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如何用一只無(wú)緩沖CMOS六反相器做出測(cè)試儀器?

發(fā)布時(shí)間:2012-12-27 責(zé)任編輯:Lynnjiao

【導(dǎo)讀】本文討論了如何用一種六反相器IC做出四種測(cè)試件:一個(gè)有良好定義邏輯電壓窗口的邏輯筆,輸入阻抗約為1MΩ;一個(gè)開(kāi)路測(cè)試儀,上限電阻可以從幾十歐到幾十兆歐;一個(gè)單脈沖或脈沖串注入器或簡(jiǎn)單的信號(hào)發(fā)生器;還有一個(gè)是高阻音頻探頭。使用一只4069中的六個(gè)反相門、兩或三只電阻,以及少許無(wú)源元件, 就可以做出這些測(cè)試儀器。

 
在雙門構(gòu)成的CMOS/TTL兼容探頭中,R1至R4電阻網(wǎng)絡(luò)對(duì)反相器輸入端做偏置(圖1)。由于門有高輸入阻抗,因此R1至R4的值在大約100kΩ到1MΩ。探頭尖的吸入/供出電流很小,因?yàn)镽1至R4有高阻抗,因此,探頭尖基本上不影響測(cè)試點(diǎn)的邏輯電平。知道了門的輸入閾值電壓后,就可以計(jì)算出所需要的R1至R4電阻值。 

 

 在雙門構(gòu)成的CMOS/TTL兼容探頭中,R1至R4電阻網(wǎng)絡(luò)對(duì)反相器輸入端做偏置
圖1:在雙門構(gòu)成的CMOS/TTL兼容探頭中,R1至R4電阻網(wǎng)絡(luò)對(duì)反相器輸入端做偏置
 
這個(gè)單門構(gòu)成的開(kāi)路測(cè)試儀有可調(diào)的檢測(cè)閥值
圖2:這個(gè)單門構(gòu)成的開(kāi)路測(cè)試儀有可調(diào)的檢測(cè)閥值

上方的門檢測(cè)邏輯0,下方的門檢測(cè)邏輯1。將上限設(shè)定了邏輯0的電壓,計(jì)算出R1和R2的值。任意選擇R1= 1MΩ,去找一個(gè)R2的值,使得上方門輸入端的電壓正好是閾值電壓。于是R2=R1 (VT-VL)/ (VS-VT),其中VT是閾值電壓, VL是邏輯0電壓,而VS是電源電壓。同樣,給邏輯1電壓VT設(shè)定一個(gè)下限,按R3來(lái)尋找一個(gè)R4的值。適當(dāng)?shù)剡x擇R3,此時(shí)要注意各個(gè)門的靜態(tài)偏置,從而在探頭懸浮狀態(tài)下使各個(gè)LED熄滅,就可以得到R4的值:R4=R3VT/(VH-VT)。

下式計(jì)算探頭的電流:IP=[-(V-VI)(R3+ R4)+VI (R1+R2)]/(R1+R2)(R3+R4),其中IP是探頭電流,VI是探頭尖的電壓。因此,對(duì)探頭尖上的任何電壓,探頭阻抗均大于1MΩ。對(duì)于有更高閾值電壓的4069封裝(如3V),可以在正電源軌與芯片之間接一個(gè)二極管再跟隨一個(gè)10kΩ接地負(fù)載電阻,有助于降低這個(gè)電壓。

開(kāi)發(fā)人員經(jīng)常使用的開(kāi)路測(cè)試儀(圖2)是基本的測(cè)試設(shè)備;這些測(cè)試儀是工作臺(tái)上不可缺少的裝備。用4069的一個(gè)門(有高輸入阻抗,以及門輸出轉(zhuǎn)換的閾值電壓)可以做成開(kāi)路測(cè)試儀,其上限是測(cè)試電路的電阻。探頭之間的總阻抗以及開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的電阻構(gòu)成了一個(gè)分壓網(wǎng)絡(luò),在門的輸入端產(chǎn)生一個(gè)電壓。當(dāng)兩個(gè)電阻相等時(shí),門輸入端的電壓為電源電壓的一半。門的轉(zhuǎn)換閾值電壓也接近于電源電壓的一半,因此,開(kāi)關(guān)分支選擇的電阻就設(shè)定了近似的開(kāi)路測(cè)試電阻。

