数字化测量技术

信息学院电子工程系数字化测量技术省级精品课

数字化测量技术数字化测量技术

第一节方波发生器

第二节占空比可调的矩形波发生器

第三节石英晶体振荡器及秒基准信号发生器

第四节 CMOS 门电路的使用技巧

一、两级反相式阻容振荡器

二、三级反相频率可调式阻容振荡器

三、方波信号发生器的特殊应用

工作原理：是 CD4069 属于 CMOS 六反相器，利用其中的两级反

相器（ D1、 D2 ）和 R、 C 元件，可构成阻容振荡器。 R1和 C 分别为振荡电阻、振荡电容。设在 t＝ 0 的时刻，

电容器 C 开始向电阻 R1 放电，然后电源 UDD 又对 C 进行充电，充电途径为 UDD→R1→ C→USS 。于是，随着电容器周期性的充、放电，便形成了振荡。

图 2-1-1 两级反相式阻容振荡器a ）振荡电路 b ）工作波形

R2 作用：偏置电阻，它不仅能稳定工作点，消除转移电压 UT

的偏差，使 UT＝ UDD/2 ，还可影响振荡频率，并能改变输出波形的占空比，使输出占空比等于 50% 的方波

振荡周期与振荡频率的估算公式：T＝ 2R1Cln3≈2.2R1C

f ≈ 1

0.455

R C

几点说明：（ 1 ）由于 COMS 反相器的参数存在一定的差异，加之阻

容元件也存在着误差。因此上述公式均为估算公式。（ 2 ）该电路的最低振荡频率 fmin 为零点几赫兹，最高振

荡频率 fmax≈2MHz 。（ 3 ）在时间常数 τ ＝ R1C 为定值时， R1、 C 的数值可

互相搭配。为提高频率的稳定性，避免使用体积较大的大容量电容器， R1 值宜取大些， C 值取小些。

（ 4 ）当 R1＜ 100kΩ ，而 R2>>Rl ，或 R2＝ Rl ，或者采用 3V 低电压电源供电时，估算公式中的系数 0.455 应依次换成 0.722、 0.559、 0.555 。

（ 5 ）图 2-1-1a 中的 A 点不能接地，否则 C 无法正常充放电，会造成电路停振。




工作原理：使用 CD4069 中的三

个反相器（ D1～ D3 ）。具有容易起振、振荡频

率范围宽、稳定性好等优点。

振荡电阻由固定电阻 Rl 、电位器 RP 串联而成。调节 RP 的阻值 RRP ，可改变振荡频率。

图 2-1-2 三级反相频率可调式阻容振荡器a ）振荡电路 b ）工作波形

当 RRP＝ 100kΩ 时，最低振荡频率为

fmin≈ ＝ ≈ 4.5kHz

当 RRP＝ 0 时，最高振荡频率为

1 RP

0.455

( )R R C3 12

0.455

(100 100 10 ) 1000 10

fmax≈1

0.455

R C＝

12

0.455

100 1000 10 ≈4.5MHz

说明两点：第一，采用三级反相式阻容振荡器， fmin 可低

至零点零几赫兹， fmax＝ 8MHz ；第二，若选用高速 CMOS 六反相器 74HC04 ，则 fmax 能提高到 40MHz ，可构成高频方波信号发生器。




（ 1 ）方波本身除包含基波之外，还有大量的高次谐波，其频谱极为丰富，可检查低频、中频、甚至高频放大器的失真。

（ 2 ）利用它还能迅速确定频率失真、相位失真、振幅失真。

（ 3 ）可用较低频率的方波信号来检查较宽的通频带，例如用 1kHz 方波去检查 0 ～ 20kHz 的通频带，或用 40kHz 方波来检查 0 ～ 800kHz 的通频带。一般讲，如果被测放大器能将频率为 f 的方波不失真地放大，那么该放大器的频率响应便可达 20f 。





