4000系列CMOS数字集成电路制作（1）

CMOS也叫互补金属-氧化物-半导体集成电路，它在速度、功耗、兼容性等方面性能优越，因而得到日益广泛的应用，特别适合制作小型和便携式的电子作品。近来随着它的价格越来越低，应用也更加普及。充分利用CMOS的优势，开发出更好的电子作品，是电子发烧友感兴趣的问题。4000系列CMOS数字集成电路品种齐全，功能强大，价格低廉。本节通过介绍4000系列CMOS集成电路的应用实例，使初学者逐步掌握CMOS电路的基本性质和它的使用方法，进而提高自己开发设计CMOS电路的能力。

一、定时声光提醒器

这个定时声光提醒器使用起来非常方便，可以在1～30分钟内预定提醒时间。使用时，利用时间标尺预定时间，打开电源开关，定时器绿灯亮，表示开始计时；到了预定时间，绿灯灭，红灯亮，同时发出音乐提醒时间到。

电路原理

电路图见图24-011。电路由时间预定电路、整形电路、触发电路和音乐片发声器组成。电路工作原理如下。开机后，电源开始通过R1和R2向电容器C1充电，C1上的电压由0V逐渐升高，其变化速率由R1C1的时间常数所决定。第一级反相器（即4069的非门）的输入端的电位即由电容C1上的电压所决定。在C1上的电压未升至电源电压的一半以前，即小于1.5V时，对反相器的输入端来说为低电位，所以反相器的输出端为高电位。依此类推，第四级反相器的输出为低电位，红色发光二极管和音乐电路不工作，而绿色发光二极管被点亮。当到了人们预先设置的提醒时间时，C1电压升至电源电压的一半，第一个反相器翻转，输出端由高电位变成输出低电位，从而导致第四级反相器输出端由低电位变为高电位，触发音乐集成电路工作，压电陶瓷片奏响音乐，同时绿色发光二极管熄灭，红色发光二极管点亮。

图24-011

使用时，提醒时间的长短是通过调整电位器R1的阻值设置的。R1的阻值调的越大，等待的时间越长。按电路推荐的数值，定时范围在1分钟到25分钟之间连续可调。R1应采用阻值线性变化的（所谓阻值线性变化是指其电阻的变化与推拉的距离成正比），最好使用直线推拉电位器，这样可以用等分刻度的方法制作时间标尺。为了增加显示功能，采用发光二极管指示工作状态。打开电源开关，绿色灯亮。时间到时，除音乐提示外，红色灯亮，兼有盲人使用的功能。定时器的电源开关采用普通一刀双掷开关。关机时，C1被开关短路。开机时，接通电源，同时C1开始充电。采用本电路，每次开机时，电容都是从0伏电压开始充电的。

制作要点

此定时器正确组装后，不需任何调试即有时间提醒功能。但为了让它正常工作，还需进行时间标尺的绘制。如采用阻值线性变化的直线型推拉电位器，可分别将电位器调到最大和最小的位置，实测出最长和最短的提醒时间，然后按长度等分标上刻度即可使用了。如果采用旋转型电位器，最好也选用阻值为线性变化的，也就是电阻值的变化与旋转角度成正比，这样时间标尺的描绘比较准确。据实际经验，R1、C1分别为1MΩ和3300μF，时间最长约为40分钟，R1用20k，时间最短约为1分钟。它的特点是，一旦完成时间标尺刻度的绘制，使用时你会发现它的误差比想象中的要小的多，其准确程度完全可满足生活需要。

制作时可以在面包板上先行试验，成功后再组装。利用面包板的好处还在于可以根据自己的情况修改电路，改变或增加电路的功能。通过试验，哪怕是失败的试验，也会使你更快地掌握数字电路的特点和应用。

学习、实验与思考

1．CMOS集成电路预备知识

本机使用的集成电路CD4069是40系列的CMOS电路之一，CMOS电路又称互补金属-氧化物-半导体集成电路，它有以下优点：

工作电压范围宽。一般可在3～18V下正常工作，不需稳压。

消耗功率低。其静态电流仅为1微安，实际功耗接近理论上的零功耗。电源电压利用率高。输出幅度几乎与电源电压相等。

输入阻抗高。通常在几兆欧以上，基本上不消耗驱动电路的功率。有一定的功率输出。

抗干扰能力强。

以上优点在本电路中得到了充分的体现，本机使用3V电源，使用中等待时耗电电流不到1mA，体积小，电路简单而功能强。

2．4069非门电路简介

4069是40系列的一种门电路，叫做“六反相集成电路”，也叫六非门集成电路。每个集成电路中包含有6个反相器；4069按双排列14脚封装的内部接线图见图24-012。当输入端为低电平时，输出端为高电平；当输入端为高电平时，输出端为低电平。也就是输入1时输出0，输入0时输出1，故反相器也叫非门。此外，当输入电压在电源电压的一半时，输入电压很小的变化，就可引起输出电压较大的变化，也就是说反相器具有电压放大作用。门电路是最基本的CMOS电路，也是应用较多的电路。它既可以产生和处理数字信号，也可以产生和处理模拟信号。

