1第2章常用數(shù)字集成電路

第2章常用數(shù)字集成電路2.1CD4069六反相器及其應用2.2CD4011四2輸入端與非門及其應用2.3CD4017十進制計數(shù)器/脈沖分配器及其應用2.4CD406014級二進制串行計數(shù)/分頻器及其應用2.5CD4066四雙向模擬開關(guān)及其應用2.674HC14六反相施密特觸發(fā)器及其應用2第2章常用數(shù)字集成電路

2.1CD4069六反相器及其應用CD4069包含六個獨立的反相器，采用低功耗的CMOS工藝，有寬的電壓范圍，較強的抗干擾能力和對稱的上升和下降沿。CD4069一般作為通用的反相器，對于要求更高抗干擾能力的IC，可以選擇使用74HC14等反向施密特觸發(fā)器。所有的輸入端均通過2個二極管對VDD和VSS進行放電以保護芯片。3CD4069六反相器的特性主要特點：1.寬電壓范圍3.0V到15V2.高噪聲抑制0.45VDD3.低功耗TTL兼容扇出可以驅(qū)動2個74L或者1個74LS4.與74C04通用。4表2.1CD4069極限參數(shù)符號參數(shù)名典型單位VDD電源電壓-0.5/18VVIN輸入電壓-0.5V到VDDVTS貯存溫度-65到150℃PD耗散功率700mWTL10秒焊接溫度260℃5678圖2.1CD4069的原理圖和引腳配置（頂視）9SOP14封裝DIP14封裝10圖2.2CD4069制作的定時燈光提醒器

112.1.3CD4069制作的定時燈光提醒器1.電路組成電路如圖3所示，由六非門CD4069（僅用到其中兩個非門，分別用IC－1和IC－2表示）和電阻、電容、電源等組成，此電路可以在1～25分鐘內(nèi)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(guān)，定時器綠燈亮，表示開始計時，到了預定的時間，綠燈滅，紅燈亮。12圖2.3太陽能充電器電路132.工作原理太陽能電池的電壓往往比較低，要給一個更高電壓的鎳氫電池充電一定要使用DC-DC升壓電路。圖中L、Q和D就組成了基本的升壓電路。CD4069的G1和G2門組成基本的振蕩器，頻率為f=1/(2.2R2C2)

，圖中取值得到的頻率大概為155kHz，產(chǎn)生的脈沖信號通過G3-G6門并聯(lián)的緩沖后驅(qū)動MOS管VT工作。14第2章常用數(shù)字集成電路