一、由门电路构成的矩形波发生器

二、由定时器构成的矩形波发生器

当反相器 D1 输出为 1 （高电平）、反相器 D2 输出为 0 （低电平）时， VDl 导通， VD2 截止，＋ 5V 电压经过 R1、 VDl对 C 充电。

当D1 输出为 0 、D2 输出为 1 时， VD2 导通， VDl 截止，电容器 C 经过 VD2向 R2 放电。 R2 是可变电阻，专门调整放电时间 t2， t2与 R2 成正比。若忽略二极管的正向导通电阻，

人为地改变 RC 振荡器的放电时间 t2 （或充电时间 t1 ），使得 t1≠ t2 ，从而获得不同占空比的矩形波输出。

通过硅高速开关二极管VDl、 VD2 把电容器 C 的充、放电回路隔离开，使二者互不影响，以便单独调整放电时间t2 。

图 2-2-1 由 CMOS 门电路构成矩形波发生器的电路

占空比及振荡频率的计算公式

将 Rl＝ 5.1kΩ、 R2＝ 0 ～ 10kΩ、 C ＝0.01μF 分别代入上述两式得该电路的占空比调节范围是 0%～ 66% ，振荡频率变化范围是 6 ～ 17.8kHz 。

2 2 2

1 2 1 2

100%t t R

DT t t R R

＝＝（2-2-1）

1 2

0.91

( )f

R R C

（2-2-2）

一、由门电路构成的矩形波发生器

二、由定时器构成的矩形波发生器

现利用隔离二极管 VDl、 VD2 把定时电容 C1 的充、放电回路分开。

充电回路为： UDD→R1→ VD1→C1→USS

放电回路为： C1→ VD2→R2→ ICM7555 内部放电管→ USS 。

能在很宽的频率范围内调节占空比而不影响振荡频率。

利用 CMOS 定时器（亦称时基电路） ICM7555 ，也可组成占空比可调的矩形波发生器。其主要特点是占空比与振荡频率之间彼此独立，互不影响、且占空比

2-2-2 2-2-2 由定时器构成矩形波发由定时器构成矩形波发生器的电路生器的电路

占空比及振荡频率的计算公式

电位器滑动触头旋至 a 端时， R1＝ 1kΩ， R2＝11kΩ ，代入式（ 2-2-3 ）中得到 D≈8.3% 。同理，当滑动触头旋到 b 端时， D≈91.7% 。因此，该电路的占空比调节范围是 8.3%～ 91.7% ，而振荡频率始终保持为 1.2kHz 。

D≈ 1

1 2

100%R

R R

（2-2-3）

f ≈1 2

1.44

( )R R C （2-2-4）

注意事项

（ 1 ） ICM7555 属于 CMOS 电路，其电源电压范围是＋ 3 ～ 18V 。若采用双极型定时器 NE555 ，电源电压范围将变成＋ 4.5～ 16V ，功耗也会增大。

（ 2 ）该电路还可用于调节数字仪表的显示器亮度。可通过调整扫描波形的占空比，达到调节 LED

显示器亮度之目的。白天环境亮度较高，可增加显示亮度；夜晚适当降低显示亮度以节省耗电。





一、石英晶体振荡器

二、几种秒基准信号发生器 1. 由 CD4060 构成的秒基准信号发生器 2. 由石英钟表集成电路构成的秒基准信号发生器 3. 由电波表构成的秒基准信号发生器

R1 等效串联电阻，即谐振电阻，阻值范围约几欧至几十千欧。 L0 是等效电感，约为 0.001～150000H。 C0 为分布电容，约 1 ～ 30pF。 C1 是动态电容，约为（ 5 ～ 20）×10 － 3pF 。

