用一只六反相器IC做出四種測(cè)試件
本設(shè)計(jì)實(shí)例描述了一種簡(jiǎn)單的方法，可以用一只無(wú)緩沖CMOS六反相器HD14069UB(參考文獻(xiàn)1)，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(mén)、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(mén)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(mén)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(mén)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。
上方的門(mén)檢測(cè)邏輯0，下方的門(mén)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(mén)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(mén)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和參考文獻(xiàn)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(mén)(有高輸入阻抗，以及門(mén)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(mén)的輸入端產(chǎn)生一個(gè)電壓。當(dāng)兩個(gè)電阻相等時(shí)，門(mén)輸入端的電壓為電源電壓的一半。門(mén)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(mén)，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(xiàn)(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(mén)，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(mén)，因?yàn)镃2開(kāi)始充電，門(mén)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(mén)的輸出再次通過(guò)C1的正反饋而返回為低，將第二個(gè)門(mén)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。
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。
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(hù)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。
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(huà)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(hù)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(lài)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(lài)性，隨占空比產(chǎn)生了一個(gè)更平坦的數(shù)據(jù)曲線(xiàn)，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)。
編輯注：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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