4000系列CMOS數(shù)字集成電路制作（1）

CMOS也叫互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體集成電路，它在速度、功耗、兼容性等方面性能優(yōu)越，因而得到日益廣泛的應(yīng)用，特別適合制作小型和便攜式的電子作品。近來隨著它的價格越來越低，應(yīng)用也更加普及。充分利用CMOS的優(yōu)勢，開發(fā)出更好的電子作品，是電子發(fā)燒友感興趣的問題。4000系列CMOS數(shù)字集成電路品種齊全，功能強(qiáng)大，價格低廉。本節(jié)通過介紹4000系列CMOS集成電路的應(yīng)用實(shí)例，使初學(xué)者逐步掌握CMOS電路的基本性質(zhì)和它的使用方法，進(jìn)而提高自己開發(fā)設(shè)計(jì)CMOS電路的能力。

一、定時聲光提醒器

這個定時聲光提醒器使用起來非常方便，可以在1～30分鐘內(nèi)預(yù)定提醒時間。使用時，利用時間標(biāo)尺預(yù)定時間，打開電源開關(guān)，定時器綠燈亮，表示開始計(jì)時；到了預(yù)定時間，綠燈滅，紅燈亮，同時發(fā)出音樂提醒時間到。

電路原理

電路圖見圖24-011。電路由時間預(yù)定電路、整形電路、觸發(fā)電路和音樂片發(fā)聲器組成。電路工作原理如下。開機(jī)后，電源開始通過R1和R2向電容器C1充電，C1上的電壓由0V逐漸升高，其變化速率由R1C1的時間常數(shù)所決定。第一級反相器（即4069的非門）的輸入端的電位即由電容C1上的電壓所決定。在C1上的電壓未升至電源電壓的一半以前，即小于1.5V時，對反相器的輸入端來說為低電位，所以反相器的輸出端為高電位。依此類推，第四級反相器的輸出為低電位，紅色發(fā)光二極管和音樂電路不工作，而綠色發(fā)光二極管被點(diǎn)亮。當(dāng)?shù)搅巳藗冾A(yù)先設(shè)置的提醒時間時，C1電壓升至電源電壓的一半，第一個反相器翻轉(zhuǎn)，輸出端由高電位變成輸出低電位，從而導(dǎo)致第四級反相器輸出端由低電位變?yōu)楦唠娢?，觸發(fā)音樂集成電路工作，壓電陶瓷片奏響音樂，同時綠色發(fā)光二極管熄滅，紅色發(fā)光二極管點(diǎn)亮。

圖24-011

使用時，提醒時間的長短是通過調(diào)整電位器R1的阻值設(shè)置的。R1的阻值調(diào)的越大，等待的時間越長。按電路推薦的數(shù)值，定時范圍在1分鐘到25分鐘之間連續(xù)可調(diào)。R1應(yīng)采用阻值線性變化的（所謂阻值線性變化是指其電阻的變化與推拉的距離成正比），最好使用直線推拉電位器，這樣可以用等分刻度的方法制作時間標(biāo)尺。為了增加顯示功能，采用發(fā)光二極管指示工作狀態(tài)。打開電源開關(guān)，綠色燈亮。時間到時，除音樂提示外，紅色燈亮，兼有盲人使用的功能。定時器的電源開關(guān)采用普通一刀雙擲開關(guān)。關(guān)機(jī)時，C1被開關(guān)短路。開機(jī)時，接通電源，同時C1開始充電。采用本電路，每次開機(jī)時，電容都是從0伏電壓開始充電的。

制作要點(diǎn)

此定時器正確組裝后，不需任何調(diào)試即有時間提醒功能。但為了讓它正常工作，還需進(jìn)行時間標(biāo)尺的繪制。如采用阻值線性變化的直線型推拉電位器，可分別將電位器調(diào)到最大和最小的位置，實(shí)測出最長和最短的提醒時間，然后按長度等分標(biāo)上刻度即可使用了。如果采用旋轉(zhuǎn)型電位器，最好也選用阻值為線性變化的，也就是電阻值的變化與旋轉(zhuǎn)角度成正比，這樣時間標(biāo)尺的描繪比較準(zhǔn)確。據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，R1、C1分別為1MΩ和3300μF，時間最長約為40分鐘，R1用20k，時間最短約為1分鐘。它的特點(diǎn)是，一旦完成時間標(biāo)尺刻度的繪制，使用時你會發(fā)現(xiàn)它的誤差比想象中的要小的多，其準(zhǔn)確程度完全可滿足生活需要。

制作時可以在面包板上先行試驗(yàn)，成功后再組裝。利用面包板的好處還在于可以根據(jù)自己的情況修改電路，改變或增加電路的功能。通過試驗(yàn)，哪怕是失敗的試驗(yàn)，也會使你更快地掌握數(shù)字電路的特點(diǎn)和應(yīng)用。

學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)與思考

1．CMOS集成電路預(yù)備知識

本機(jī)使用的集成電路CD4069是40系列的CMOS電路之一，CMOS電路又稱互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體集成電路，它有以下優(yōu)點(diǎn)：

工作電壓范圍寬。一般可在3～18V下正常工作，不需穩(wěn)壓。

消耗功率低。其靜態(tài)電流僅為1微安，實(shí)際功耗接近理論上的零功耗。電源電壓利用率高。輸出幅度幾乎與電源電壓相等。

輸入阻抗高。通常在幾兆歐以上，基本上不消耗驅(qū)動電路的功率。有一定的功率輸出。

抗干擾能力強(qiáng)。

以上優(yōu)點(diǎn)在本電路中得到了充分的體現(xiàn)，本機(jī)使用3V電源，使用中等待時耗電電流不到1mA，體積小，電路簡單而功能強(qiáng)。