石英晶体是将天然或人造的石英单晶（即水晶）沿一定方向切割后制成的，它具有压电效应，加电压后能产生稳定度极高的晶振频率。

石英晶体是将天然或人造的石英单晶（即水晶）沿一定方向切割后制成的，它具有压电效应，加电压后能产生稳定度极高的晶振频率。

图图 2-3-1 2-3-1 石英晶体的工作原理石英晶体的工作原理a ）符号 b ）等效电路 c ）阻抗 - 频率特性

石英晶体有两个固有谐振频率，一个是串联固有谐振频率

102

1

CLf s

＝（2-3-1）

另一个是并联固有谐振频率

10

100

P

2

1

CC

CCL

f

＝（2-3-2）

若忽略 R1的影响，石英晶体的等效阻抗为

Z

2P

2

2S

2

02

1

ff

ff

fCj

＝（2-3-3）

分析式（2-3-3），可知，串联谐振时，f＝fS，|Z |≈0，并联谐振时，f≈ fP，|

Z |→∞。石

英晶体的阻抗-频率特性如 c图所示。当振荡频率 f＜fS或 f＞fP时，晶体的阻抗呈容性；当 fS

＜f＜fP时呈感性。

起振过程：假定在某一瞬间反相器 Dl 的输入电压为负极性，反相后的输出电压为正极性。

因此， C2 上的电压（即输出电压 UO ）极性为上正下负，而 C1 上的电压是上负下正，恰好与 UI 同相。 UO经 C2 、 C1 分压后向 D1 的输入端提供正反馈电压。该电路通电后由于 L0 、 C1 、 C2 的选频作用，就把通电干扰杂波中与 f 相同的信号选出来，进行反馈和放大，直至形成振荡。

因 C1 、 C2 能提供足够高的正反馈电压，及时补偿振荡器的能量损失，故电路能在极短时间内起振，并在 f 频率上维持等幅振荡。当 f 偏高时应适当增大的C2 容量，反之亦然。 C2 采用瓷介半可调电容， C1 宜选温度稳定性好的云母电容。

典型的晶振电路如图 2-3-2所示，包括石英晶体 A ，反相器 D1 和D2 、偏置电阻 Rf ，振荡电容 C1 、C2 。

C2 为频率微调电容。 D1 与 Rf组成反相放大器，利用 Rf 可将 D1 偏置在线性放大区， Rf 一般取 5.

1 ～ 30MΩ ，典型值为 10MΩ 。石英晶体在并联谐振时呈感性，其等效电感 L0 与电容器 C1 、 C2 构成正反馈选频网络。该电路属于柯尔皮兹式（即电容三点式）振荡器，调整 C2 可使振荡频率达到标称值。

典型的晶振电路如图 2-3-2所示，包括石英晶体 A ，反相器 D1 和D2 、偏置电阻 Rf ，振荡电容 C1 、C2 。

C2 为频率微调电容。 D1 与 Rf组成反相放大器，利用 Rf 可将 D1 偏置在线性放大区， Rf 一般取 5.

1 ～ 30MΩ ，典型值为 10MΩ 。石英晶体在并联谐振时呈感性，其等效电感 L0 与电容器 C1 、 C2 构成正反馈选频网络。该电路属于柯尔皮兹式（即电容三点式）振荡器，调整 C2 可使振荡频率达到标称值。

图图 2-3-2 2-3-2 典型的晶振电路典型的晶振电路

反相器 D2 的作用：第一，起放大整形作用，把晶振电路输出的近似

正弦波信号变成沿口陡峭的矩形波，满足数字电路的需要；

第二，起隔离作用，提高晶振电路带负载的能力。校准晶振频率时应把标准数字频率计接到 D2 的输出端，一边微调 C2 ，一边监视晶振频率，直到调成标称值 f ，还可以接示波器来观察晶振输出波形。倘若把仪器接到 Dl输出端，就可能改变晶振频率及波形，甚至造成停振。

