無線電小組的同學(xué)們?cè)诹私饬巳龢O管的開關(guān)應(yīng)用之后，開始進(jìn)行趣味數(shù)字電路的實(shí)驗(yàn)與制作。這次活動(dòng)的內(nèi)容是采用CMOS六反相器CC4069（圖1）組裝音頻電平指示器及仿警笛發(fā)生器電路（圖5及圖7）。調(diào)試成功后，由老師解答了同學(xué)們提出的問題，并組織大家進(jìn)行了討論。

　　同學(xué)：今天我們頭一次使用CC4069六反相器集成電路，請(qǐng)問您反相器電路的主要功能是什么呢？

　　老師：提起反相器電路，大家其實(shí)并不陌生。還記得上次講過的三極管開關(guān)電路（圖2）吧？哪個(gè)同學(xué)說說三極管開關(guān)是怎樣工作的？

　　同學(xué)：在三極管的基極加上高電位，三極管就飽和，相當(dāng)于開關(guān)的接通，集電極輸出為低電位。在三極管的基極加上低電位，三極管就截止，相當(dāng)于開關(guān)的斷開，集電極輸出為高電位。如果輸入的是個(gè)正的矩形脈沖，輸出就是一個(gè)負(fù)的矩形脈沖。

　　老師：對(duì)了。不過請(qǐng)大家注意，這種電路中，輸出脈沖信號(hào)的波形總是跟輸入脈沖信號(hào)的波形相位相反，所以管它叫反相器。反相器在數(shù)字系統(tǒng)中是一種最基本的門電路。今天大家使用的CMOS反相器中，開關(guān)器件不是三極管，而是MOS場(chǎng)效應(yīng)管。

　　同學(xué)：什么是CMOS電路呢？CMOS反相器與三極管反相器在結(jié)構(gòu)上有什么不同呢？

　　 老師：CMOS集成電路又叫互補(bǔ)型場(chǎng)效應(yīng)管集成電路，它的特點(diǎn)是采用了兩種不同導(dǎo)電類型的MOS場(chǎng)效應(yīng)管，一種是增強(qiáng)型P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管（PMOS管），另一種是增強(qiáng)型N溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管（NMOS管），它們組成了互補(bǔ)結(jié)構(gòu)。在工作中，兩個(gè)串聯(lián)的場(chǎng)效應(yīng)管總是處于一個(gè)管子導(dǎo)通，另一個(gè)管子截止的狀態(tài)。CMOS反相器比起三極管反相器要簡(jiǎn)單得多，現(xiàn)在畫出它的電路圖（圖3），可以看到，VT1是NMOS管，VT2是PMOS管。NMOS管是開關(guān)器件，叫輸入管。PMOS管取代漏極負(fù)載電阻，叫負(fù)載管，這種負(fù)載稱為有源負(fù)載。兩只管子的柵極連在一起作為反相器的輸入端A，漏極也連在一起作為輸出端L。負(fù)載管的源極接電源正極VDD，輸入管的源極接地（VSS端）。當(dāng)輸入信號(hào)為低電位0V時(shí)，VT1截止，VT2導(dǎo)通，輸出為高電位VDD；當(dāng)輸入信號(hào)為高電平VDD時(shí)，VT1導(dǎo)通，VT2截止，輸出為低電位0V。這就實(shí)現(xiàn)了輸出與輸入的反相功能。

　　同學(xué)：您剛才說反相器在數(shù)字系統(tǒng)中是一種最基本的門電路。我們很想了解什么是門電路呢？

　　老師：門電路可以看作是一種條件開關(guān)。它有一個(gè)或多個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。只有當(dāng)輸入信號(hào)滿足一定的條件時(shí)，門才開啟，信號(hào)才能通過。條件得不到滿足，門就關(guān)閉，信號(hào)就不能通過。換句話說，門電路的輸出和輸入之間存在著一定的邏輯關(guān)系。不同的門電路，輸出與輸入之間的邏輯關(guān)系也不同。