2.2CD4011四2輸入端與非門及其應用CD4011包含4個獨立的2輸入與非門，采用低功耗的CMOS工藝，有寬的電壓范圍，有相同的拉電流和灌電流能力。CD4011實現(xiàn)的是與非的功能。所有的輸入端均通過2個二極管對VDD和VSS進行放電以保護芯片。CD4011的輸入輸出參數(shù)等可參考CD4069，這里只指出其引腳圖和應用。152.2.1CD4011的引腳配置圖2.4CD4011的引腳配置圖（頂視）16SOP14封裝DIP14封裝17圖2.5CD4011構(gòu)成的超溫與降溫報警器電路18CD4011構(gòu)成的超溫與降溫報警器電路工作原理二極管反向工作時，反向電流與溫度有著密切的關(guān)系，大約溫度每升高10℃，反向電流增大一倍。例如2AP9型鍺二極管，在25℃時反向電流若為250uA，溫度升高到35℃，反向電流將上升到500uA，依此類推，在75℃時，它的反向電流已達8mA，已經(jīng)失去了單方向?qū)щ娞匦浴６O管VD1和VD2均置于環(huán)境溫度內(nèi)，當溫度低于下限值時，圖中a點電位大于門A輸入端的閾值電壓U，門A輸出端為低電平，使門B輸出高電平，這時由門C、門D組成的多諧振蕩器起振，壓電片發(fā)出報警聲；當箱內(nèi)溫度高于上限值時，b點電位小于門B閾值電壓U，也可使門B輸出高電平，蜂鳴器發(fā)出報警聲。只有當箱內(nèi)溫度處于上、下限之間的值時，蜂鳴器才不會發(fā)出聲響。分別調(diào)節(jié)RP1和RP2的值可分別改變下限和上限值。19圖2.6CD4011制作的延遲節(jié)能燈20GR為光敏電阻，有光或者較亮時阻值很小，導致D1的第1腳為低電平0，D1輸出1，D2輸出0，D3輸出1，D4輸出0，可控硅不導通，燈不亮，這種情況下，無論話筒是否接收到聲音均不會亮燈。當夜晚或者光線較暗時，GR阻值很大，導致D1的第1腳為高電平1，這時候的狀態(tài)取決于話筒接收到的聲音。當話筒接收到較大聲音時，經(jīng)過9013的放大D1第2腳會有交流電壓，也就是有時為高電平。當是高電平的時候，D1輸出0，D2輸出1，C2被很快充電成高電平，所以D3輸出0，D4輸出1，可控硅導通，燈亮。當聲音消失或者很小時，盡管D2變成0，但由于VD6的單向?qū)ㄗ饔?，C2仍然為高電平，但是會被電阻逐步放電，知道電壓翻轉(zhuǎn)，D3就會輸出高電平，D4輸出0，可控硅截止，燈滅。這就形成了當晚上有聲音的時候燈就會亮，直到連續(xù)30秒左右均沒有聲音燈才會熄滅的節(jié)能控制效果。CD4011制作的延遲節(jié)能燈21圖2.7CD4011制作的水滿報警器當水滿時，AB兩個探測電極均與水接觸時，AB兩端電阻很小，遠小于R1(200K)，CD4011的A門輸入端電壓很低，為低電平0輸入，故A門輸出高電平1，三極管Q1導通，繼電器J1（常閉型）線圈中有電流通過，繼電器斷開（可用于斷開抽水電機電源）；同時與非門C的上輸入端和與非門A的輸出端相連，也為高電平，故由與非門C、D組成的音頻振蕩器起振，蜂鳴器發(fā)出報警聲響。另外，與非門B輸出低電平，發(fā)光二極管LED發(fā)光指示水滿。22圖2.7CD4011制作的水滿報警器當水未滿(或未達到預定水位時)，電極B未與水接觸，邏輯狀態(tài)與水滿時相反23第2章常用數(shù)字集成電路

2.3CD4017十進制計數(shù)器/脈沖分配器及其應用

CD4017是5位約翰遜計數(shù)器，具有10個譯碼輸出端，CP、CR、INH三個端入端的施密特觸發(fā)器具有脈沖整形功能，對輸入時鐘脈沖上升和下降時間無限制。INH為低電平時，計數(shù)器在時鐘上升沿計數(shù)，反之，計數(shù)功能無效。CR為計數(shù)器清零端，高電平有效。在10個時鐘輸入周期輸出一次CO進位信號，可用作多級計數(shù)器的下級時鐘，實現(xiàn)級聯(lián)計數(shù)。24圖2.8CD4017的引腳配置圖（頂視）

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圖2.11CD4017制作的纜線測試器26

工作原理

NE555組成多諧振蕩器，從其引腳3輸出一個脈沖信號送給CD4017作為時鐘，因CD4017的引腳15（RESET）接地，輸出端(Q0—Q9)只有一個高電平循環(huán)出現(xiàn)，其余均為低電平。這樣，如果主機電路中的LED1被點亮，副機中的LED9也被點亮，則表示被測網(wǎng)線第一根線為“通”，其它例同。對網(wǎng)線進行檢測時，如果LED1-LED8有不亮者，即表示此線短路。如果LED9一LED16非順序點亮，則表示線序有誤。測試熟練后，還可根據(jù)發(fā)光二極管的發(fā)光情況判斷出某根網(wǎng)線是否接觸不良。網(wǎng)線通常兩端為RJ45頭，本電路的1-8可分別焊接在RJ45插座的對應引腳上，這樣插入網(wǎng)線即可檢測。27圖2.12CD4017制作的單鍵觸摸開關(guān)

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工作原理接通電源后，因C2電壓不能突變，CD4017的引腳15為短時高電平，IC自動復位清零，可控硅關(guān)斷，燈不亮。當人手觸摸M1后，氖燈發(fā)光，光敏電阻CDS感光阻值減小使IC的CLOCK端變?yōu)楦唠娖剑琎1由此輸出高電平，9013三極管有基極電流，使可控硅導通點亮燈泡。當人手再一次觸摸M1后，IC計數(shù)一次，Q1變?yōu)榈碗娖剑琎2輸出高電平，9013三極管無基極電流，可控硅截止，燈滅，依次類推，從而實現(xiàn)觸摸開關(guān)功能。市電兩輸入線分別通過R1、R2接至觸摸電路，安裝時需區(qū)分相線和零線。29圖2.13CD4017和MC1413制作的流水燈