许多数字仪器仪表，例如频率计、转速仪、流量仪、油耗仪以及时间控制器，都需要秒基准信号发生器。对秒基准信号的基本要求：

“稳”——是指频率稳定度高； “准”——是指频率准确度高； “简”——是电路简单； “廉”——是成本低廉，易于推广。



CD4060是 14 位二进制串行计数 /分频器，采用 DIP-16封装，它内部有 14 级二分频器，但输出端只有 10个： Q4～ Q10、 Ql2～Q14。 Q1 ～ Q3 以及 Q11 并未引出。CPI、 CPO 分别为时钟输入、输出端。 CPO# 为时钟反相输出端。石英晶体接在 CPI与 CPO# 之间。 CPO端可接标准频率计或示波器，来校准晶振频率或观察波形。 Cr 为复位端， Cr＝ 1 时停振。

图 2-3-3 CD4060 的引脚排列及典型应用电路a ）引脚排列 b ）典型应用电路

CD4060只能得到 10种分频系数，最小为 16 分频，最大为 16384 分频。因此， CD4060适配16384Hz 的石英晶体，从Ql4 端输出周期为 1s 的基准信号。

鉴于国内常见的石英晶体为 32768Hz （即 215Hz ），欲获得秒信号还必须外接一级二分频器，把CD4060输出的 2Hz 信号变成秒信号。外接的二分频器可选 D 触发器 CD4013或 JK 触发器

CD4027 （现仅用其中一半）。

几点说明：第一，复位端 Cr应固定接低电平USS ，否则输出呈全零状态；

第二， CD4060 是用脉冲下降沿来计数的；第三，利用片内反相器 D1、D2亦可接成两级反相式阻容

振荡器；还可由 CPI端输入外时钟信号，此时 CPO和CPO # 端悬空；

第四，欲获得脉宽为 1s 的频率计采样信号，需再增加一级二分频器。



5G5544的电源电压典型值为＋ 1.5V，工作电流仅 2μA。使用一节 5 号电池可连续工作一年以上。频率稳定度可达 5×10 － 7，年计时误差约为几十秒。

OSCI、 OSCO分别为振荡器输入、输出端。 ALI、 ALO依次为闹钟信号输入端（简称“闹入”端）、输出端。 OUT1和 OUT2是步进电机的两个驱动端。

主要包括三部分：① 15级二分频器，用于产生秒信号；②闹铃信号报时用的组脉冲发生器；③步进电机驱动脉冲输出电路。

5G5544的电源电压典型值为＋ 1.5V，工作电流仅 2μA。使用一节 5 号电池可连续工作一年以上。频率稳定度可达 5×10 － 7，年计时误差约为几十秒。

OSCI、 OSCO分别为振荡器输入、输出端。 ALI、 ALO依次为闹钟信号输入端（简称“闹入”端）、输出端。 OUT1和 OUT2是步进电机的两个驱动端。

主要包括三部分：① 15级二分频器，用于产生秒信号；②闹铃信号报时用的组脉冲发生器；③步进电机驱动脉冲输出电路。

图图 2-3-4 5G55442-3-4 5G5544 的引脚排列及内部框的引脚排列及内部框图图

5G5544 是国产石英钟表集成电路。它是由低压 CMOS工艺制成的，功耗极微。输出端能直接驱动永磁式步进电机，再配以齿轮传动机构和表针，制成石英钟。

5G5544 是国产石英钟表集成电路。它是由低压 CMOS工艺制成的，功耗极微。输出端能直接驱动永磁式步进电机，再配以齿轮传动机构和表针，制成石英钟。

闹铃信号周期为 1s ，每次输出脉冲时间为 0.5s ，调制频率是2048Hz 。

步进电机驱动脉冲的周期是 2s ，脉宽为 31.25ms ，能精确地控制步进电机每秒钟推动一次机械齿轮。

图 2-3-5 5G5544 的时序波形

音频音频

采用 32768Hz石英晶体， C 是频率微调电容，用来校准时间。 5G5544 的驱动信号输出级采用漏极开路的 N 沟道MOS 管，需外接 PNP晶体管进行功率放大。

图中的 3CG21型 PNP 管还具有反相作用，将负脉冲变成正脉冲。虽然从 OUT1 和 OUT2 输出端产生的是周期为 2s 的信号，但二者是交替产生的，将两个信号合成后才是秒信号。 VD1 、 VD2 和3CG21 就等效于二输入端或非门。

