CMOS也叫互補金屬-氧化物-半導體集成電路，它在速度、功耗、兼容性等方面性能優越，因而得到日益廣泛的應用，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，應用也更加普及。充分利用CMOS的優勢，開發出更好的電子作品，是電子發燒友感興趣的問題。4000系列CMOS數字集成電路品種齊全，功能強大，價格低廉。本節通過介紹4000系列CMOS集成電路的應用實例，使初學者逐步掌握CMOS電路的基本性質和它的使用方法，進而提高自己開發設計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分鐘內預定提醒時間。使用時，利用時間標尺預定時間，打開電源開關，定時器綠燈亮，表示開始計時；到了預定時間，綠燈滅，紅燈亮，同時發出音樂提醒時間到。

電路原理

電路圖見圖24-011。電路由時間預定電路、整形電路、觸發電路和音樂片發聲器組成。電路工作原理如下。開機后，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，紅色發光二極管和音樂電路不工作，而綠色發光二極管被點亮。當到了人們預先設置的提醒時間時，C1電壓升至電源電壓的一半，第一個反相器翻轉，輸出端由高電位變成輸出低電位，從而導致第四級反相器輸出端由低電位變為高電位，觸發音樂集成電路工作，壓電陶瓷片奏響音樂，同時綠色發光二極管熄滅，紅色發光二極管點亮。

圖24-011

使用時，提醒時間的長短是通過調整電位器R1的阻值設置的。R1的阻值調的越大，等待的時間越長。按電路推薦的數值，定時范圍在1分鐘到25分鐘之間連續可調。R1應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尺。為了增加顯示功能，采用發光二極管指示工作狀態。打開電源開關，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。定時器的電源開關采用普通一刀雙擲開關。關機時，C1被開關短路。開機時，接通電源，同時C1開始充電。采用本電路，每次開機時，電容都是從0伏電壓開始充電的。

制作要點

此定時器正確組裝后，不需任何調試即有時間提醒功能。但為了讓它正常工作，還需進行時間標尺的繪制。如采用阻值線性變化的直線型推拉電位器，可分別將電位器調到最大和最小的位置，實測出最長和最短的提醒時間，然后按長度等分標上刻度即可使用了。如果采用旋轉型電位器，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角度成正比，這樣時間標尺的描繪比較準確。據實際經驗，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。它的特點是，一旦完成時間標尺刻度的繪制，使用時你會發現它的誤差比想象中的要小的多，其準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，成功后再組裝。利用面包板的好處還在于可以根據自己的情況修改電路，改變或增加電路的功能。通過試驗，哪怕是失敗的試驗，也會使你更快地掌握數字電路的特點和應用。

學習、實驗與思考

1．CMOS集成電路預備知識

本機使用的集成電路CD4069是40系列的CMOS電路之一，CMOS電路又稱互補金屬-氧化物-半導體集成電路，它有以下優點：

工作電壓范圍寬。一般可在3～18V下正常工作，不需穩壓。

消耗功率低。其靜態電流僅為1微安，實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，基本上不消耗驅動電路的功率。有一定的功率輸出。

抗干擾能力強。

以上優點在本電路中得到了充分的體現，本機使用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。

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腳封裝的內部接線圖見圖24-012。當輸入端為低電平時，輸出端為高電平；當輸入端為高電平時，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，也是應用較多的電路。它既可以產生和處理數字信號，也可以產生和處理模擬信號。

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，通常在面包板上進行電路的設計和開發。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的非門輸出驅動發光二極管。

圖24-013

器材準備：面包板及插線、CD4069一個、紅色和綠色發光二極管各一只，500Ω電阻二只，100K～1 MΩ電阻一只， 4.5V電池，帶插線腳的開關一個。如條件許可，可多準備幾支發光二極管。