图24-012

3．4069红绿灯变换演示电路

为了更好地了解和使用40系列的CMOS集成电路，通常在面包板上进行电路的设计和开发。使用时把集成块插到面包板的中间，将其它各种元器件分别按电路插到面包板上，再用插线连接好，就可以看到电路的效果了。

我们不妨通过一个4069红绿灯变换电路，了解一下门电路的工作原理。

电路原理图见图24-013。它利用4069的非门输出驱动发光二极管。

图24-013

器材准备：面包板及插线、CD4069一个、红色和绿色发光二极管各一只，500Ω电阻二只，100K～1 MΩ电阻一只， 4.5V电池，带插线脚的开关一个。如条件许可，可多准备几支发光二极管。

接线要求。首先将双排脚的CD4069插好,应将集成电路正面的字位于正方向，也就是使它正面的缺口标记在左面，两排脚分别插到面包板的上下两排的插孔中；这时，下排插脚的最左边的接线是⑴脚，从⑴脚开始向右依次是⑵、⑶、⑷…、⑺脚，然后是上排插脚，从右到左依次是⑻到⒁脚。其中⑺脚接电源的负极，⒁脚接正极，注意不得接反。可用短一些的插线将它们连接起来。为了方便，也为了避免电路产生寄生振荡，可用裸铜线制作十几个n型专用接线器，把面包板上相邻的接线孔按电路连接起来，这样既美观又可靠。

为了电路图的简便易读，电路中CMOS的门电路画在集成电路接线图的外面。有时只画单个的门电路，省略了CMOS的电源接线，也就是省略了⑺脚和⒁脚的接线图。在这种情况下，要记住⒁脚也叫Vdd脚，接电源正极；⑺脚也叫Vss脚，接电源负极。此外，本书约定：CMOS电源负极接地，所有元器件接地使用符号为通用“T”形符号；所有元器件接电源正极使用一种一个圆圈的符号，如图24-013中所示。

电路接好后，最后接上电源线，这时应有一个发光二极管是亮的。拨动开关，这个发光二极管就不亮了，而另一个则由不亮变亮。这是因为反相器的输入端的电位改变了，则它输出端的电位也跟着改变。如果开始时开关接在电源正极，则第一个反相器输入端为高电位，在数字电路中代表数字“1”，那么第一个反相器输出低电位，代表数字“0”， 这样，接在第一个反相器输出端的灯不亮。第二个反相器的输入端即为低电位，输出高电位，在本电路中输出为为正4.5V，这样，接在第二个反相器输出端的灯亮。拨动开关，第一个反相器的输入端接在电源负极，也就是低电位，则它输出高电位，使得接在该处的发光二极管点亮。而第二个反相器输出端的发光二极管则不亮。从这个实验中我们还验证了CMOS电路的输出功率，在4.5V电源电压下，一个反相器的输出电流有2毫安，它完全可以驱动一个发光二极管。实际上，如果把发光二极管接到最后一级反相器输出端，可以不用电阻，直接把发光二极管接到反相器上。

这个试验只用了两个反相器，其余四个虽然可以不用，但电路图中也画出了接线的方式，初学者一定要按图把它们接好。今后在使用CMOS集成电路时，都要记住把多余的反相器的输入端连接到高电位或低电位上，不可什么也不接使它处于悬空的状态（输出端可悬空）。所有的关于CMOS电路的介绍都强调这一点。如果违反了这种规定，会有什么后果呢？据笔者的经验，不用的反相器的输入端悬空的后果有时会产生寄生振荡，影响电路的正常工作；还有一次我发现一个4069有一个反相器损坏了，原因就是使用中把它的输入端悬空造成的。

如果你有六个发光二极管，则可把它们分别接到一个反相器的输出端。每次拨动开关，可控制三个灯亮。

这个电路很简单，你很快就可以掌握和制作成功。请想一想，它的这种功能可以做什么用呢？试试看，能不能把它稍加变化，做成一个报警开关呢？把电路中的开关用一根细导线来代替，反相器的输入端由报警导线接在高电位，则第一、三、五个反相器输出低电位，如果在这里接入发光二极管，由于输出低电位，没有灯光报警。当这根细导线受到破坏被扯断时，输入端由下拉电阻R1供电得到低电位，输出高电位，产生灯光报警。