另一種有用的結(jié)構(gòu)是用一只可變電阻代替可切換電阻。這種方法可以通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻,在考慮到探頭尖之間的電阻,以及LED的發(fā)熱后,任意設(shè)定開(kāi)路測(cè)試電阻??勺冸娮璧脑O(shè)置應(yīng)使得LED正好熄滅。這種方法獲得了一個(gè)緊湊的結(jié)構(gòu),可以裝入一個(gè)小封裝內(nèi)。另外一只可變電阻(1kΩ到2kΩ)與負(fù)探頭串聯(lián),從而能夠做大約100Ω或更小的開(kāi)路電阻測(cè)試。另外還可以使用有較低轉(zhuǎn)換閾值電壓的門,方法是用一對(duì)二極管跟隨一個(gè)10kΩ的負(fù)載電阻,從正電源軌串聯(lián)到地。這種結(jié)構(gòu)也可以經(jīng)過(guò)適當(dāng)修改后,用于測(cè)試有電的交流電線(參考文獻(xiàn)3),這樣就做出了五種設(shè)備。
 
現(xiàn)在4069封裝中還有三個(gè)門,其中兩個(gè)可以做一個(gè)非穩(wěn)振蕩器/單穩(wěn)式單脈沖發(fā)生器電路,一個(gè)互補(bǔ)雙極管對(duì)緩沖器用于增加驅(qū)動(dòng)電流(圖3)。一只SPDT(單刀雙擲)開(kāi)關(guān)切換到P(脈沖)或A(非穩(wěn)),就可以在兩種方式之間選擇。在脈沖模式下,按開(kāi)關(guān)可在輸入端產(chǎn)生一個(gè)簡(jiǎn)單的負(fù)向脈沖,送至第二個(gè)門,因?yàn)镃2開(kāi)始充電,門輸出端獲得的高電平在Q1與Q2的結(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生一個(gè)正向脈沖。這個(gè)脈沖也被鎖定,開(kāi)關(guān)去顫是通過(guò)電容C1的正反饋,它以R1、R2或R3決定的時(shí)間常數(shù)開(kāi)始充電。當(dāng)C1上的電壓等于閾值電壓時(shí),第二個(gè)門的輸出再次通過(guò)C1的正反饋而返回為低,將第二個(gè)門的輸入端驅(qū)動(dòng)為高,結(jié)束脈沖。

與C 2并聯(lián)的二極管總是反偏的,它用作一只為C2放電的極大阻值電阻。假設(shè)二極管的典型泄漏為1nA,則2.5V時(shí)的等效電阻約為2.5GΩ。大約125 ms的RC放電時(shí)間常數(shù)適用于人手按壓按鍵的速度。 

互補(bǔ)雙極晶體管增加了振蕩器以及單脈沖發(fā)生器的輸出電流
圖3:互補(bǔ)雙極晶體管增加了振蕩器以及單脈沖發(fā)生器的輸出電流 

R1到R3的值設(shè)定了非穩(wěn)態(tài)頻率,或單穩(wěn)脈沖寬度。在第二個(gè)門的輸入端有220kΩ的電阻,用于當(dāng)門電壓低于地電壓,或比VDD高0.6V時(shí),限制電容的泄漏電流進(jìn)入門輸入端。單穩(wěn)脈沖產(chǎn)生大約1/(2.2RC)的頻率,而門的閾值電壓決定了單穩(wěn)的脈沖寬度,即大約0.7RC到1.1RC。

有時(shí)候,需要聆聽(tīng)某個(gè)測(cè)試電路點(diǎn)處的音頻信號(hào)。4069有高的輸入阻抗,以及大約6.8mA的充足輸出驅(qū)動(dòng)電流,可以驅(qū)動(dòng)一只小型PCB安裝式揚(yáng)聲器。這種方法可以建立起一個(gè)簡(jiǎn)單的音頻探頭(圖4)。圖4a中門輸入端的電阻用于當(dāng)待測(cè)單元電壓高于門的電源電壓時(shí),為門提供保護(hù)。
 
圖4中顯示了兩種驅(qū)動(dòng)聲音換能器的方法,具體取決于對(duì)響度的要求。圖4a是直接連接到一只壓電換能器。如果聲音較大,可以在圖4b的揚(yáng)聲器上串聯(lián)一個(gè)小電阻,用于控制音量,并且防止揚(yáng)聲器或晶體管可能的損壞。圖4c顯示了一種通過(guò)門輸入端的偏置來(lái)提高靈敏度的可選方法。

兩種驅(qū)動(dòng)聲音換能器的方法
圖4:兩種驅(qū)動(dòng)聲音換能器的方法

偏置電壓由分壓網(wǎng)絡(luò)通過(guò)下式給出:VB=R2VS/(R1+R2)-R2VL(1-ξ)/(R1+R2)-R2VHξ/(R1+R2),其中VS是電源電壓,ξ是輸入信號(hào)占空比(TH/(TH+TL),假設(shè)是一個(gè)矩形波),VH是邏輯高電壓,而VL是邏輯低電壓。R1的建議值為1MΩ;用戶可以根據(jù)偏置電壓的式子,選擇R2(建議選1MΩ)。很多R2值都是可以的,如圖4c所示。電容CC(建議為0.1μF)與待測(cè)信號(hào)串聯(lián),提供與信號(hào)串聯(lián)的偏壓。信號(hào)的最低強(qiáng)度受到門的輸入閾值窗口限制,對(duì)不同邏輯門有不同的值。舉例來(lái)說(shuō),對(duì)于一個(gè)在零和信號(hào)電壓之間變換的矩形波信號(hào),偏壓應(yīng)低于閾值窗口,而偏壓值與信號(hào)電壓之和應(yīng)高于閾值窗口。