　　同學(xué)：反相器為什么也是一種門電路呢？

　　老師：反相器是最簡(jiǎn)單的門電路，它只有一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，輸入和輸出都只有高電位和低電位（在數(shù)字電路中稱之為高電平和低電平）兩種相反的狀態(tài)，如果高電平用“1”表示，低電平用“0”表示，反相器輸出與輸入之間特定的邏輯關(guān)系就是“輸入為1，則輸出為0；輸入為0，則輸出為1”，輸出總是輸入的否定，所以反相器稱為“非門”。任何一種門電路都可以用邏輯代數(shù)式表示輸出與輸入之間的邏輯關(guān)系。如果非門（反相器）的輸入邏輯變量為A，輸出邏輯變量為L(zhǎng)（圖4），寫成邏輯代數(shù)式就是L=A，A讀作A反，也就是A為“1”則A為“0”。也可以列成表格（見附表），稱為真值表。

　　同學(xué)：在電平指示器電路（圖5）中的反相器都是用來控制發(fā)光二極管點(diǎn)燃與熄滅的開關(guān)嗎？

　　老師：是的。大家可以做一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)（圖6）。在非門的輸入端用一個(gè)可調(diào)穩(wěn)壓電源代替信號(hào)源，當(dāng)輸入為低電平“0”狀態(tài)時(shí)，非門關(guān)閉，輸出為高電平“1”狀態(tài)，這時(shí)發(fā)光二極管不亮。當(dāng)輸入電壓逐漸增大，達(dá)到非門的開門電平，即輸入變?yōu)楦唠娖健?”狀態(tài)時(shí)，非門開啟，輸出變?yōu)榈碗娖健?”狀態(tài)，發(fā)光二極管被點(diǎn)燃發(fā)光。用CC4069的六個(gè)非門組成了音頻電平指示器電路，哪位同學(xué)能分析它的工作原理？

　　 同學(xué)：我來試試看。音頻功率放大器輸出到揚(yáng)聲器的信號(hào)電壓，同時(shí)引到電平指示器輸入端的電位器RP上，經(jīng)RP分壓后加到二極管VD1上。當(dāng)輸入信號(hào)的幅度逐漸增大到超過VD1的導(dǎo)通電壓（約0.6V）時(shí)，D1（非門1）的輸入端變?yōu)楦唠娖健?”，輸出端變?yōu)榈碗娖健?”，D1開啟，VD7發(fā)光，其它發(fā)光二極管仍不發(fā)光。隨著輸入信號(hào)的幅度繼續(xù)增大，二極管VD2、VD3……依次導(dǎo)通，D2、D3……先后開啟，VD8、VD9……逐級(jí)點(diǎn)燃。信號(hào)幅度大小不同，發(fā)光二極管點(diǎn)燃的個(gè)數(shù)也不同，直觀地顯示出音頻電平的變化情況。

　　老師：分析得很正確。大家只要把握住非門的邏輯功能，分析由非門組成的各種邏輯電路就比較容易了。

　　同學(xué)：今天組裝的仿警笛發(fā)生器電路（圖7），我們還沒分析出來，您能指點(diǎn)一下嗎？

　　老師：這個(gè)電路是由三個(gè)多諧振蕩器組成的。上次大家已經(jīng)組裝過三極管多諧振蕩器，哪位同學(xué)還能記得多諧振蕩器的原理和電路功能？

　　同學(xué)：多諧振蕩器是由兩個(gè)三極管反相器及電阻-電容充放電電路組成的。隨著電容器的充電和放電，兩只三極管交替地飽和與截止，使兩管的集電極周期性地在高電位和低電位之間交替轉(zhuǎn)換，輸出連續(xù)的矩形脈沖。所以，多諧振蕩器是一種矩形脈沖產(chǎn)生電路。

　　老師：回答得很好。非門（反相器）也是起開關(guān)作用的，所以用兩個(gè)非門外接RC充放電電路也能組成多諧振蕩器，現(xiàn)在我們畫出它的電原理圖（圖8）。當(dāng)電源接通瞬間，如果D1的輸入端A點(diǎn)為低電平“0”，則D1的輸出端B點(diǎn)為高電平“1”，經(jīng)D2反相，其輸出端E點(diǎn)為低電平“0”，電路處于暫穩(wěn)狀態(tài)。下一步請(qǐng)同學(xué)們繼續(xù)分析。