30工作原理電路由NE555振蕩電路輸出脈沖信號給CD4017作為時鐘，CD4017依次在Q0-Q9循環(huán)輸出高電平，通過MC1413的驅(qū)動分別輸出大電流給串聯(lián)的LED，這種閃爍的場景可通過在摩托車尾部大燈的下方裝本電路來實現(xiàn)。在摩托車夜間行駛時，能產(chǎn)生彩燈往復閃爍，行如流水的動感效果。這種流水燈控制電路也可用于節(jié)日燈飾控制或廣告背景燈等其他應用場合。使用VD整流二極管的作用是為了防止電源反接。31第2章常用數(shù)字集成電路

2.4CD406014級二進制串行計數(shù)/分頻器及其應用CD4060由一振蕩器和14級二進制串行計數(shù)器位組成，振蕩器的結(jié)構(gòu)可以是RC或晶振電路，RESET為高電平時，計數(shù)器清零且振蕩器使用無效。各級計數(shù)器均為T觸發(fā)器，當T=1時對時鐘進行計數(shù)。在Φ0的下降沿計數(shù)器以二進制進行計數(shù)。在時鐘脈沖線上使用施密特觸發(fā)器，對時鐘上升和下降時間無限制。分頻系數(shù)為16~16384（Q4~Q10,Q12~Q14輸出）。32圖2.14CD4060的引腳配置圖（頂視）

33CD4060的DIP16封裝

342.4.2CD4060的三種時鐘方式

圖中RC振蕩的電路圖，振蕩頻率為f=1/(2.2

R1*C)，R2為R1的2-10倍。顯然當RESET端為1時，電路無法起振。圖中晶體振蕩可產(chǎn)生高穩(wěn)定度的時鐘。圖2.15CD4060的時鐘連接方式35圖2.16CD4060的外部時鐘連接圖（不使用內(nèi)部振蕩電路）圖2.16所示為使用外部時鐘時，引腳10和引腳9均懸空，外部是鎮(zhèn)南關(guān)從引腳11輸入即可。36CD4060組成的秒信號發(fā)生器圖2.17CD4060組成的秒脈沖發(fā)生器372.工作原理圖2.17的振蕩部分為晶體振蕩電路，產(chǎn)生的頻率為32768Hz，經(jīng)過CD4060的分頻，從引腳3腳輸出14級信號，即經(jīng)過了16384分頻后，得到的頻率為2Hz,再經(jīng)過BCD加法計數(shù)器CD4518的再一次分頻，就得到了1Hz的秒脈沖信號。38表2.3電路輸出頻率IC引腳名稱頻率（Hz）周期(s)CD40607Q420480.0004885Q510240.0009774Q65120.0019536Q72560.00390614Q81280.00781313Q9640.01562515Q10320.031251Q1280.1252Q1340.253Q1420.5CD45183Q1A114Q2A0.525Q3A0.2546Q4A0.125811Q1B0.06251612Q2B0.031253213Q3B0.0156256414Q4B0.00781312839圖2.18CD4060組成的頻率計電路40

工作原理當R2選擇合適時，將在4060的Q4端輸出一個高電位持續(xù)時間為1秒的基準脈沖信號并用LED顯示，在這1秒時內(nèi)計數(shù)器從000開始對外接待測信號進行計數(shù)，1秒過后，Q4變?yōu)椤?”，CD4011的引腳11不再接通外接信號，計數(shù)停止。當Q3=“1”,且Q5=“1”時CD4011的引腳10輸出復位信號，將CD4060和CD4026復位，即完成了一次頻率測試。本電路會以反復計數(shù)的方式完成外接信號的頻率測試。412.4.5CD4060組成的長延時電路圖2.19CD4060組成的長延時電路42工作原理CD4060接成RC振蕩模式，振蕩頻率大約為1Hz，經(jīng)過14級分頻在引腳3(Q14)的脈沖周期為16841秒（約4小時40分），同理引腳15(Q10)的脈沖周期為1058秒。在電路接通的情況下，按一下AN按鈕，電路重新開始計時，延時1058秒后，Q10由“0”變“1”，通過4148二極管使振蕩停止，LED點亮，計時終止。通過波段開關(guān)可以選擇其他延時時間。43第2章常用數(shù)字集成電路