圖4c的輸入交流耦合對(duì)占空比的靈敏度低,弱于傳統(tǒng)的串聯(lián)電容交流耦合方式
圖5:圖4c的輸入交流耦合對(duì)占空比的靈敏度低,弱于傳統(tǒng)的串聯(lián)電容交流耦合方式

這里有一種嚴(yán)格的情況,此時(shí)兩個(gè)值都處于窗口的邊沿。因此,對(duì)于矩形信號(hào)或衰減的數(shù)字信號(hào),VSIG=ΔVT是最低要求的信號(hào)強(qiáng)度。通常情況下,不同門的ΔVT是不一樣的;有些寬度大(CD4069),有些則寬度窄(CD4011)。然而,當(dāng)加載一個(gè)交流信號(hào)(如正弦波)時(shí),信號(hào)的負(fù)相位會(huì)使偏壓強(qiáng)度減小到VB-VSIG。因此一個(gè)相位就足夠產(chǎn)生一個(gè)相當(dāng)于半個(gè)窗口寬度的變化量。于是,對(duì)于交流信號(hào),最低信號(hào)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)為VSIG=ΔVT/2。

最后,對(duì)于一個(gè)反相門,ΔVT=VT2–VT1,其中VT2是門的輸出端已完全安定在邏輯0時(shí)的輸入電壓,而VT1是門的輸出端已完全安定在邏輯1時(shí)的輸入電壓。R1和R2幫助選擇高于所設(shè)定最小門閾值窗口的信號(hào)強(qiáng)度。如果R2約為1MΩ,則R2CC時(shí)間常數(shù)為0.1秒,對(duì)應(yīng)為10Hz,這看來(lái)是足夠的。

對(duì)于普通的數(shù)字信號(hào),足以忽略掉R2和CC。換句話說(shuō),R2和CC都等于零。應(yīng)注意的是,這個(gè)耦合器并未補(bǔ)償嚴(yán)格的信號(hào)條件,防止輸出端有一個(gè)恒定的漏極電流。它的目標(biāo)是為音頻探頭的門提供一個(gè)典型晶體管放大器式的偏壓。對(duì)嚴(yán)格信號(hào)條件的關(guān)注由圖4b中門輸出端串聯(lián)的10μF電容完成。

喜歡使用傳統(tǒng)交流耦合(R2的左側(cè)端子連接到大地,而不是探頭尖)RC電路的用戶可以采用下式,計(jì)算作為多項(xiàng)參數(shù)函數(shù)的V''''B:V''''B=VSR2/(R1+R2)-ξ(VH–VL)–VL,其中所有項(xiàng)都具一般意義。

將此式與前式作個(gè)比較。V''''B的式子中,偏壓通過(guò)占空比的單一乘積因數(shù),與VH或VL形成依賴關(guān)系,而在偏壓式中,它取決于另外的乘積因數(shù)R2/(R1+ R2)<1,因此減少了依賴性,隨占空比產(chǎn)生了一個(gè)更平坦的數(shù)據(jù)曲線,如圖5所示有一個(gè)VL/VH=0/4V的矩形波和變化的占空比。

所有這些小設(shè)備都可以裝在一個(gè)小容器里,如一只膠管,并用探頭做各種測(cè)試(參考文獻(xiàn)4)。探頭電源可以使用兩只3V的CR2032鋰電池;CMOS4069是小功率器件。但要注意,不同制造商的4069器件的閾值有很大的差異,因此應(yīng)在挑選制作測(cè)試設(shè)備的器件時(shí),要檢查其值,尤其是用于前三種設(shè)備時(shí)。

這些測(cè)試設(shè)備的關(guān)鍵在于CMOS門的高輸入阻抗。其它封裝( 如CD4011/4001)也可以做出多款設(shè)備,因?yàn)殛P(guān)鍵是使用反相門。

在這里討論的所有電路中,探頭的地都應(yīng)直接連到待測(cè)設(shè)備的地上。盡管設(shè)計(jì)實(shí)例并未討論這一點(diǎn),但有些讀者可能希望增加CD4011/4001NAND/NOR邏輯,將開(kāi)路測(cè)試儀、單穩(wěn)振蕩器和音頻探頭結(jié)合起來(lái),從而提供一個(gè)可發(fā)聲的開(kāi)路測(cè)試儀。

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