　　同學(xué)：根據(jù)您上次講過的脈沖電路的分析方法，由于電路中有電容C，而B點(diǎn)為高電平，E點(diǎn)為低電平，所以將有一個(gè)充電電流由B點(diǎn)經(jīng)過R2向電容C充電。隨著充電過程的進(jìn)行，D點(diǎn)電位逐漸升高，A點(diǎn)電位也隨之上升，經(jīng)過一定的時(shí)間，UA達(dá)到非門的開門電平UTR時(shí)，D1的輸出變成低電平“0”，D2的輸出變成高電平“1”。

　　老師：是這樣。電路狀態(tài)翻轉(zhuǎn)后，B點(diǎn)變成低電平，E點(diǎn)變成高電平，這時(shí)候，電容器C就要通過R2放電，然后再反方向充電，使D1輸入端A點(diǎn)電位逐漸下降，直到UA<UTR時(shí)，電路狀態(tài)又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，回到起始的暫穩(wěn)狀態(tài)。這以后電路不斷重復(fù)以上的過程，產(chǎn)生周期性的振蕩，在E點(diǎn)輸出連續(xù)的矩形脈沖。

　　同學(xué)：既然是振蕩器，電路的振蕩頻率由什么決定呢？

　　老師：振蕩頻率主要由電阻R2和電容C的大小決定，與電阻R1也有一定關(guān)系。如果取R1=2R2（圖8），振蕩頻率近似為f=1/（1.5R2C）

　　同學(xué)：這種多諧振蕩器也可以直接帶動(dòng)發(fā)光二極管閃光嗎？

　　老師：可以直接帶動(dòng)一個(gè)發(fā)光二極管閃光（圖8虛線支路）。

　　同學(xué)：現(xiàn)在我對(duì)由非門組成的多諧振蕩器的工作原理已經(jīng)清楚了。在仿警笛發(fā)生器電路（圖7）里，三個(gè)多諧振蕩器的振蕩頻率我分別計(jì)算了一下，左邊的約為2Hz，右上邊的為1kHz，右下邊的約為330Hz，您看對(duì)嗎？

　　老師：你計(jì)算的結(jié)果都對(duì)。由D3與D4組成的振蕩器頻率比較高，D5與D6組成的振蕩器頻率比較低，如果它們交替地工作去推動(dòng)揚(yáng)聲器，就會(huì)發(fā)出“嘀—、嘟—”模擬警笛的雙聲音響。我再問問你們，由D1和D2組成的超低頻振蕩器在電路里起什么作用呢？

　　同學(xué)：從電路圖（圖7）上看，D1的輸出端B通過二極管VD1接高音振蕩器，D2的輸出端E通過二極管VD2接低音振蕩器。D1和D2組成的2Hz超低頻振蕩器在振蕩時(shí)，B點(diǎn)和E點(diǎn)在低電平和高電平之間交替轉(zhuǎn)換，0.5s轉(zhuǎn)換一次。當(dāng)B點(diǎn)為低電平時(shí)，E點(diǎn)肯定是高電平，這時(shí)VD1導(dǎo)通，D3的輸入端被鉗位在低電平上，高音振蕩器不能啟振；VD2截止，低音振蕩器開始振蕩。當(dāng)B點(diǎn)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，E點(diǎn)變?yōu)榈碗娖剑琕D1截止，高音振蕩器工作；VD2導(dǎo)通，低音振蕩器停振。這樣，超低頻振蕩器控制高、低音兩個(gè)振蕩器交替工作，使揚(yáng)聲器發(fā)出“嘀—、嘟—”仿警笛聲響。

　　老師：很好。你們只要肯動(dòng)腦筋，不斷學(xué)習(xí)和實(shí)踐，就能逐步掌握脈沖數(shù)字電路的分析方法。大家還有什么問題嗎？

　　同學(xué)：請(qǐng)問您非門多諧振蕩器（圖8）的電阻R1起什么作用呢？

　　老師：R1叫補(bǔ)償電阻，它是用來改善由于電源電壓波動(dòng)所引起的振蕩頻率的不穩(wěn)定。在對(duì)頻率穩(wěn)定度要求不高的場(chǎng)合，R1也可以不用。我再給大家畫一個(gè)簡(jiǎn)單電子門鈴電路（圖9），有興趣的同學(xué)可以自己分析與制作。

（宋東生）