2.5CD4066四雙向模擬開關(guān)及其應用CD4066為四雙向模擬開關(guān)，內(nèi)部含有四個獨立的能控制數(shù)字或者模擬信號傳輸?shù)碾p向開關(guān)，每個開關(guān)有一個控制端CON和2個IO端，當控制端CON為“1”時開關(guān)打開，當控制端CON為“0”時開關(guān)關(guān)斷，實際上它就相當于可控的單刀雙擲開關(guān)。模擬開關(guān)在電視機、影碟機、電話機、各種電子儀器儀表等上應用相當廣泛。作為模擬開關(guān)的同類集成電路還有單八路模擬開關(guān)CD4051、雙四路模擬開關(guān)CD4052、單十六路模擬開關(guān)CD4067和三組二路模擬開關(guān)CD4053等，美國Maxim公司更是提供了更高性能（更快速、更低導通電阻）的模擬開關(guān)，如MAX4621導通電阻可低至3Ω，甚至可以作為簧片繼電器的替代品。44圖2.20CD4066的引腳配置圖（頂視）452.5.2CD4066的特性主要特點：☆導通電阻低至125Ω☆關(guān)斷電阻高至180MΩ☆靜態(tài)電流低至0.01uA46表2.6CD4066主要電氣參數(shù)符號參數(shù)名條件最小典型最大單位IDD靜態(tài)電流VDD=5，10，15V0.01uAVDD=20V0.02uARON導通電阻VDD=5V4701050ΩVDD=15V180400ΩVDD=20V125240ΩRIN控制輸入電阻Ω

響應頻率VDD=5V40MHz472.5.3CD4066構(gòu)成的單鍵控制視頻切換器圖2.21CD4066構(gòu)成的單鍵控制視頻切換器48工作原理按鍵每按一下，相當于給CD4017輸入一個時鐘脈沖，CD4017就會計數(shù)，分別從Q0~Q3依次輸出高電平，打開相應的CD4066開關(guān)讓相應的視頻通過。當Q4為高電平時，再按一次按鍵就會導致Q5為高電平，由于Q5與MR相連，CD4017復位，所有的Q全部置“0”。這樣實際的開關(guān)除了分別接通視頻1、2、3、4外還有一個空閑狀態(tài)，也就是視頻輸出端不接通任何輸入端。49制作要點由于視頻信號的速率很高，為了防止互相干擾，連接視頻信號時要注意各組相互之間的隔離、視頻信號線的屏蔽層的良好接地等。50CD4066構(gòu)成的單鍵控制電壓輸出裝置圖2.22CD4066組成的單鍵控制電壓輸出裝置512.工作原理

CD4017和按鍵一起組成十進制計數(shù)器，在按鍵的作用下，依次從Q0~Q9輸出高電平，接通對應的CD4066模擬開關(guān)，電阻R1分別和對應模擬開關(guān)下的電阻組成分壓網(wǎng)絡，由于每個開關(guān)控制的電阻不同，所以依次得到不同的電壓輸出。52CD4066組成的繼電器控制電路圖2.23CD4066組成的繼電器控制電路

532.工作原理當“開”脈沖出現(xiàn)時，B電子開關(guān)的引腳3和引腳4接通，引腳4輸出+5v，+5v電位一路連到繼電器的驅(qū)動三極管基極，三極管飽和，使繼電器線圈通電，繼電器吸合，+5v電位另一路至C電子開關(guān)的控制端引腳6,使C開關(guān)的引腳8和引腳9導通，呈現(xiàn)+5V，并輸出到A開關(guān)的引腳2，使得引腳2也得到+5v電位。由于此時關(guān)脈沖輸出為“0”電位，D開關(guān)關(guān)閉，被拉高的引腳11給A開關(guān)的控制端引腳13的電壓也為+5v，所以A開關(guān)導通，引腳1和引腳2接通，均為+5V，并輸出給B開關(guān)的控制端引腳5，使得B開關(guān)自鎖保持導通狀態(tài)，即使開脈沖過去，但B開關(guān)的引腳4引腳輸出到繼電器驅(qū)動管仍保持高電平，繼電器觸點維持吸合狀態(tài)。只要B開關(guān)的引腳4引腳輸出+5V，LED上就能得到正向?qū)妷憾l(fā)亮。5455