接線要求。首先將雙排腳的CD4069插好,應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，接電源負極。此外，本書約定：CMOS電源負極接地，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，這時應有一個發光二極管是亮的。撥動開關，這個發光二極管就不亮了，而另一個則由不亮變亮。這是因為反相器的輸入端的電位改變了，則它輸出端的電位也跟著改變。如果開始時開關接在電源正極，則第一個反相器輸入端為高電位，在數字電路中代表數字“1”，那么第一個反相器輸出低電位，代表數字“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，第一個反相器的輸入端接在電源負極，也就是低電位，則它輸出高電位，使得接在該處的發光二極管點亮。而第二個反相器輸出端的發光二極管則不亮。從這個實驗中我們還驗證了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，它完全可以驅動一個發光二極管。實際上，如果把發光二極管接到最后一級反相器輸出端，可以不用電阻，直接把發光二極管接到反相器上。

這個試驗只用了兩個反相器，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（輸出端可懸空）。所有的關于CMOS電路的介紹都強調這一點。如果違反了這種規定，會有什么后果呢？據筆者的經驗，不用的反相器的輸入端懸空的后果有時會產生寄生振蕩，影響電路的正常工作；還有一次我發現一個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，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，做成一個報警開關呢？把電路中的開關用一根細導線來代替，反相器的輸入端由報警導線接在高電位，則第一、三、五個反相器輸出低電位，如果在這里接入發光二極管，由于輸出低電位，沒有燈光報警。當這根細導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，產生燈光報警。

4．關于RC電路的時間常數

前面說過，定時器的時間設定是通過改變電位器的阻值實現的。這是因為電位器與C1組成的RC電路的時間常數確定了C1上的電壓的變化速率。所謂時間常數就是電阻阻值和電容容量的乘積，即按公式時間τ=RC計算。如果電阻的單位是MΩ，電容的單位是μF，則時間常數τ的單位是秒。這里的時間常數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。本機中的RC電路也叫積分電路。積分電路的特點是當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函數變化的規律緩慢變化，見圖24-014。在本例中當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，即到達了提醒的時刻。提醒時間小于時間常數，約為時間常數的0.69倍。提醒時間為0.69τ＝0.69RC，也就是當電容不變的情況下，提醒時間與電阻R成正比。所以盡管R1和C1的標稱值的乘積時間常數τ不是提醒時間，依然是我們設計提醒時間的依據。當R為500k，C為3300μF，τ=RC=0.5×3300=1650秒，約為27分，提醒時間上限應為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，其實際容量要比標稱值大許多，實測定時提醒時間上限約為25分。

圖24-014

5．思考與創新

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換，也就是電容C1接在電源的正極，電阻R1接地。你能自行設計這樣的電路嗎？

本機的電源開關使用了一刀雙擲的，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，提醒器能正常工作嗎？本機的使用非常簡單，只要打開電源開關，綠燈亮，就指示提醒器處于正常工作的狀態，到了時間標尺設置的時間，就會發出提醒信號。那么如何正確進行時間設置呢？是先打開電源開關，然后再移動時間標尺設置時間，還是先用時間標尺設置時間然后再打開電源開關呢？

二、音樂杯

音樂杯外表看起來和普通的杯子沒有什么區別，但每當你向杯子中倒水時，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，觸發電路和發聲電路組成。當杯中沒有水或水沒有達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，此時不能觸發發聲電路。當杯中的水面上升，到達傳感器所在位置時，由于水具有一定的導電能力，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，輸出變為高電位，再通過電容C1組成的觸發電路給發聲電路一個正脈沖，發聲電路工作，奏出一曲音樂。當一曲音樂奏完后，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，發聲電路不會被再次觸發，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

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為無窮大，然后向杯中倒水，當水沒過傳感器的兩個觸點后，其電阻應在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，則應重新設計傳感器。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7號電池，當音樂杯不奏樂時，整機電流消耗僅為數微安，故不用電源開關。

發聲電路采用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，可根據實際情況進行調整。如果水滿了但不發聲，則可將R1增大至3MΩ。R1的阻值不宜過大，以免水沒有達到高度時，產生誤觸發，導致音樂杯奏樂。