图 2-3-6 由 5G5544 构成的秒信号发生器电路

S 为闹时开关，用来“定闹”。 S 闭合时，当钟表时间与定闹时间一致时，从 ALO端输出的闹铃脉冲经过 VT2 （ 3DG6）驱动压电陶瓷蜂鸣器 BZ发声。

S 为闹时开关，用来“定闹”。 S 闭合时，当钟表时间与定闹时间一致时，从 ALO端输出的闹铃脉冲经过 VT2 （ 3DG6）驱动压电陶瓷蜂鸣器 BZ发声。

两点说明：

第一，该电路输出秒信号幅度约 1.5V ，欲配CMOS/TTL 电路，应加一级电平转换器；

第二，为提高计时准确度，还可采用国产 LH5512F（国外型号为 STP5512F ）型高频石英钟集成电路，它采用 4.194304MHz （即 223Hz ）高频石英晶体，经 23 级二分频后获得秒信号。因此，即使存在0.2Hz 的频率偏差，秒信号准确度也比 32768Hz 石英晶体高几十倍，年误差可低至几秒。



电波表亦称为无线控制计时钟表（ Radio controlled timepieces ）。

2003年 9 月 5 日，我国第一块电波表已经面世，使我国成为继美国、德国、英国、日本之后世界上第 5 个拥有该项技术并实现商品化的国家。

电波表是时频技术、微电子技术、通信技术、计算机技术与传统钟表技术的结晶，它具有精确计时（与国家授时台严格保持同步）、自动调时、无积累误差这三大优点。

是人类计时技术发展历程中继沙漏、日晷、机械钟表和石英钟表之后的第五代计时工具。由于采用了自动校准技术，因此 30万年内的计时误差不超过 1s 。

工作原理：

首先由授时台将标准时间信号进行编码，利用低频（ 20kHz～ 80kHz ）载波方式将时间信号以无线电长波发射出去。电波表再通过内置微型无线电接收系统接收被电离层反射回来的时码信号，由内部微处理器进行解调，再经过控制机构自动调节钟表的计时。





一、电压放大器二、门控振荡器三、声光报警电路四、开机自动复位电路五、负电源发生器

在反相器输入、输出端之间并联一只 10MΩ左右的负反馈电阻Rf，即可将反相器的工作点偏置在放大区。

b 图中 0A为负载线，电压转移特性曲线与 0A的交点即为静态工作点Q 。 Q 点必定位于线性放大区的中点。

由此可构成电压放大器，其放大倍数 KV≈－ 20倍。

图图 2-4-1 2-4-1 由由CMOSCMOS反相器反相器构成电压放大器构成电压放大器的工作原理的工作原理

aa ）电路）电路 bb）静态）静态工作点工作点 cc）波形）波形

R1 为输入端限流电阻， C1 是高频滤波电容。 VD1和 VD2 是双向限幅二极管，起过压保护作用。 C2、 C3 为交流耦合电容。 KU≈（－ 20）×（－ 20 ）＝ 400倍。

图图 2-4-2 2-4-2 交交流电压放大器电流电压放大器电路路


图 2-4-3 门控振荡器的典型电路

图 2-4-4 蜂鸣器电路

通过改变控制门输入端的电平，来决定振荡器的工作状态（起振或停振），

当控制端电压 UC＝ 1 （高电平）时 D1 被打开，电路起振；

通过改变控制门输入端的电平，来决定振荡器的工作状态（起振或停振），

当控制端电压 UC＝ 1 （高电平）时 D1 被打开，电路起振；

基于二级反相阻容振荡器

基于三级反相阻容振荡器


实验表明，在用声音或灯光报警时，持续不断的声响或常亮的灯光往往不容易引起人们的警觉，只有断续的声音或闪烁的灯光，才能取得最佳报警效果。

由与非门 CD4011构成两级门控振荡器。其中， D1和 D2 组成低频振荡器，振荡频率 f1≈ 1Hz ，周期约1s。 D3和 D4组成音频振荡器，振荡频率f2≈ 1kHz 。图图 2-4-5 2-4-5 由门控振荡器组成的声光报警由门控振荡器组成的声光报警