4．关于RC电路的时间常数

前面说过，定时器的时间设定是通过改变电位器的阻值实现的。这是因为电位器与C1组成的RC电路的时间常数确定了C1上的电压的变化速率。所谓时间常数就是电阻阻值和电容容量的乘积，即按公式时间τ=RC计算。如果电阻的单位是MΩ，电容的单位是μF，则时间常数τ的单位是秒。这里的时间常数τ是指电容C上的电压升到外加在RC电路上的电压（电源电压）的0.69倍的时间。本机中的RC电路也叫积分电路。积分电路的特点是当外加电压为变化很快的矩形方波时，其电容上的电压按照指数函数变化的规律缓慢变化，见图24-014。在本例中当C1上的电压升至电源电压的一半时，就会引起门电路的翻转，即到达了提醒的时刻。提醒时间小于时间常数，约为时间常数的0.69倍。提醒时间为0.69τ＝0.69RC，也就是当电容不变的情况下，提醒时间与电阻R成正比。所以尽管R1和C1的标称值的乘积时间常数τ不是提醒时间，依然是我们设计提醒时间的依据。当R为500k，C为3300μF，τ=RC=0.5×3300=1650秒，约为27分，提醒时间上限应为27分×0.69≈19分。由于我们采用普通大容量的电解电容，误差较大，其实际容量要比标称值大许多，实测定时提醒时间上限约为25分。

图24-014

5．思考与创新

请大家思考几个问题。本定时器的RC电路中，电阻R1接电源正极，电容C1接地。R1和C1的位置也可以互相调换，也就是电容C1接在电源的正极，电阻R1接地。你能自行设计这样的电路吗？

本机的电源开关使用了一刀双掷的，请你分析一下它有哪些功能；如果我们改用普通的一刀单掷的开关，提醒器能正常工作吗？本机的使用非常简单，只要打开电源开关，绿灯亮，就指示提醒器处于正常工作的状态，到了时间标尺设置的时间，就会发出提醒信号。那么如何正确进行时间设置呢？是先打开电源开关，然后再移动时间标尺设置时间，还是先用时间标尺设置时间然后再打开电源开关呢？

二、音乐杯

音乐杯外表看起来和普通的杯子没有什么区别，但每当你向杯子中倒水时，杯子会在水快满时奏响一曲音乐，这种功能特别适合盲人使用。

电路原理

电路图见图24-021。电路由传感器、4069整形电路，触发电路和发声电路组成。当杯中没有水或水没有达到传感器所在位置时，传感器电阻很大，4069整形电路的非门输入端为低电位，整形电路输出也为低电位，此时不能触发发声电路。当杯中的水面上升，到达传感器所在位置时，由于水具有一定的导电能力，传感器的电阻变小，4069的非门输入端为高电位，通过4069的整形电路，输出变为高电位，再通过电容C1组成的触发电路给发声电路一个正脉冲，发声电路工作，奏出一曲音乐。当一曲音乐奏完后，即使水面仍保持在传感器以上，4069仍输出高电位，但由于电容C1的作用，发声电路不会被再次触发，音乐停止。如果水面下降后再次升高，则音乐会再次奏响一遍。

图24-021

制作要点

传感器的制作。本作品的传感器用来测量杯子中水的位置。它由放在杯中的两个金属触点组成，其功能是测量水的电阻。杯子可用塑料的，传感器的金属触点可用两个不锈钢的螺钉制作，不能用铜钉，以免上锈引起中毒。两个触点之间相距3厘米左右，螺钉直径约为2毫米，长度略超过杯子的厚度即可。安装时先在杯子壁上打两个直径略小于螺钉直径的孔，然后将螺钉穿上焊片和引线，从杯子外面向内旋紧，见图24-0212。

图24-0212

传感器安装完毕，可用欧姆挡测量一下电阻。方法如下：在杯中无水时传感器两端的电阻应为无穷大，然后向杯中倒水，当水没过传感器的两个触点后，其电阻应在1兆欧以下。如果有水时其电阻接近2兆欧甚至超过2兆欧，则应重新设计传感器。一般说来，传感器暴露在水中的面积大，其电阻就小。此时可用直径大一些的螺钉，并使其穿过杯子部分的长度更长些，直到有水漫过传感器时其电阻阻值达到要求为止。