2．4069非門電路簡介

4069是40系列的一種門電路，叫做“六反相集成電路”，也叫六非門集成電路。每個集成電路中包含有6個反相器；4069按雙排列14腳封裝的內(nèi)部接線圖見圖24-012。當(dāng)輸入端為低電平時，輸出端為高電平；當(dāng)輸入端為高電平時，輸出端為低電平。也就是輸入1時輸出0，輸入0時輸出1，故反相器也叫非門。此外，當(dāng)輸入電壓在電源電壓的一半時，輸入電壓很小的變化，就可引起輸出電壓較大的變化，也就是說反相器具有電壓放大作用。門電路是最基本的CMOS電路，也是應(yīng)用較多的電路。它既可以產(chǎn)生和處理數(shù)字信號，也可以產(chǎn)生和處理模擬信號。

圖24-012

3．4069紅綠燈變換演示電路

為了更好地了解和使用40系列的CMOS集成電路，通常在面包板上進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)和開發(fā)。使用時把集成塊插到面包板的中間，將其它各種元器件分別按電路插到面包板上，再用插線連接好，就可以看到電路的效果了。

我們不妨通過一個4069紅綠燈變換電路，了解一下門電路的工作原理。

電路原理圖見圖24-013。它利用4069的非門輸出驅(qū)動發(fā)光二極管。

圖24-013

器材準(zhǔn)備：面包板及插線、CD4069一個、紅色和綠色發(fā)光二極管各一只，500Ω電阻二只，100K～1 MΩ電阻一只， 4.5V電池，帶插線腳的開關(guān)一個。如條件許可，可多準(zhǔn)備幾支發(fā)光二極管。

接線要求。首先將雙排腳的CD4069插好,應(yīng)將集成電路正面的字位于正方向，也就是使它正面的缺口標(biāo)記在左面，兩排腳分別插到面包板的上下兩排的插孔中；這時，下排插腳的最左邊的接線是⑴腳，從⑴腳開始向右依次是⑵、⑶、⑷…、⑺腳，然后是上排插腳，從右到左依次是⑻到⒁腳。其中⑺腳接電源的負(fù)極，⒁腳接正極，注意不得接反。可用短一些的插線將它們連接起來。為了方便，也為了避免電路產(chǎn)生寄生振蕩，可用裸銅線制作十幾個n型專用接線器，把面包板上相鄰的接線孔按電路連接起來，這樣既美觀又可靠。

為了電路圖的簡便易讀，電路中CMOS的門電路畫在集成電路接線圖的外面。有時只畫單個的門電路，省略了CMOS的電源接線，也就是省略了⑺腳和⒁腳的接線圖。在這種情況下，要記住⒁腳也叫Vdd腳，接電源正極；⑺腳也叫Vss腳，接電源負(fù)極。此外，本書約定：CMOS電源負(fù)極接地，所有元器件接地使用符號為通用“T”形符號；所有元器件接電源正極使用一種一個圓圈的符號，如圖24-013中所示。

電路接好后，最后接上電源線，這時應(yīng)有一個發(fā)光二極管是亮的。撥動開關(guān)，這個發(fā)光二極管就不亮了，而另一個則由不亮變亮。這是因?yàn)榉聪嗥鞯妮斎攵说碾娢桓淖兞?，則它輸出端的電位也跟著改變。如果開始時開關(guān)接在電源正極，則第一個反相器輸入端為高電位，在數(shù)字電路中代表數(shù)字“1”，那么第一個反相器輸出低電位，代表數(shù)字“0”， 這樣，接在第一個反相器輸出端的燈不亮。第二個反相器的輸入端即為低電位，輸出高電位，在本電路中輸出為為正4.5V，這樣，接在第二個反相器輸出端的燈亮。撥動開關(guān)，第一個反相器的輸入端接在電源負(fù)極，也就是低電位，則它輸出高電位，使得接在該處的發(fā)光二極管點(diǎn)亮。而第二個反相器輸出端的發(fā)光二極管則不亮。從這個實(shí)驗(yàn)中我們還驗(yàn)證了CMOS電路的輸出功率，在4.5V電源電壓下，一個反相器的輸出電流有2毫安，它完全可以驅(qū)動一個發(fā)光二極管。實(shí)際上，如果把發(fā)光二極管接到最后一級反相器輸出端，可以不用電阻，直接把發(fā)光二極管接到反相器上。

這個試驗(yàn)只用了兩個反相器，其余四個雖然可以不用，但電路圖中也畫出了接線的方式，初學(xué)者一定要按圖把它們接好。今后在使用CMOS集成電路時，都要記住把多余的反相器的輸入端連接到高電位或低電位上，不可什么也不接使它處于懸空的狀態(tài)（輸出端可懸空）。所有的關(guān)于CMOS電路的介紹都強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)。如果違反了這種規(guī)定，會有什么后果呢？據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，不用的反相器的輸入端懸空的后果有時會產(chǎn)生寄生振蕩，影響電路的正常工作；還有一次我發(fā)現(xiàn)一個4069有一個反相器損壞了，原因就是使用中把它的輸入端懸空造成的。

如果你有六個發(fā)光二極管，則可把它們分別接到一個反相器的輸出端。每次撥動開關(guān)，可控制三個燈亮。

這個電路很簡單，你很快就可以掌握和制作成功。請想一想，它的這種功能可以做什么用呢？試試看，能不能把它稍加變化，做成一個報(bào)警開關(guān)呢？把電路中的開關(guān)用一根細(xì)導(dǎo)線來代替，反相器的輸入端由報(bào)警導(dǎo)線接在高電位，則第一、三、五個反相器輸出低電位，如果在這里接入發(fā)光二極管，由于輸出低電位，沒有燈光報(bào)警。當(dāng)這根細(xì)導(dǎo)線受到破壞被扯斷時，輸入端由下拉電阻R1供電得到低電位，輸出高電位，產(chǎn)生燈光報(bào)警。

4．關(guān)于RC電路的時間常數(shù)

