如何用一只無(wú)緩沖CMOS六反相器做出測(cè)試儀器？

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。

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

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。