整个电路可安装在杯子外面的小盒子里。有一种旅行用的杯子，其手柄里是空心的，有放牙刷等物品的空间，很适合制做本作品。

电池用两节7号电池，当音乐杯不奏乐时，整机电流消耗仅为数微安，故不用电源开关。

发声电路采用9300系列音乐集成片，用圆柱型微型喇叭放音。

电阻R1建议为2MΩ，可根据实际情况进行调整。如果水满了但不发声，则可将R1增大至3MΩ。R1的阻值不宜过大，以免水没有达到高度时，产生误触发，导致音乐杯奏乐。

学习、实验与思考

1.传感器的设计

为了保证传感器的触点长期在水中使用而不上锈，应采用不锈钢或银等金属制作。铜的导电性虽然很好，但其在水中易生锈，产生有毒物质，故严禁在饮水杯中使用。用铝也可以。还要注意两个触点必须用同样的金属材料，不能一个用铁一个用铝。

传感器在水中输出的是水的电阻。纯净的水是不导电的，其电阻为无穷大。而人们日常的饮用水因含有杂质，其电阻并不很大。水的电阻的大小是很复杂的问题。在水质一定，传感器也固定的情况下，水的电阻仍不是一个稳定的数值。从经验得知，在本作品中，其大小与通过的电流有关。如果电流在几十微安以上时，则其电阻随着时间的延长而变大。为了减少电流对水的电阻的影响，电阻R1用到2MΩ，这样通过传感器进入水中的电流约为1微安，在这种情况下，所测量的水的电阻相对于时间来说十分稳定。据实验，用北京地区的自来水，当电压为3V，电阻R1为几十kΩ时，通过传感器在水中的电流会在几秒钟内从开始的50微安减少到30微安。希望电子爱好者在设计制作完成本机的传感器之后，能够亲自作一个实验，测量在不同电流强度下，当地的饮用水的电阻与通电时间的变化关系，从中我们可以得到很多宝贵的经验。为了设计出实用的电子作品，不能仅仅满足于学习理论知识，还必须从实际出发，通过反复试验才能得到正确的设计。

2.非门用做整形电路

本电路采用4069的6个非门串联起来作为整形电路来使用，其功能是可以将输入的电压分为两种，以电源电压的一半为界。输入电压小于二分之一电源电压时，输出为0伏；输入电压大于二分之一电源电压时，输出为电源电压。从电压波形来观察，输入的电压可能是很不规则的形状，但经过整形电路后，输出的是矩形方波，见图24-023。

图24-023

为什么在本机中要采用整形电路呢？这是保证当杯中的水面上升到指定位置时，音乐杯能及时奏响乐曲的需要。从传感器得到的是水的电阻，它与机内的电阻R1组成分压器，提供4069非门的转折电压。这个电压随着水的电阻的变化而变化，很不稳定，无法满足发声电路触发条件的要求。为了可靠地触发发声电路，必须使用矩形方波信号。

3.微分电路

本机的发声电路仍采用9300系列集成电路音乐片。与前面的定时声光提醒器电路不同的是，9300通过电容C1触发。这是因为在提醒器电路中，要求声音一直响，直到引起人的注意，关上声音为止。而在本机中，当水到了预定高度后，发声电路响一支曲子就可以了，不需要永远响下去。9300集成音乐片电路触发的原理是这样的，当触发端为低电位时不发声；当触发端保持在高电位时，音乐片处于常发声状态，此时它反复奏响同一支曲子；当触发端接受到一个瞬时高电位脉冲信号时，它奏响一遍曲子后停止。显然，本机要采用最后一种触发方式。为了给触发端一个瞬时脉冲信号，本机采用了微分电路，将4069给出的高电位触发信号通过微分电路变成脉冲信号。典型的微分电路如图4所示。与积分电路相比较，微分电路也是由一个电阻和电容串联组成的，不同之处在于微分电路从电阻R2上输出电压。微分电路的特点是当输入电压为矩形方波时，输出电压为瞬时尖脉冲（见图24-024）。可以看出，微分电路只有在输入电压产生跃变时才输出脉冲信号，而输入电压保持稳定时不输出信号。这个特性正好用来作为本机发声电路的触发信号之用。表面看起来，这里的电阻R2在音乐杯的电路中并没有，但实际上它是存在的，9300内部的触发端与接地端之间存在着一个电阻，其阻值约为数十千欧。

图24-024

三、密码锁

密码锁实际上是一种电子开关，可控制收音机等电器。它有0～9十个数字键。密码由4个不同的数字组成，只有输入正确的密码，才能开锁。如果用电磁铁制成机械装置，它也能成为一种传统意义上的锁。