前面說過，定時器的時間設(shè)定是通過改變電位器的阻值實(shí)現(xiàn)的。這是因?yàn)殡娢黄髋cC1組成的RC電路的時間常數(shù)確定了C1上的電壓的變化速率。所謂時間常數(shù)就是電阻阻值和電容容量的乘積，即按公式時間τ=RC計(jì)算。如果電阻的單位是MΩ，電容的單位是μF，則時間常數(shù)τ的單位是秒。這里的時間常數(shù)τ是指電容C上的電壓升到外加在RC電路上的電壓（電源電壓）的0.69倍的時間。本機(jī)中的RC電路也叫積分電路。積分電路的特點(diǎn)是當(dāng)外加電壓為變化很快的矩形方波時，其電容上的電壓按照指數(shù)函數(shù)變化的規(guī)律緩慢變化，見圖24-014。在本例中當(dāng)C1上的電壓升至電源電壓的一半時，就會引起門電路的翻轉(zhuǎn)，即到達(dá)了提醒的時刻。提醒時間小于時間常數(shù)，約為時間常數(shù)的0.69倍。提醒時間為0.69τ＝0.69RC，也就是當(dāng)電容不變的情況下，提醒時間與電阻R成正比。所以盡管R1和C1的標(biāo)稱值的乘積時間常數(shù)τ不是提醒時間，依然是我們設(shè)計(jì)提醒時間的依據(jù)。當(dāng)R為500k，C為3300μF，τ=RC=0.5×3300=1650秒，約為27分，提醒時間上限應(yīng)為27分×0.69≈19分。由于我們采用普通大容量的電解電容，誤差較大，其實(shí)際容量要比標(biāo)稱值大許多，實(shí)測定時提醒時間上限約為25分。

圖24-014

5．思考與創(chuàng)新

請大家思考幾個問題。本定時器的RC電路中，電阻R1接電源正極，電容C1接地。R1和C1的位置也可以互相調(diào)換，也就是電容C1接在電源的正極，電阻R1接地。你能自行設(shè)計(jì)這樣的電路嗎？

本機(jī)的電源開關(guān)使用了一刀雙擲的，請你分析一下它有哪些功能；如果我們改用普通的一刀單擲的開關(guān)，提醒器能正常工作嗎？本機(jī)的使用非常簡單，只要打開電源開關(guān)，綠燈亮，就指示提醒器處于正常工作的狀態(tài)，到了時間標(biāo)尺設(shè)置的時間，就會發(fā)出提醒信號。那么如何正確進(jìn)行時間設(shè)置呢？是先打開電源開關(guān)，然后再移動時間標(biāo)尺設(shè)置時間，還是先用時間標(biāo)尺設(shè)置時間然后再打開電源開關(guān)呢？

二、音樂杯

音樂杯外表看起來和普通的杯子沒有什么區(qū)別，但每當(dāng)你向杯子中倒水時，杯子會在水快滿時奏響一曲音樂，這種功能特別適合盲人使用。

電路原理

電路圖見圖24-021。電路由傳感器、4069整形電路，觸發(fā)電路和發(fā)聲電路組成。當(dāng)杯中沒有水或水沒有達(dá)到傳感器所在位置時，傳感器電阻很大，4069整形電路的非門輸入端為低電位，整形電路輸出也為低電位，此時不能觸發(fā)發(fā)聲電路。當(dāng)杯中的水面上升，到達(dá)傳感器所在位置時，由于水具有一定的導(dǎo)電能力，傳感器的電阻變小，4069的非門輸入端為高電位，通過4069的整形電路，輸出變?yōu)楦唠娢?，再通過電容C1組成的觸發(fā)電路給發(fā)聲電路一個正脈沖，發(fā)聲電路工作，奏出一曲音樂。當(dāng)一曲音樂奏完后，即使水面仍保持在傳感器以上，4069仍輸出高電位，但由于電容C1的作用，發(fā)聲電路不會被再次觸發(fā)，音樂停止。如果水面下降后再次升高，則音樂會再次奏響一遍。

圖24-021

制作要點(diǎn)

傳感器的制作。本作品的傳感器用來測量杯子中水的位置。它由放在杯中的兩個金屬觸點(diǎn)組成，其功能是測量水的電阻。杯子可用塑料的，傳感器的金屬觸點(diǎn)可用兩個不銹鋼的螺釘制作，不能用銅釘，以免上銹引起中毒。兩個觸點(diǎn)之間相距3厘米左右，螺釘直徑約為2毫米，長度略超過杯子的厚度即可。安裝時先在杯子壁上打兩個直徑略小于螺釘直徑的孔，然后將螺釘穿上焊片和引線，從杯子外面向內(nèi)旋緊，見圖24-0212。

圖24-0212

傳感器安裝完畢，可用歐姆擋測量一下電阻。方法如下：在杯中無水時傳感器兩端的電阻應(yīng)為無窮大，然后向杯中倒水，當(dāng)水沒過傳感器的兩個觸點(diǎn)后，其電阻應(yīng)在1兆歐以下。如果有水時其電阻接近2兆歐甚至超過2兆歐，則應(yīng)重新設(shè)計(jì)傳感器。一般說來，傳感器暴露在水中的面積大，其電阻就小。此時可用直徑大一些的螺釘，并使其穿過杯子部分的長度更長些，直到有水漫過傳感器時其電阻阻值達(dá)到要求為止。

整個電路可安裝在杯子外面的小盒子里。有一種旅行用的杯子，其手柄里是空心的，有放牙刷等物品的空間，很適合制做本作品。

電池用兩節(jié)7號電池，當(dāng)音樂杯不奏樂時，整機(jī)電流消耗僅為數(shù)微安，故不用電源開關(guān)。

發(fā)聲電路采用9300系列音樂集成片，用圓柱型微型喇叭放音。

電阻R1建議為2MΩ，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。如果水滿了但不發(fā)聲，則可將R1增大至3MΩ。R1的阻值不宜過大，以免水沒有達(dá)到高度時，產(chǎn)生誤觸發(fā)，導(dǎo)致音樂杯奏樂。