學習、實驗與思考

1.傳感器的設計

為了保證傳感器的觸點長期在水中使用而不上銹，應采用不銹鋼或銀等金屬制作。銅的導電性雖然很好，但其在水中易生銹，產生有毒物質，故嚴禁在飲水杯中使用。用鋁也可以。還要注意兩個觸點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。純凈的水是不導電的，其電阻為無窮大。而人們日常的飲用水因含有雜質，其電阻并不很大。水的電阻的大小是很復雜的問題。在水質一定，傳感器也固定的情況下，水的電阻仍不是一個穩定的數值。從經驗得知，在本作品中，其大小與通過的電流有關。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定。據實驗，用北京地區的自來水，當電壓為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從開始的50微安減少到30微安。希望電子愛好者在設計制作完成本機的傳感器之后，能夠親自作一個實驗，測量在不同電流強度下，當地的飲用水的電阻與通電時間的變化關系，從中我們可以得到很多寶貴的經驗。為了設計出實用的電子作品，不能僅僅滿足于學習理論知識，還必須從實際出發，通過反復試驗才能得到正確的設計。

2.非門用做整形電路

本電路采用4069的6個非門串聯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則的形狀，但經過整形電路后，輸出的是矩形方波，見圖24-023。

圖24-023

為什么在本機中要采用整形電路呢？這是保證當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，它與機內的電阻R1組成分壓器，提供4069非門的轉折電壓。這個電壓隨著水的電阻的變化而變化，很不穩定，無法滿足發聲電路觸發條件的要求。為了可靠地觸發發聲電路，必須使用矩形方波信號。

3.微分電路

本機的發聲電路仍采用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。這是因為在提醒器電路中，要求聲音一直響，直到引起人的注意，關上聲音為止。而在本機中，當水到了預定高度后，發聲電路響一支曲子就可以了，不需要永遠響下去。9300集成音樂片電路觸發的原理是這樣的，當觸發端為低電位時不發聲；當觸發端保持在高電位時，音樂片處于常發聲狀態，此時它反復奏響同一支曲子；當觸發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，本機要采用最后一種觸發方式。為了給觸發端一個瞬時脈沖信號，本機采用了微分電路，將4069給出的高電位觸發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。微分電路的特點是當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生躍變時才輸出脈沖信號，而輸入電壓保持穩定時不輸出信號。這個特性正好用來作為本機發聲電路的觸發信號之用。表面看起來，這里的電阻R2在音樂杯的電路中并沒有，但實際上它是存在的，9300內部的觸發端與接地端之間存在著一個電阻，其阻值約為數十千歐。

圖24-024

三、密碼鎖

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

電路原理

電路圖見圖24-031。由控制部分、自鎖電路和驅動電路組成。

圖24-031

如果采用4位數字密碼，則控制部分包括4路按鈕開關，每一路按鈕開關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。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AN1～4，才能打開鎖。其過程是這樣的：當我們按下4 位密碼的第一個正確的數碼鍵AN1后，非門1的輸入端的電壓變為高電位，同時由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秒鐘內按指數函數規律由高變低；其輸出端則由高電位變為低電位，并保持數秒鐘后變為高電位。在非門1的輸出端的電位保持在低電位這段時間內，如果你按下4 位密碼中的第二個正確的數碼鍵AN2，則非門2的輸入端會從高電位變成低電位，并保持數秒鐘后變回高電位，從而使非門2的輸出端變為高電位并保持幾秒鐘。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，從而通過驅動電路，接通收音機的電源，也就是實現開鎖功能。

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

為了加強密碼功能，本電路采用0～9十個數字鍵。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，以使驅動電路正常工作。

本機的驅動電路是一個收音機的電子開關，這樣的收音機就變成了一個帶電子密碼鎖的收音機。愛好者可根據不同的控制對象，設計驅動電路。

制作要點

RC積分電路時間常數的設計。這個時間常數決定按密碼鍵過程中有效的按下相鄰的兩個數碼鍵的間隔時間的長短。如本機電路所用的電阻和電容，時間常數為2秒，則在按鍵時兩鍵間隔時間應在1.5秒鐘以內，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。

驅動電路主要問題是驅動電流要足夠大，例如要控制一個晶體管收音機，則必須知道收音機的最大消耗電流。普通袖珍收音機的最大電流約為100毫安，采用4069帶動9013晶體管驅動就可以了。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。