电路原理

电路图见图24-031。由控制部分、自锁电路和驱动电路组成。

图24-031

如果采用4位数字密码，则控制部分包括4路按钮开关，每一路按钮开关控制一组由积分电路和非门组成的电路。在未按下密码按钮时，非门1输入端的电压由下拉电阻R3所决定，为低电位，所以输出端为高电位。非门2和3也分别由相应的限位电阻R4和 R5控制，其输出端的电位均保持固有的状态。只有按顺序从非门1的输入端到非门3输出端依次按下按钮开关AN1～4，才能打开锁。其过程是这样的：当我们按下4 位密码的第一个正确的数码键AN1后，非门1的输入端的电压变为高电位，同时由R1和C1组成的积分电路开始工作，使非门1输入端上的电压在数秒钟内按指数函数规律由高变低；其输出端则由高电位变为低电位，并保持数秒钟后变为高电位。在非门1的输出端的电位保持在低电位这段时间内，如果你按下4 位密码中的第二个正确的数码键AN2，则非门2的输入端会从高电位变成低电位，并保持数秒钟后变回高电位，从而使非门2的输出端变为高电位并保持几秒钟。依次及时地按下4个正确的密码键，则非门3输出的低电位信号就会到达自锁电路的非门4。自锁电路的非门5就会输出低电位，非门6输出高电位，从而通过驱动电路，接通收音机的电源，也就是实现开锁功能。

从以上分析可知，只有正确地输入密码，才能打开驱动电路。如果按错密码或者两次按键的时间间隔过长，则驱动电路不会动作。

为了加强密码功能，本电路采用0～9十个数字键。在这10个键中，除了4个密码键之外，还有4个陷阱键AN5～8 和2个迷惑键AN9、10。迷惑键不连结任何电路，你可任意按动。比如密码是5678，迷惑键是0和4，则你可用5678、5060748、405678等开锁，它们的功能是一样的。使用迷惑键的好处是不易被别人观察出你的密码。陷阱键是1、2、3和9。陷阱键的功能是当在按键过程中按下其中之一时，就会清除以前的正确操作，要想开锁就必须重新输入密码，从而使密码锁更加安全。

自锁电路的功能是使开锁状态得以保存。我们知道，4位密码输入完成后，自锁电路得到一个开锁信号，这个信号是一个瞬时脉冲信号。自锁电路的功能就是记住这个脉冲信号并保持住它，以使驱动电路正常工作。

本机的驱动电路是一个收音机的电子开关，这样的收音机就变成了一个带电子密码锁的收音机。爱好者可根据不同的控制对象，设计驱动电路。

制作要点

RC积分电路时间常数的设计。这个时间常数决定按密码键过程中有效的按下相邻的两个数码键的间隔时间的长短。如本机电路所用的电阻和电容，时间常数为2秒，则在按键时两键间隔时间应在1.5秒钟以内，如果按下第一键后过了2秒钟再按第二个键，则按键失效，必须重新开始密码。RC乘积小，对按键的输入速度要求快，反之则慢。

驱动电路主要问题是驱动电流要足够大，例如要控制一个晶体管收音机，则必须知道收音机的最大消耗电流。普通袖珍收音机的最大电流约为100毫安，采用4069带动9013晶体管驱动就可以了。如果要控制较大型的家用电器，则可使用可控硅或者继电器。

学习、实验与思考

1．自锁电路的原理和功能

本电路的自锁电路是由非门4和非门5串联组成的。后面的非门5的输出端通过一个500kΩ的电阻与前面的非门4的输入端相连。在这里它们组成了一个双稳态电路，它与前面的3个非门工作状态不同。非门1～3都是单稳态电路。在单稳态电路中，如果给输入端一个高电位或低电位的信号，然后马上撤消这个信号，则它的输出端只能在一段时间内输出相反的电位，然后又恢复到原来的状态。也就是说它只有一种稳定状态，要么是高电位，要么是低电位。如果输出了另一种电位，那也是暂时的。而双稳态电路则不然，它既可以输出并保持高电位，也可以输出并保持低电位，而且这两种状态可由输入端的电位加以控制。双稳态电路的这种性质也叫记忆功能。