學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)與思考

1.傳感器的設(shè)計(jì)

為了保證傳感器的觸點(diǎn)長期在水中使用而不上銹，應(yīng)采用不銹鋼或銀等金屬制作。銅的導(dǎo)電性雖然很好，但其在水中易生銹，產(chǎn)生有毒物質(zhì)，故嚴(yán)禁在飲水杯中使用。用鋁也可以。還要注意兩個觸點(diǎn)必須用同樣的金屬材料，不能一個用鐵一個用鋁。

傳感器在水中輸出的是水的電阻。純凈的水是不導(dǎo)電的，其電阻為無窮大。而人們?nèi)粘５娘嬘盟蚝须s質(zhì)，其電阻并不很大。水的電阻的大小是很復(fù)雜的問題。在水質(zhì)一定，傳感器也固定的情況下，水的電阻仍不是一個穩(wěn)定的數(shù)值。從經(jīng)驗(yàn)得知，在本作品中，其大小與通過的電流有關(guān)。如果電流在幾十微安以上時，則其電阻隨著時間的延長而變大。為了減少電流對水的電阻的影響，電阻R1用到2MΩ，這樣通過傳感器進(jìn)入水中的電流約為1微安，在這種情況下，所測量的水的電阻相對于時間來說十分穩(wěn)定。據(jù)實(shí)驗(yàn)，用北京地區(qū)的自來水，當(dāng)電壓為3V，電阻R1為幾十kΩ時，通過傳感器在水中的電流會在幾秒鐘內(nèi)從開始的50微安減少到30微安。希望電子愛好者在設(shè)計(jì)制作完成本機(jī)的傳感器之后，能夠親自作一個實(shí)驗(yàn)，測量在不同電流強(qiáng)度下，當(dāng)?shù)氐娘嬘盟碾娮枧c通電時間的變化關(guān)系，從中我們可以得到很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。為了設(shè)計(jì)出實(shí)用的電子作品，不能僅僅滿足于學(xué)習(xí)理論知識，還必須從實(shí)際出發(fā)，通過反復(fù)試驗(yàn)才能得到正確的設(shè)計(jì)。

2.非門用做整形電路

本電路采用4069的6個非門串聯(lián)起來作為整形電路來使用，其功能是可以將輸入的電壓分為兩種，以電源電壓的一半為界。輸入電壓小于二分之一電源電壓時，輸出為0伏；輸入電壓大于二分之一電源電壓時，輸出為電源電壓。從電壓波形來觀察，輸入的電壓可能是很不規(guī)則的形狀，但經(jīng)過整形電路后，輸出的是矩形方波，見圖24-023。

圖24-023

為什么在本機(jī)中要采用整形電路呢？這是保證當(dāng)杯中的水面上升到指定位置時，音樂杯能及時奏響樂曲的需要。從傳感器得到的是水的電阻，它與機(jī)內(nèi)的電阻R1組成分壓器，提供4069非門的轉(zhuǎn)折電壓。這個電壓隨著水的電阻的變化而變化，很不穩(wěn)定，無法滿足發(fā)聲電路觸發(fā)條件的要求。為了可靠地觸發(fā)發(fā)聲電路，必須使用矩形方波信號。

3.微分電路

本機(jī)的發(fā)聲電路仍采用9300系列集成電路音樂片。與前面的定時聲光提醒器電路不同的是，9300通過電容C1觸發(fā)。這是因?yàn)樵谔嵝哑麟娐分?，要求聲音一直響，直到引起人的注意，關(guān)上聲音為止。而在本機(jī)中，當(dāng)水到了預(yù)定高度后，發(fā)聲電路響一支曲子就可以了，不需要永遠(yuǎn)響下去。9300集成音樂片電路觸發(fā)的原理是這樣的，當(dāng)觸發(fā)端為低電位時不發(fā)聲；當(dāng)觸發(fā)端保持在高電位時，音樂片處于常發(fā)聲狀態(tài)，此時它反復(fù)奏響同一支曲子；當(dāng)觸發(fā)端接受到一個瞬時高電位脈沖信號時，它奏響一遍曲子后停止。顯然，本機(jī)要采用最后一種觸發(fā)方式。為了給觸發(fā)端一個瞬時脈沖信號，本機(jī)采用了微分電路，將4069給出的高電位觸發(fā)信號通過微分電路變成脈沖信號。典型的微分電路如圖4所示。與積分電路相比較，微分電路也是由一個電阻和電容串聯(lián)組成的，不同之處在于微分電路從電阻R2上輸出電壓。微分電路的特點(diǎn)是當(dāng)輸入電壓為矩形方波時，輸出電壓為瞬時尖脈沖（見圖24-024）。可以看出，微分電路只有在輸入電壓產(chǎn)生躍變時才輸出脈沖信號，而輸入電壓保持穩(wěn)定時不輸出信號。這個特性正好用來作為本機(jī)發(fā)聲電路的觸發(fā)信號之用。表面看起來，這里的電阻R2在音樂杯的電路中并沒有，但實(shí)際上它是存在的，9300內(nèi)部的觸發(fā)端與接地端之間存在著一個電阻，其阻值約為數(shù)十千歐。

圖24-024

三、密碼鎖

密碼鎖實(shí)際上是一種電子開關(guān)，可控制收音機(jī)等電器。它有0～9十個數(shù)字鍵。密碼由4個不同的數(shù)字組成，只有輸入正確的密碼，才能開鎖。如果用電磁鐵制成機(jī)械裝置，它也能成為一種傳統(tǒng)意義上的鎖。

