路如图一、石英晶体振荡器

工作原理---晶振选频放大放大增益

石英晶体与反馈电阻并联，作为反馈，石英晶体的阻抗影响放大增益。选频放大振荡频率为非谐振频率时，晶振阻抗低，放大增益小，≈1。振荡频率为谐振频率时，晶振阻抗极大，放大增益大，>>1。谐振频率C1、

C2为负载电容CL，会影响谐振频率的特性，把通电干扰杂波中与谐振频率相同的信号选出来，进行反馈和放大，直至形成振荡。C2采用瓷介半可调电容，C1宜选温度稳定性好的云母电容。石英晶体在反馈输入输出，等效反馈。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。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2-3-3CD4060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。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2-3-45G5544的引脚排列及内部框图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。2.由石英钟表集成电路构成的秒基准信号发生器闹铃信号周期为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2-3-55G5544的时序波形音频2.由石英钟表集成电路构成的秒基准信号发生器采用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就等效于二输入端与非门。

图2-3-6由5G5544构成的秒信号发生器电路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。

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。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(Radiocontrolledtimepieces)。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。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。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

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、负电源发生器二、门控振荡器图2-4-3门控振荡器的典型电路基于二级反相阻容振荡器图2-4-4蜂鸣器电路基于三级反相阻容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；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、负电源发生器四、开机自动复位电路

开机后产生UDD。由于C1两端压降不能突变，使UC点呈高电平，经反相器D1、D2整形，再经过C2、R2微分，产生复位信号。然后正电源沿UDD→C1→R1→USS的途径给C1充电，使UC迅速下降，当UC低于D1的开启电压时，D1输出高电平，从而使D2输出低电平，并一直维持低电平。关机后S1-2拨至a，将C1上的电荷迅速泄放掉，保证再次开机时仍能产生复位脉冲。D1和D2起到放大整形作用，防抖动干扰