下面分析一下自锁电路的工作原理。当整个电路处于关机状态时，自锁电路的非门4的输入端为高电位，输出低电位，非门5输出高电位，非门6输出低电位，驱动电路无电流输出。由电阻R6的作用，将非门4的输入端与非门5的输出端连在一起，所以非门4被牢牢地控制为目前状态。这样，自锁电路就稳定地保持着现有的输出状态。此时如果在输入端给出一个低电位信号，然后再撤消这个输入信号，也就是使非门4的输入端暂时由低电位控制一段时间，则非门4输出高电位到非门5的输入端，非门5输出端就变成了低电位。这时即使外加在自锁电路的输入端的低电位消失，由非门5输出端的低电位通过电阻R6，仍可控制非门4的输入端，使它保持为低电位。这样，自锁电路的非门5的输出端就完成了从高电位到低电位的转换，由原来稳定地保持在高电位变成稳定地保持在低电位。当然，非门6的输出则由原来的低电位变成高电位，并稳定地保持在高电位状态。驱动电路也就变成了导通状态，控制的电器也就从关机状态变成开机状态。此后，在自锁电路的输入端加上一个高电位然后再撤消，上述的过程就会以相反的状态重复一遍，驱动电路就会从导通状态变回关断状态，所控制的电器也变成关机状态。

2．如何调整开锁难度

密码控制电路的原理是用RC积分电路，利用积分电路的时间常数的大小控制两次按键时间的长短。时间常数τ＝RC（秒），如果R=1M，C=2.2μF，时间常数为2.2秒，那么所以从理论上说，你必须在按下第一个键后的几秒钟内按下第二个键呢？这个问题也许没有太大的实际意义，因为我们尽可把时间常数设计得稍大一些，不必计较零点几秒的差别，但是弄清楚这个问题对我们提高自己独立设计电路的能力是很有必要的。如果你能画出积分电路的电压变化图像，就会找出这个问题的答案。另外还要注意，这里的电容C如果采用比较便宜的电解电容，则要考虑到电解电容的误差较大，一般比标称值大50%左右。所以实际上我们可以认为时间常数就是我们两次按键时间的上限。

3．开锁后如何上锁

本作品的收音机通过密码锁打开后，准备关机，该如何操作呢？本电路设置了关闭键AN11。按下它即可关机，也就是“上锁”。其实AN11是多余的，可以取消。细心的读者通过分析电路不难发现，4位密码中的最后一位数字可以作为关闭键使用，也就是电路图中的AN4。为什么最后一个数字键有这种功能呢？使用它作为关闭键有什么条件呢？

4．如何用密码锁控制家用电器

典型的电路如图24-032，采用12V的直流继电器，可控制彩电冰箱等电器。这种电路很多书刊都有介绍，读者可自行学习设计。

图24-032 四、感应验电笔

传统的测试交流电源线路是否带电的试电笔采用接触方式，用电极接触线路，如果是火线，则灯亮，否则是地线。这个电路则采用感应原理工作，使用时电极不必接触带电物体，只要靠近它就可以检测出物体带电情况。

电路原理

电路图见图24-041。它由电场探极、整流电路、非门驱动电路和灯光显示电路组成。将电场探极靠近带电物体，由电场探极接收到物体周围电场信号，通过整流电路将负电场电位旁路而保留正电场电位，当正电位累积到一定电压后，通过非门电路驱动发光二极管，显示出被侧物体的电位。如图的电路可以显示物体是否带正电或者是否带交流电。

图24-041

制作要点

如果仅为了实验，可以在面包板上组装。实验成功后，可以制作成小型的验电笔。

学习、实验与思考

1．带电物体的电场

带电的物体周围会产生电场。虽然电场看不见也摸不着，但是我们仍然可以感觉到它的存在。一个金属电极放在电场中，就会收到电场的感应电压；把这个电压接到CMOS门电路的输入端，由于输入端的输入阻抗很高，这个电压可以驱动门电路。为了验证这一现象，可手持感应验电笔将它向一台工作中的电视机屏幕靠近或移开，这时就会发现感应验电笔的指示灯也随之变亮或者由亮变熄灭。

2．二极管的整流功能

CMOS电路的输入端有一个接地的二极管，它在整个电路中起着至关重要的作用。它的负极接在输入端，可以使输入端保持正电压。其工作原理除了可以用二极管单向导电的整流作用来解释；也可以这样理解这个电路：如果电极感应到负电压，则它被二极管旁路，反之，当感应到正电压，则由于二极管的高阻抗，正电压被积累在电容器C上；这样，当电极靠近220V交流电线路时，就会使验电笔发光。电容C也是整流电路的一部分，它的数值大小也会影响到验电笔的正常工作；可以通过实验确定它的取值范围。