電路原理

電路圖見圖24-031。由控制部分、自鎖電路和驅(qū)動電路組成。

圖24-031

如果采用4位數(shù)字密碼，則控制部分包括4路按鈕開關(guān)，每一路按鈕開關(guān)控制一組由積分電路和非門組成的電路。在未按下密碼按鈕時，非門1輸入端的電壓由下拉電阻R3所決定，為低電位，所以輸出端為高電位。非門2和3也分別由相應(yīng)的限位電阻R4和 R5控制，其輸出端的電位均保持固有的狀態(tài)。只有按順序從非門1的輸入端到非門3輸出端依次按下按鈕開關(guān)AN1～4，才能打開鎖。其過程是這樣的：當(dāng)我們按下4 位密碼的第一個正確的數(shù)碼鍵AN1后，非門1的輸入端的電壓變?yōu)楦唠娢唬瑫r由R1和C1組成的積分電路開始工作，使非門1輸入端上的電壓在數(shù)秒鐘內(nèi)按指數(shù)函數(shù)規(guī)律由高變低；其輸出端則由高電位變?yōu)榈碗娢唬⒈３謹(jǐn)?shù)秒鐘后變?yōu)楦唠娢?。在非門1的輸出端的電位保持在低電位這段時間內(nèi)，如果你按下4 位密碼中的第二個正確的數(shù)碼鍵AN2，則非門2的輸入端會從高電位變成低電位，并保持?jǐn)?shù)秒鐘后變回高電位，從而使非門2的輸出端變?yōu)楦唠娢徊⒈３謳酌腌?。依次及時地按下4個正確的密碼鍵，則非門3輸出的低電位信號就會到達(dá)自鎖電路的非門4。自鎖電路的非門5就會輸出低電位，非門6輸出高電位，從而通過驅(qū)動電路，接通收音機(jī)的電源，也就是實(shí)現(xiàn)開鎖功能。

從以上分析可知，只有正確地輸入密碼，才能打開驅(qū)動電路。如果按錯密碼或者兩次按鍵的時間間隔過長，則驅(qū)動電路不會動作。

為了加強(qiáng)密碼功能，本電路采用0～9十個數(shù)字鍵。在這10個鍵中，除了4個密碼鍵之外，還有4個陷阱鍵AN5～8 和2個迷惑鍵AN9、10。迷惑鍵不連結(jié)任何電路，你可任意按動。比如密碼是5678，迷惑鍵是0和4，則你可用5678、5060748、405678等開鎖，它們的功能是一樣的。使用迷惑鍵的好處是不易被別人觀察出你的密碼。陷阱鍵是1、2、3和9。陷阱鍵的功能是當(dāng)在按鍵過程中按下其中之一時，就會清除以前的正確操作，要想開鎖就必須重新輸入密碼，從而使密碼鎖更加安全。

自鎖電路的功能是使開鎖狀態(tài)得以保存。我們知道，4位密碼輸入完成后，自鎖電路得到一個開鎖信號，這個信號是一個瞬時脈沖信號。自鎖電路的功能就是記住這個脈沖信號并保持住它，以使驅(qū)動電路正常工作。

本機(jī)的驅(qū)動電路是一個收音機(jī)的電子開關(guān)，這樣的收音機(jī)就變成了一個帶電子密碼鎖的收音機(jī)。愛好者可根據(jù)不同的控制對象，設(shè)計(jì)驅(qū)動電路。

制作要點(diǎn)

RC積分電路時間常數(shù)的設(shè)計(jì)。這個時間常數(shù)決定按密碼鍵過程中有效的按下相鄰的兩個數(shù)碼鍵的間隔時間的長短。如本機(jī)電路所用的電阻和電容，時間常數(shù)為2秒，則在按鍵時兩鍵間隔時間應(yīng)在1.5秒鐘以內(nèi)，如果按下第一鍵后過了2秒鐘再按第二個鍵，則按鍵失效，必須重新開始密碼。RC乘積小，對按鍵的輸入速度要求快，反之則慢。

驅(qū)動電路主要問題是驅(qū)動電流要足夠大，例如要控制一個晶體管收音機(jī)，則必須知道收音機(jī)的最大消耗電流。普通袖珍收音機(jī)的最大電流約為100毫安，采用4069帶動9013晶體管驅(qū)動就可以了。如果要控制較大型的家用電器，則可使用可控硅或者繼電器。

學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)與思考

1．自鎖電路的原理和功能

本電路的自鎖電路是由非門4和非門5串聯(lián)組成的。后面的非門5的輸出端通過一個500kΩ的電阻與前面的非門4的輸入端相連。在這里它們組成了一個雙穩(wěn)態(tài)電路，它與前面的3個非門工作狀態(tài)不同。非門1～3都是單穩(wěn)態(tài)電路。在單穩(wěn)態(tài)電路中，如果給輸入端一個高電位或低電位的信號，然后馬上撤消這個信號，則它的輸出端只能在一段時間內(nèi)輸出相反的電位，然后又恢復(fù)到原來的狀態(tài)。也就是說它只有一種穩(wěn)定狀態(tài)，要么是高電位，要么是低電位。如果輸出了另一種電位，那也是暫時的。而雙穩(wěn)態(tài)電路則不然，它既可以輸出并保持高電位，也可以輸出并保持低電位，而且這兩種狀態(tài)可由輸入端的電位加以控制。雙穩(wěn)態(tài)電路的這種性質(zhì)也叫記憶功能。