电路电路

仅当 UC端接高电平信号时电路才起振， BO端交替输出的高、低电平经过 VT1，使发光二极管 LED闪烁发光，闪光周期是 1s。

仅当 BO＝ 1 时，第二级振荡器才起振，通过达林顿管 VT2、VT3及输出变压器T ，驱动扬声器 BL发出断续的“嘀、嘀、…”报警声。

图 2-4-6 声光报警电路的各级振荡波形


开机后产生 UDD。由于 C1两端压降不能突变，使 UC点呈高电平，经反相器 D1、 D2整形，再经过 C2、 R2微分，产生复位信号。然后正电源沿UDD→ C1→ R1→ USS的途径给 C1充电，使 UC迅速下降，当 UC低于 D1的开启电压时， D2输出低电平。

关机后 S1-2拨至a ，将 C1上的电荷迅速泄放掉，保证再次开机时仍能产生复位脉冲。

D1和 D2起到放大整形作用，防抖动干扰。还能起到隔离作用，提高带负载能力。

图 2-4-7 开机自动复位电路

微分电路


由 C2 、 VDl 、 VD2 和 C3组成半波倍压整流电路。在振荡信号的正半周， VDl导通， VD2截止。则信号电压全部降落在 C2上。在信号的负半周， VDl截止， VD2导通，信号电压就与 C2上的电压相叠加，经 VD2整流后变成负极性的脉动直流电压，再经过 C3滤波后获得－5V电源。

图图 2-4-8 2-4-8 利用门电路产生－利用门电路产生－ 5V5V 电源的电电源的电路路

两级反

相阻容

振荡器

1. CMOS 数字电路有哪些模拟应用电路？ 2. 日本产DT830型3½ 数字多用表的时钟振荡电路如题图2-1所示，反相器已被集成在单片A/D 转换器 ICL7106 内部， R和C 为外围元件。

（1 ）试计算其振荡频率 f？（2 ）绘出A、B、C这三点的时序波形，并说明为何要从 C 点输出波形？（3 ）若把C1 改成 220pF ，则R1 的电阻值应取多大？（4）能否将A点接地，为什么？（5 ）若用 20kΩ 固定电阻与 100kΩ 电位器相串联后代替R1 ，求出振荡频率的调整范围。

题图题图 2-1 DT8302-1 DT830 型数字多用表的时钟振荡型数字多用表的时钟振荡电路电路

3. 参照图 2-3-3b ，用 CD4060和 32768Hz石英晶体设计一个周期为 2s 的方波信号发生器，来给数字频率计提供 1s 的闸门信号。若发现晶振频率偏高，应增大还是减小 C2 的容量？根据何在？

4. 在开机自动复位、手动复位时，分别画出图 2-4-7中 A 、 B、C、 D 点的时序波形图，如果只需要正脉冲信号，电路应做哪些改动？

5. 试画出图 2-4-8中 A 、 B、 C、 D 、 E 各工作点的时序波形图。

6. 图 2-4-4 中的振荡电容器 C 能否移在反相器 D4的输出端，为什么？（提示：压电陶瓷器具有电容性质，自身电容量 C0 的范围是 5000pF～ 0.02μF ，当 C0 与振荡电容相并联后会带来什么影响？）

7. 参照图 2-4-5 ，自行设计并制作一个声光报警器，声光报警的频率自行设定。

8. 利用正弦波信号也可以检查低频放大器的失真（由文氏桥构成的正弦波信号发生器电路参见图 11-6-1 ），检查失真的电路与图 2-1-3 相同。试对题图 2-2 中所示出的各种失真波形进行分析，进而确定可能造成失真的原因。

题图题图 2-2 2-2 正弦波的各种失真波形正弦波的各种失真波形

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