3．检测负电场点电路

综上所述，上面的电路无法检测物体是否带负电。只要将二极管的正极接门电路输入端，负极接电源的正极，就可以制成检测负电场的验电笔。

4．思考

如何制作出可以检测出物体带正电、负电和交流电的感应验电笔呢？请读者想办法解决这一问题。

房屋中的电源电线埋在墙中，如何使用感应验电笔查找电线的位置呢？

五、掷硬币模拟器

掷硬币模拟器可以用不同颜色的灯光模拟演示投掷硬币的结果。例如选用红灯和绿灯，每按一次控制按钮，红灯和绿灯中就有一个被点亮，相当于一次掷硬币的结果。

电路原理

本作品用一个4069制作，由振荡器，控制按钮，自锁电路和灯光显示电路组成，见图24-051。电路由非门1和非门2组成的振荡器产生每秒钟上千次的振荡信号。按下控制按钮AN，振荡信号就输送到由非门3和非门4组成的自锁电路；松开控制按钮AN后，输送到自锁电路的振荡信号的最后状态被路固定，驱动由非门5和非门6组成的灯光显示电路，点亮红灯或绿灯。由于振荡信号的频率达1千赫兹，人通过按动开关无法控制最后输送到自锁电路的振荡信号的状态，也就是当松开按钮的一瞬间，振荡信号是高电位还是低电位完全是随机的。假定振荡器产生的方波信号的占空比为1:2，则输出到自锁电路的电压是高电位还是低电位的机率是相等的，所以灯光显示电路的结果是红灯亮还是绿灯亮也是随机的，而且红灯和绿灯出现的机率相等。这样，本作品就可以模拟掷硬币的结果。

图24-051

为了增加作品的趣味性，电路有声音提示，利用多谐振荡器提供的音频振荡信号驱动压电陶瓷片发声。每按动一次AN，模拟一次掷硬币的结果，就发出一声鸣叫。

制作要点

作品按电路焊接成功，不需任何调试即可工作。也可在面包板上进行组装作品。如图1的电路电源电压应选用3V，可用直径3mm的发光二极管。打开电源开关后，如果焊接无误，红色灯和绿色灯会有一个点亮；按动按钮，就会听到压电陶瓷片发出鸣叫，红色灯和绿色灯都被点亮；松开按钮后，鸣叫声音停止，红色灯和绿色灯只有一个点亮。

如果采用4.5V电源，则必须在每个发光二极管上串联一个2kΩ的电阻。

学习、实验与思考

1．门电路组成的振荡器电路

本电路的振荡电路为多谐振荡器，典型的4069多谐振荡器电路如图24-052，由两个非门，电阻Rs、Rt和电容Cs组成，其工作原理在此就不赘述了。这种振荡电路输出矩形方波，其占空比约为1:2。所谓“占空比”指矩形方波在一个振荡周期内的高电位维持的时间与振荡周期的比，图24-053表示了两种不同占空比的矩形方波的波形图。如果高电位和低电位在一个周期内所占的时间相等，其占空比就是1:2（50%）。在本电路中，为了正确模拟掷硬币的结果，需要这种占空比的方波。实际上多谐振荡器的占空比只是近似等于1:2。在多谐振荡器中，振荡频率主要由电阻Rs和电容Cs决定，电阻Rt的作用是使振荡器工作更稳定，一般Rt的阻值大于Rs，通常可在Rs的3～10倍范围内选择；对振荡器性能要求不高的电路，电阻Rt可以省略不用。振荡周期可按公式：T≈2.2RsCs来计算，振荡频率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。使用这个频率既满足了产生随机数（0和1）的需要，也可以提供声音提示信号，可谓一举两得。

图24-052

图24-053

2．小实验

①多谐振荡器频率测定。实验电路如图24-054。器材准备：面包板及电路所需元器件。本实验通过选取不同的Rt、Rs、Cs及电源电压，观测记录振荡频率，并与理论计算频率相比较。通过实验可以更深刻地掌握多谐振荡器的频率设计。举例：不用Rt，取Rs＝1MΩ，Cs＝0.47μF，Vdd＝2.9V，4069型号为MC14069，记录50秒钟灯光闪动的次数。例如闪动51次，则频f=51/50＝1.02Hz。对照理论计算：T＝2.2×Rs×Cs＝1.04秒，f=1/T=0.96Hz。以后每次实验可以改变一种参数，例如改用3节5号电池（注意电压要据实测量，不能认为是4.5V），其余保持不变，然后记录实验结果。通过以上实验，还可以知道电源电压Vdd和稳定电阻Rt也对振荡频率有一定的影响，一般电源电压低，振荡频率变低；Rt阻值变大，振荡频率变低。