學習、實驗與思考

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態電路，它與前面的3個非門工作狀態不同。非門1～3都是單穩態電路。在單穩態電路中，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輸出相反的電位，然后又恢復到原來的狀態。也就是說它只有一種穩定狀態，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。而雙穩態電路則不然，它既可以輸出并保持高電位，也可以輸出并保持低電位，而且這兩種狀態可由輸入端的電位加以控制。雙穩態電路的這種性質也叫記憶功能。

下面分析一下自鎖電路的工作原理。當整個電路處于關機狀態時，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。這樣，自鎖電路就穩定地保持著現有的輸出狀態。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換，由原來穩定地保持在高電位變成穩定地保持在低電位。當然，非門6的輸出則由原來的低電位變成高電位，并穩定地保持在高電位狀態。驅動電路也就變成了導通狀態，控制的電器也就從關機狀態變成開機狀態。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重復一遍，驅動電路就會從導通狀態變回關斷狀態，所控制的電器也變成關機狀態。

2．如何調整開鎖難度

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的大小控制兩次按鍵時間的長短。時間常數τ＝RC（秒），如果R=1M，C=2.2μF，時間常數為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按下第二個鍵呢？這個問題也許沒有太大的實際意義，因為我們盡可把時間常數設計得稍大一些，不必計較零點幾秒的差別，但是弄清楚這個問題對我們提高自己獨立設計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，一般比標稱值大50%左右。所以實際上我們可以認為時間常數就是我們兩次按鍵時間的上限。

3．開鎖后如何上鎖

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

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，讀者可自行學習設計。

圖24-032 四、感應驗電筆

傳統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，通過整流電路將負電場電位旁路而保留正電場電位，當正電位累積到一定電壓后，通過非門電路驅動發光二極管，顯示出被側物體的電位。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

如果僅為了實驗，可以在面包板上組裝。實驗成功后，可以制作成小型的驗電筆。

學習、實驗與思考

1．帶電物體的電場

帶電的物體周圍會產生電場。雖然電場看不見也摸不著，但是我們仍然可以感覺到它的存在。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，這個電壓可以驅動門電路。為了驗證這一現象，可手持感應驗電筆將它向一臺工作中的電視機屏幕靠近或移開，這時就會發現感應驗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重要的作用。它的負極接在輸入端，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導電的整流作用來解釋；也可以這樣理解這個電路：如果電極感應到負電壓，則它被二極管旁路，反之，當感應到正電壓，則由于二極管的高阻抗，正電壓被積累在電容器C上；這樣，當電極靠近220V交流電線路時，就會使驗電筆發光。電容C也是整流電路的一部分，它的數值大小也會影響到驗電筆的正常工作；可以通過實驗確定它的取值范圍。

3．檢測負電場點電路

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

4．思考

如何制作出可以檢測出物體帶正電、負電和交流電的感應驗電筆呢？請讀者想辦法解決這一問題。

房屋中的電源電線埋在墻中，如何使用感應驗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亮，相當于一次擲硬幣的結果。

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被路固定，驅動由非門5和非門6組成的燈光顯示電路，點亮紅燈或綠燈。由于振蕩信號的頻率達1千赫茲，人通過按動開關無法控制最后輸送到自鎖電路的振蕩信號的狀態，也就是當松開按鈕的一瞬間，振蕩信號是高電位還是低電位完全是隨機的。假定振蕩器產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率是相等的，所以燈光顯示電路的結果是紅燈亮還是綠燈亮也是隨機的，而且紅燈和綠燈出現的機率相等。這樣，本作品就可以模擬擲硬幣的結果。

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動壓電陶瓷片發聲。每按動一次AN，模擬一次擲硬幣的結果，就發出一聲鳴叫。

制作要點

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

如果采用4.5V電源，則必須在每個發光二極管上串聯一個2kΩ的電阻。

學習、實驗與思考

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果，需要這種占空比的方波。實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定，一般Rt的阻值大于Rs，通常可在Rs的3～10倍范圍內選擇；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生隨機數（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．小實驗