下面分析一下自鎖電路的工作原理。當(dāng)整個電路處于關(guān)機(jī)狀態(tài)時，自鎖電路的非門4的輸入端為高電位，輸出低電位，非門5輸出高電位，非門6輸出低電位，驅(qū)動電路無電流輸出。由電阻R6的作用，將非門4的輸入端與非門5的輸出端連在一起，所以非門4被牢牢地控制為目前狀態(tài)。這樣，自鎖電路就穩(wěn)定地保持著現(xiàn)有的輸出狀態(tài)。此時如果在輸入端給出一個低電位信號，然后再撤消這個輸入信號，也就是使非門4的輸入端暫時由低電位控制一段時間，則非門4輸出高電位到非門5的輸入端，非門5輸出端就變成了低電位。這時即使外加在自鎖電路的輸入端的低電位消失，由非門5輸出端的低電位通過電阻R6，仍可控制非門4的輸入端，使它保持為低電位。這樣，自鎖電路的非門5的輸出端就完成了從高電位到低電位的轉(zhuǎn)換，由原來穩(wěn)定地保持在高電位變成穩(wěn)定地保持在低電位。當(dāng)然，非門6的輸出則由原來的低電位變成高電位，并穩(wěn)定地保持在高電位狀態(tài)。驅(qū)動電路也就變成了導(dǎo)通狀態(tài)，控制的電器也就從關(guān)機(jī)狀態(tài)變成開機(jī)狀態(tài)。此后，在自鎖電路的輸入端加上一個高電位然后再撤消，上述的過程就會以相反的狀態(tài)重復(fù)一遍，驅(qū)動電路就會從導(dǎo)通狀態(tài)變回關(guān)斷狀態(tài)，所控制的電器也變成關(guān)機(jī)狀態(tài)。

2．如何調(diào)整開鎖難度

密碼控制電路的原理是用RC積分電路，利用積分電路的時間常數(shù)的大小控制兩次按鍵時間的長短。時間常數(shù)τ＝RC（秒），如果R=1M，C=2.2μF，時間常數(shù)為2.2秒，那么所以從理論上說，你必須在按下第一個鍵后的幾秒鐘內(nèi)按下第二個鍵呢？這個問題也許沒有太大的實(shí)際意義，因?yàn)槲覀儽M可把時間常數(shù)設(shè)計(jì)得稍大一些，不必計(jì)較零點(diǎn)幾秒的差別，但是弄清楚這個問題對我們提高自己獨(dú)立設(shè)計(jì)電路的能力是很有必要的。如果你能畫出積分電路的電壓變化圖像，就會找出這個問題的答案。另外還要注意，這里的電容C如果采用比較便宜的電解電容，則要考慮到電解電容的誤差較大，一般比標(biāo)稱值大50%左右。所以實(shí)際上我們可以認(rèn)為時間常數(shù)就是我們兩次按鍵時間的上限。

3．開鎖后如何上鎖

本作品的收音機(jī)通過密碼鎖打開后，準(zhǔn)備關(guān)機(jī)，該如何操作呢？本電路設(shè)置了關(guān)閉鍵AN11。按下它即可關(guān)機(jī)，也就是“上鎖”。其實(shí)AN11是多余的，可以取消。細(xì)心的讀者通過分析電路不難發(fā)現(xiàn)，4位密碼中的最后一位數(shù)字可以作為關(guān)閉鍵使用，也就是電路圖中的AN4。為什么最后一個數(shù)字鍵有這種功能呢？使用它作為關(guān)閉鍵有什么條件呢？

4．如何用密碼鎖控制家用電器

典型的電路如圖24-032，采用12V的直流繼電器，可控制彩電冰箱等電器。這種電路很多書刊都有介紹，讀者可自行學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)。

圖24-032 四、感應(yīng)驗(yàn)電筆

傳統(tǒng)的測試交流電源線路是否帶電的試電筆采用接觸方式，用電極接觸線路，如果是火線，則燈亮，否則是地線。這個電路則采用感應(yīng)原理工作，使用時電極不必接觸帶電物體，只要靠近它就可以檢測出物體帶電情況。

電路原理

電路圖見圖24-041。它由電場探極、整流電路、非門驅(qū)動電路和燈光顯示電路組成。將電場探極靠近帶電物體，由電場探極接收到物體周圍電場信號，通過整流電路將負(fù)電場電位旁路而保留正電場電位，當(dāng)正電位累積到一定電壓后，通過非門電路驅(qū)動發(fā)光二極管，顯示出被側(cè)物體的電位。如圖的電路可以顯示物體是否帶正電或者是否帶交流電。

圖24-041

制作要點(diǎn)

如果僅為了實(shí)驗(yàn)，可以在面包板上組裝。實(shí)驗(yàn)成功后，可以制作成小型的驗(yàn)電筆。

學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)與思考

1．帶電物體的電場

帶電的物體周圍會產(chǎn)生電場。雖然電場看不見也摸不著，但是我們?nèi)匀豢梢愿杏X到它的存在。一個金屬電極放在電場中，就會收到電場的感應(yīng)電壓；把這個電壓接到CMOS門電路的輸入端，由于輸入端的輸入阻抗很高，這個電壓可以驅(qū)動門電路。為了驗(yàn)證這一現(xiàn)象，可手持感應(yīng)驗(yàn)電筆將它向一臺工作中的電視機(jī)屏幕靠近或移開，這時就會發(fā)現(xiàn)感應(yīng)驗(yàn)電筆的指示燈也隨之變亮或者由亮變熄滅。

2．二極管的整流功能

CMOS電路的輸入端有一個接地的二極管，它在整個電路中起著至關(guān)重要的作用。它的負(fù)極接在輸入端，可以使輸入端保持正電壓。其工作原理除了可以用二極管單向?qū)щ姷恼髯饔脕斫忉專灰部梢赃@樣理解這個電路：如果電極感應(yīng)到負(fù)電壓，則它被二極管旁路，反之，當(dāng)感應(yīng)到正電壓，則由于二極管的高阻抗，正電壓被積累在電容器C上；這樣，當(dāng)電極靠近220V交流電線路時，就會使驗(yàn)電筆發(fā)光。電容C也是整流電路的一部分，它的數(shù)值大小也會影響到驗(yàn)電筆的正常工作；可以通過實(shí)驗(yàn)確定它的取值范圍。