图24-054

使用这个电路进行实验，你会发现一个问题，就是要同时观察时间和灯光闪动的次数，十分不方便。要是实验电路能够同时发出声音提示就方便多了。如何使实验电路具有声音提示功能呢？这个问题请读者自己解决。

②利用概率统计测定方波占空比。如果多谐振荡器的工作频率较高，我们手里没有专用的仪器，如何测量振荡器输出方波的占空比呢？可以利用掷硬币模拟器来测定方波的占空比。准备一支笔，一张纸。依次按动开关，记录下每一次输出结果，至少重复100次。然后统计出红灯与绿灯分别出现的次数。例如共进行了300次实验，红灯和绿灯出现的次数分别为147和153，再根据这个比例计算出多谐振荡器在按钮开关处输出的方波信号的占空比。计算之前首先确认一下红灯亮代表按钮开关处的何种电压状态。如本机电路图，红灯亮代表按钮开关处的高电位，从而计算出这个振荡电路输出的方波信号占空比为147:300＝49%。

通过这个实验可以使我们进一步掌握非门的多谐振荡器的性质，以前只是在理论上知道其输出信号的占空比近似为1:2，但究竟如何并不清楚。通过这个实验，就可以间接地测量出占空比。此外，还可以进一步研究影响占空比的因素，例如改变Rs和Rt的比值，再次进行实验，计算出它的占空比。进行这样的实验，可以了解影响占空比的因素，最后设计出占空比最接近1:2的多谐振荡器电路。

六、视力保护提醒器

这个视力保护提醒器在光线充足的情况下没有反应，当光线减弱至一定程度时，就会发出闪亮的灯光，提醒人注意环境光线不足。从而达到保护视力的功能。

电路原理

电路图见图24-061。电路由光线检测、受控脉冲振荡器、微分电路、整形电路、驱动电路和灯光显示组成。光敏电阻Rg、电阻R1、R2共同组成分压电路，使得在光线比较亮时，受控脉冲振荡器不工作；当光线较暗时，非门1电路翻转，受控脉冲振荡器工作，产生方波脉冲；方波脉冲通过R4和C2组成的微分电路变成间隔为脉冲周期、宽度约为0.2秒的窄脉冲信号；最后由9012将窄脉冲放大，驱动发光二极管发出闪亮的光线。

图24-061

制作要点

本电路主要用于实验，可在面包板上进行组装。为了得到更好的效果，发光二极管一定要用高亮度的。一种蓝色发光二极管，在相同电流下，可以发出比红色高亮度二极管强上百倍的光线，且其驱动电压在2.8V，可以采用3V电源供电；是最好的选择。当然，这种器件目前比较昂贵。此外，电源电路中的旁路电容的作用在这个电路中很重要，一定要用100μF以上的。

学习、实验与思考

1．利用微分电路获得窄脉冲

微分电路在数字电路中使用非常广泛。向微分电路输入一个直流跃变信号，由于电容的阻隔直流、通过交流的作用，微分电路输出一个尖脉冲信号。如果输入一个矩形方波脉冲信号，则输出一种对称的交流脉冲信号。适当选择电容C和电阻R的数值，可以改变微分电路的时间常数，再用门电路整形，就可以获得任意宽度的脉冲信号。本电路中C取0.22μF，R取1MΩ，时间常数τ＝1×0.22= 0.22秒。再考虑到非门的输入输出特性，窄脉冲的宽度大约在0.2秒。用窄脉冲信号驱动发光二极管有什么好处呢？我们知道，发光管的电流越大发出的光越强；但是过强的电流会使发光管损坏，电池的消耗也大。而采用窄脉冲信号驱动，情况就不同了。如果脉冲间隔为1秒多，脉冲宽度为0.2秒，瞬间发光管驱动电流为30 mA，驱动发光二极管的平均电流仅为5mA。

为了获得任意时间间隔以及任意宽度的脉冲信号，应该从两方面来进行。首先是微分电路输入信号的频率，它的周期决定了脉冲信号的时间间隔；可以通过改变多谐振荡器的参数来实验。然后是微分电路的时间常数，这个数值越小，脉冲宽度越窄。

2．设计自动关机功能

这个把电路放在全黑的环境中，结果是灯会一直闪亮，直到电源用完为止。这是电路的主要缺点。为了避免这一缺点，需要一个电源开关。但是这样电路就失去了自动提醒的功能。如何克服这个缺点呢？如果把它与文具盒组成一个产品，不使用电源开关，要有以下功能：在全黑的环境中（放在书包里），它不亮，基本上不耗电；在较暗的光线下发出灯光提醒信号；随着光线进一步加强，它又停止发光。这对于学生来说，是十分有用的预防近视的工具。