①多諧振蕩器頻率測定。實驗電路如圖24-054。器材準備：面包板及電路所需元器件。本實驗通過選取不同的Rt、Rs、Cs及電源電壓，觀測記錄振蕩頻率，并與理論計算頻率相比較。通過實驗可以更深刻地掌握多諧振蕩器的頻率設計。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。例如閃動51次，則頻f=51/50＝1.02Hz。對照理論計算：T＝2.2×Rs×Cs＝1.04秒，f=1/T=0.96Hz。以后每次實驗可以改變一種參數，例如改用3節5號電池（注意電壓要據實測量，不能認為是4.5V），其余保持不變，然后記錄實驗結果。通過以上實驗，還可以知道電源電壓Vdd和穩定電阻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

使用這個電路進行實驗，你會發現一個問題，就是要同時觀察時間和燈光閃動的次數，十分不方便。要是實驗電路能夠同時發出聲音提示就方便多了。如何使實驗電路具有聲音提示功能呢？這個問題請讀者自己解決。

②利用概率統計測定方波占空比。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。準備一支筆，一張紙。依次按動開關，記錄下每一次輸出結果，至少重復100次。然后統計出紅燈與綠燈分別出現的次數。例如共進行了300次實驗，紅燈和綠燈出現的次數分別為147和153，再根據這個比例計算出多諧振蕩器在按鈕開關處輸出的方波信號的占空比。計算之前首先確認一下紅燈亮代表按鈕開關處的何種電壓狀態。如本機電路圖，紅燈亮代表按鈕開關處的高電位，從而計算出這個振蕩電路輸出的方波信號占空比為147:300＝49%。

通過這個實驗可以使我們進一步掌握非門的多諧振蕩器的性質，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。通過這個實驗，就可以間接地測量出占空比。此外，還可以進一步研究影響占空比的因素，例如改變Rs和Rt的比值，再次進行實驗，計算出它的占空比。進行這樣的實驗，可以了解影響占空比的因素，最后設計出占空比最接近1:2的多諧振蕩器電路。

六、視力保護提醒器

這個視力保護提醒器在光線充足的情況下沒有反應，當光線減弱至一定程度時，就會發出閃亮的燈光，提醒人注意環境光線不足。從而達到保護視力的功能。

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，使得在光線比較亮時，受控脈沖振蕩器不工作；當光線較暗時，非門1電路翻轉，受控脈沖振蕩器工作，產生方波脈沖；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，驅動發光二極管發出閃亮的光線。

圖24-061

制作要點

本電路主要用于實驗，可在面包板上進行組裝。為了得到更好的效果，發光二極管一定要用高亮度的。一種藍色發光二極管，在相同電流下，可以發出比紅色高亮度二極管強上百倍的光線，且其驅動電壓在2.8V，可以采用3V電源供電；是最好的選擇。當然，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。

學習、實驗與思考

1．利用微分電路獲得窄脈沖

微分電路在數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。適當選擇電容C和電阻R的數值，可以改變微分電路的時間常數，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。用窄脈沖信號驅動發光二極管有什么好處呢？我們知道，發光管的電流越大發出的光越強；但是過強的電流會使發光管損壞，電池的消耗也大。而采用窄脈沖信號驅動，情況就不同了。如果脈沖間隔為1秒多，脈沖寬度為0.2秒，瞬間發光管驅動電流為30 mA，驅動發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，應該從兩方面來進行。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來實驗。然后是微分電路的時間常數，這個數值越小，脈沖寬度越窄。

2．設計自動關機功能

這個把電路放在全黑的環境中，結果是燈會一直閃亮，直到電源用完為止。這是電路的主要缺點。為了避免這一缺點，需要一個電源開關。但是這樣電路就失去了自動提醒的功能。如何克服這個缺點呢？如果把它與文具盒組成一個產品，不使用電源開關，要有以下功能：在全黑的環境中（放在書包里），它不亮，基本上不耗電；在較暗的光線下發出燈光提醒信號；隨著光線進一步加強，它又停止發光。這對于學生來說，是十分有用的預防近視的工具。