3．檢測負(fù)電場點(diǎn)電路

綜上所述，上面的電路無法檢測物體是否帶負(fù)電。只要將二極管的正極接門電路輸入端，負(fù)極接電源的正極，就可以制成檢測負(fù)電場的驗(yàn)電筆。

4．思考

如何制作出可以檢測出物體帶正電、負(fù)電和交流電的感應(yīng)驗(yàn)電筆呢？請讀者想辦法解決這一問題。

房屋中的電源電線埋在墻中，如何使用感應(yīng)驗(yàn)電筆查找電線的位置呢？

五、擲硬幣模擬器

擲硬幣模擬器可以用不同顏色的燈光模擬演示投擲硬幣的結(jié)果。例如選用紅燈和綠燈，每按一次控制按鈕，紅燈和綠燈中就有一個被點(diǎn)亮，相當(dāng)于一次擲硬幣的結(jié)果。

電路原理

本作品用一個4069制作，由振蕩器，控制按鈕，自鎖電路和燈光顯示電路組成，見圖24-051。電路由非門1和非門2組成的振蕩器產(chǎn)生每秒鐘上千次的振蕩信號。按下控制按鈕AN，振蕩信號就輸送到由非門3和非門4組成的自鎖電路；松開控制按鈕AN后，輸送到自鎖電路的振蕩信號的最后狀態(tài)被路固定，驅(qū)動由非門5和非門6組成的燈光顯示電路，點(diǎn)亮紅燈或綠燈。由于振蕩信號的頻率達(dá)1千赫茲，人通過按動開關(guān)無法控制最后輸送到自鎖電路的振蕩信號的狀態(tài)，也就是當(dāng)松開按鈕的一瞬間，振蕩信號是高電位還是低電位完全是隨機(jī)的。假定振蕩器產(chǎn)生的方波信號的占空比為1:2，則輸出到自鎖電路的電壓是高電位還是低電位的機(jī)率是相等的，所以燈光顯示電路的結(jié)果是紅燈亮還是綠燈亮也是隨機(jī)的，而且紅燈和綠燈出現(xiàn)的機(jī)率相等。這樣，本作品就可以模擬擲硬幣的結(jié)果。

圖24-051

為了增加作品的趣味性，電路有聲音提示，利用多諧振蕩器提供的音頻振蕩信號驅(qū)動壓電陶瓷片發(fā)聲。每按動一次AN，模擬一次擲硬幣的結(jié)果，就發(fā)出一聲鳴叫。

制作要點(diǎn)

作品按電路焊接成功，不需任何調(diào)試即可工作。也可在面包板上進(jìn)行組裝作品。如圖1的電路電源電壓應(yīng)選用3V，可用直徑3mm的發(fā)光二極管。打開電源開關(guān)后，如果焊接無誤，紅色燈和綠色燈會有一個點(diǎn)亮；按動按鈕，就會聽到壓電陶瓷片發(fā)出鳴叫，紅色燈和綠色燈都被點(diǎn)亮；松開按鈕后，鳴叫聲音停止，紅色燈和綠色燈只有一個點(diǎn)亮。

如果采用4.5V電源，則必須在每個發(fā)光二極管上串聯(lián)一個2kΩ的電阻。

學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)與思考

1．門電路組成的振蕩器電路

本電路的振蕩電路為多諧振蕩器，典型的4069多諧振蕩器電路如圖24-052，由兩個非門，電阻Rs、Rt和電容Cs組成，其工作原理在此就不贅述了。這種振蕩電路輸出矩形方波，其占空比約為1:2。所謂“占空比”指矩形方波在一個振蕩周期內(nèi)的高電位維持的時間與振蕩周期的比，圖24-053表示了兩種不同占空比的矩形方波的波形圖。如果高電位和低電位在一個周期內(nèi)所占的時間相等，其占空比就是1:2（50%）。在本電路中，為了正確模擬擲硬幣的結(jié)果，需要這種占空比的方波。實(shí)際上多諧振蕩器的占空比只是近似等于1:2。在多諧振蕩器中，振蕩頻率主要由電阻Rs和電容Cs決定，電阻Rt的作用是使振蕩器工作更穩(wěn)定，一般Rt的阻值大于Rs，通常可在Rs的3～10倍范圍內(nèi)選擇；對振蕩器性能要求不高的電路，電阻Rt可以省略不用。振蕩周期可按公式：T≈2.2RsCs來計(jì)算，振蕩頻率f＝1/T。本作品中，Rs＝100k，Rt＝470k，Cs＝0.0047μ，T＝2.2×0.1×0.0047＝0.001秒，f＝1/T＝1000Hz。使用這個頻率既滿足了產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)（0和1）的需要，也可以提供聲音提示信號，可謂一舉兩得。

圖24-052

圖24-053

2．小實(shí)驗(yàn)

①多諧振蕩器頻率測定。實(shí)驗(yàn)電路如圖24-054。器材準(zhǔn)備：面包板及電路所需元器件。本實(shí)驗(yàn)通過選取不同的Rt、Rs、Cs及電源電壓，觀測記錄振蕩頻率，并與理論計(jì)算頻率相比較。通過實(shí)驗(yàn)可以更深刻地掌握多諧振蕩器的頻率設(shè)計(jì)。舉例：不用Rt，取Rs＝1MΩ，Cs＝0.47μF，Vdd＝2.9V，4069型號為MC14069，記錄50秒鐘燈光閃動的次數(shù)。例如閃動51次，則頻f=51/50＝1.02Hz。對照理論計(jì)算：T＝2.2×Rs×Cs＝1.04秒，f=1/T=0.96Hz。以后每次實(shí)驗(yàn)可以改變一種參數(shù)，例如改用3節(jié)5號電池（注意電壓要據(jù)實(shí)測量，不能認(rèn)為是4.5V），其余保持不變，然后記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過以上實(shí)驗(yàn)，還可以知道電源電壓Vdd和穩(wěn)定電阻Rt也對振蕩頻率有一定的影響，一般電源電壓低，振蕩頻率變低；Rt阻值變大，振蕩頻率變低。

圖24-054

使用這個電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，你會發(fā)現(xiàn)一個問題，就是要同時觀察時間和燈光閃動的次數(shù)，十分不方便。要是實(shí)驗(yàn)電路能夠同時發(fā)出聲音提示就方便多了。如何使實(shí)驗(yàn)電路具有聲音提示功能呢？這個問題請讀者自己解決。

