如何用一只無(wú)緩沖CMOS六反相器做出測(cè)試儀器？

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(mén)的輸入端有220kΩ的電阻，用于當(dāng)門(mén)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(mén)輸入端。單穩(wěn)脈沖產(chǎn)生大約1/（2.2RC）的頻率，而門(mén)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(mén)輸入端的電阻用于當(dāng)待測(cè)單元電壓高于門(mén)的電源電壓時(shí)，為門(mén)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(mén)輸入端的偏置來(lái)提高靈敏度的可選方法。

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(mén)的輸入閾值窗口限制，對(duì)不同邏輯門(mén)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(mén)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(mén)，ΔVT=VT2–VT1，其中VT2是門(mén)的輸出端已完全安定在邏輯0時(shí)的輸入電壓，而VT1是門(mén)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(mén)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(mén)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(mén)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(mén)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(mén)。

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。