圖2.24為CD4001或非門搭建的同樣功能的電路。電路使用2個或非門即可實現(xiàn)同樣的功能，而且電路更加簡潔可靠，設(shè)計數(shù)字電路的過程中選擇合適的集成電路，能更好的簡化電路，節(jié)約成本。562.工作原理當關(guān)脈沖來到時，D開關(guān)的引腳11才變?yōu)椤?”電位，使得A開關(guān)的控制端引腳13也為“0”電位，A開關(guān)斷開，引腳1和引腳5的電位為“0”電位，導致B開關(guān)關(guān)閉，引腳3和引腳4斷開，自鎖狀態(tài)解除（此時“開”脈沖輸入為“0”電位），CD4066輸出電壓為“0”電位，三極管截止，繼電器維持不吸合狀態(tài)。本電路的關(guān)鍵之處是，只依靠一個脈沖即可維持繼電器的狀態(tài)，所以設(shè)計上必須能實現(xiàn)狀態(tài)的自鎖。57第2章常用數(shù)字集成電路

2.674HC14六反相施密特觸發(fā)器及其應用74HC14包含六個反相施密特觸發(fā)器。施密特觸發(fā)器具有滯后特性，具體的說，有如下兩個特點：1．電路具有兩個閾值電壓，分別稱為正向閾值電壓V+和負向閾值電壓V-；2．與雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器不同，施密特觸發(fā)器屬于“電平觸發(fā)型”電路，而不依賴于邊沿陡峭的脈沖。施密特觸發(fā)器經(jīng)常被設(shè)計用于阻止輸入電壓出現(xiàn)微小變化（低于某一閾值）而引起的輸出電壓的改變。當輸入電壓由低向高增加，到達V+時，輸出電壓發(fā)生突變，而輸入電壓Vi由高變低，到達V-時，輸出電壓發(fā)生突變，因而出現(xiàn)輸出電壓變化滯后的現(xiàn)象，對于要求一定延遲啟動的電路，施密特觸發(fā)器是特別適用的。另外在脈沖整形、脈沖幅度鑒定等方面，施密特觸發(fā)器也廣泛使用。58圖2.2574HC14的引腳配置圖（頂視）592.6.274HC14的性能表2.874HC14極限參數(shù)符號參數(shù)名典型單位VDD電源電壓7VVIN輸入電壓7VTS貯存溫度-65~150℃60表2.974HC14主要電氣參數(shù)mA8VDD=5V低電平輸出電流IOLmA-0.4VDD=5V高電平輸出電流IOHV10.80.5VDD=5V反向輸入閾值電壓VT-V1.91.61.4VDD=5V正向輸入閾值電壓VT+VVDD0輸入輸出電壓VIN,VOUTuA0.25靜態(tài)工作電流IDDV6.02.0電源電壓VDD單位最大典型最小條件參數(shù)名符號6174HC14輸入輸出特性示意圖（a）輸入正常正弦波（b）輸入強干擾波形圖2.26典型的輸入輸出波形示意圖2.26（a）表明施密特觸發(fā)器的正向階段（輸入電壓Vin上升）和反向階段（輸入電壓Vin下降）的輸出轉(zhuǎn)換閾值電壓VT+和VT-是大小不同的，這樣看起來輸出波形相對輸入波形有滯后。62636465正弦波HC14HC0440696674HC14輸入輸出特性示意圖（a）輸入正常正弦波（b）輸入強干擾波形圖2.26典型的輸入輸出波形示意圖2.23（b）表明了當輸入波形噪聲較大時，通過施密特觸發(fā)器后信號被整形并濾去了干擾噪聲。當然74HC14為反相的施密特觸發(fā)器，所以如要得到同相的信號，可再接一級反相器。67圖2.27典型的施密特觸發(fā)器傳輸示意圖2.27為典型的施密特觸發(fā)器傳輸示意圖，可以看出正向和反向的傳輸曲線不完全一致。682.6.4采用74HC14的光耦合器接收整形電路

圖2.28采用74HC14的光耦合器接收整形電路69

工作原理

8052單片機的輸出口一般為集電極開路型，所以跟PNP三極管來驅(qū)動光耦合器6N136的發(fā)光二極管。當8052輸出低電平0時，發(fā)光二極管發(fā)光，被光敏二極管接收并被三極管放大，此時的信號由于經(jīng)過電光和光電轉(zhuǎn)換，會有一定的噪聲，通過74HC14整形后還原成原始8052信號的反相信號，此信號驅(qū)動場