②利用概率統(tǒng)計(jì)測定方波占空比。如果多諧振蕩器的工作頻率較高，我們手里沒有專用的儀器，如何測量振蕩器輸出方波的占空比呢？可以利用擲硬幣模擬器來測定方波的占空比。準(zhǔn)備一支筆，一張紙。依次按動開關(guān)，記錄下每一次輸出結(jié)果，至少重復(fù)100次。然后統(tǒng)計(jì)出紅燈與綠燈分別出現(xiàn)的次數(shù)。例如共進(jìn)行了300次實(shí)驗(yàn)，紅燈和綠燈出現(xiàn)的次數(shù)分別為147和153，再根據(jù)這個比例計(jì)算出多諧振蕩器在按鈕開關(guān)處輸出的方波信號的占空比。計(jì)算之前首先確認(rèn)一下紅燈亮代表按鈕開關(guān)處的何種電壓狀態(tài)。如本機(jī)電路圖，紅燈亮代表按鈕開關(guān)處的高電位，從而計(jì)算出這個振蕩電路輸出的方波信號占空比為147:300＝49%。

通過這個實(shí)驗(yàn)可以使我們進(jìn)一步掌握非門的多諧振蕩器的性質(zhì)，以前只是在理論上知道其輸出信號的占空比近似為1:2，但究竟如何并不清楚。通過這個實(shí)驗(yàn)，就可以間接地測量出占空比。此外，還可以進(jìn)一步研究影響占空比的因素，例如改變Rs和Rt的比值，再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，計(jì)算出它的占空比。進(jìn)行這樣的實(shí)驗(yàn)，可以了解影響占空比的因素，最后設(shè)計(jì)出占空比最接近1:2的多諧振蕩器電路。

六、視力保護(hù)提醒器

這個視力保護(hù)提醒器在光線充足的情況下沒有反應(yīng)，當(dāng)光線減弱至一定程度時，就會發(fā)出閃亮的燈光，提醒人注意環(huán)境光線不足。從而達(dá)到保護(hù)視力的功能。

電路原理

電路圖見圖24-061。電路由光線檢測、受控脈沖振蕩器、微分電路、整形電路、驅(qū)動電路和燈光顯示組成。光敏電阻Rg、電阻R1、R2共同組成分壓電路，使得在光線比較亮?xí)r，受控脈沖振蕩器不工作；當(dāng)光線較暗時，非門1電路翻轉(zhuǎn)，受控脈沖振蕩器工作，產(chǎn)生方波脈沖；方波脈沖通過R4和C2組成的微分電路變成間隔為脈沖周期、寬度約為0.2秒的窄脈沖信號；最后由9012將窄脈沖放大，驅(qū)動發(fā)光二極管發(fā)出閃亮的光線。

圖24-061

制作要點(diǎn)

本電路主要用于實(shí)驗(yàn)，可在面包板上進(jìn)行組裝。為了得到更好的效果，發(fā)光二極管一定要用高亮度的。一種藍(lán)色發(fā)光二極管，在相同電流下，可以發(fā)出比紅色高亮度二極管強(qiáng)上百倍的光線，且其驅(qū)動電壓在2.8V，可以采用3V電源供電；是最好的選擇。當(dāng)然，這種器件目前比較昂貴。此外，電源電路中的旁路電容的作用在這個電路中很重要，一定要用100μF以上的。

學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)與思考

1．利用微分電路獲得窄脈沖

微分電路在數(shù)字電路中使用非常廣泛。向微分電路輸入一個直流躍變信號，由于電容的阻隔直流、通過交流的作用，微分電路輸出一個尖脈沖信號。如果輸入一個矩形方波脈沖信號，則輸出一種對稱的交流脈沖信號。適當(dāng)選擇電容C和電阻R的數(shù)值，可以改變微分電路的時間常數(shù)，再用門電路整形，就可以獲得任意寬度的脈沖信號。本電路中C取0.22μF，R取1MΩ，時間常數(shù)τ＝1×0.22= 0.22秒。再考慮到非門的輸入輸出特性，窄脈沖的寬度大約在0.2秒。用窄脈沖信號驅(qū)動發(fā)光二極管有什么好處呢？我們知道，發(fā)光管的電流越大發(fā)出的光越強(qiáng)；但是過強(qiáng)的電流會使發(fā)光管損壞，電池的消耗也大。而采用窄脈沖信號驅(qū)動，情況就不同了。如果脈沖間隔為1秒多，脈沖寬度為0.2秒，瞬間發(fā)光管驅(qū)動電流為30 mA，驅(qū)動發(fā)光二極管的平均電流僅為5mA。

為了獲得任意時間間隔以及任意寬度的脈沖信號，應(yīng)該從兩方面來進(jìn)行。首先是微分電路輸入信號的頻率，它的周期決定了脈沖信號的時間間隔；可以通過改變多諧振蕩器的參數(shù)來實(shí)驗(yàn)。然后是微分電路的時間常數(shù)，這個數(shù)值越小，脈沖寬度越窄。

2．設(shè)計(jì)自動關(guān)機(jī)功能

這個把電路放在全黑的環(huán)境中，結(jié)果是燈會一直閃亮，直到電源用完為止。這是電路的主要缺點(diǎn)。為了避免這一缺點(diǎn)，需要一個電源開關(guān)。但是這樣電路就失去了自動提醒的功能。如何克服這個缺點(diǎn)呢？如果把它與文具盒組成一個產(chǎn)品，不使用電源開關(guān)，要有以下功能：在全黑的環(huán)境中（放在書包里），它不亮，基本上不耗電；在較暗的光線下發(fā)出燈光提醒信號；隨著光線進(jìn)一步加強(qiáng)，它又停止發(fā)光。這對于學(xué)生來說，是十分有用的預(yù)防近視的工具。