如何用一只无缓冲CMOS六反相器做出测试仪器？

本文讨论了如何用一种六反相器IC做出四种测试件：一个有良好定义逻辑电压窗口的逻辑笔，输入阻抗约为1MΩ；一个开路测试仪，上限电阻可以从几十欧到几十兆欧；一个单脉冲或脉冲串注入器或简单的信号发生器；还有一个是高阻音频探头。使用一只4069中的六个反相门、两或三只电阻，以及少许无源元件，就可以做出这些测试仪器。

在双门构成的CMOS/TTL兼容探头中，R1至R4电阻网络对反相器输入端做偏置（图1）。由于门有高输入阻抗，因此R1至R4的值在大约100kΩ到1MΩ。探头尖的吸入/供出电流很小，因为R1至R4有高阻抗，因此，探头尖基本上不影响测试点的逻辑电平。知道了门的输入阈值电压后，就可以计算出所需要的R1至R4电阻值。

图1：在双门构成的CMOS/TTL兼容探头中，R1至R4电阻网络对反相器输入端做偏置

图2：这个单门构成的开路测试仪有可调的检测阀值

上方的门检测逻辑0，下方的门检测逻辑1.将上限设定了逻辑0的电压，计算出R1和R2的值。任意选择R1= 1MΩ，去找一个R2的值，使得上方门输入端的电压正好是阈值电压。于是R2=R1 （VT-VL）/ （VS-VT），其中VT是阈值电压，VL是逻辑0电压，而VS是电源电压。同样，给逻辑1电压VT设定一个下限，按R3来寻找一个R4的值。适当地选择R3，此时要注意各个门的静态偏置，从而在探头悬浮状态下使各个LED熄灭，就可以得到R4的值：R4=R3VT/（VH-VT）。

下式计算探头的电流：IP=[-（V-VI）（R3+ R4）+VI （R1+R2）]/（R1+R2）（R3+R4），其中IP是探头电流，VI是探头尖的电压。因此，对探头尖上的任何电压，探头阻抗均大于1MΩ。对于有更高阈值电压的4069封装（如3V），可以在正电源轨与芯片之间接一个二极管再跟随一个10kΩ接地负载电阻，有助于降低这个电压。

开发人员经常使用的开路测试仪（图2）是基本的测试设备；这些测试仪是工作台上不可缺少的装备。用4069的一个门（有高输入阻抗，以及门输出转换的阈值电压）可以做成开路测试仪，其上限是测试电路的电阻。探头之间的总阻抗以及开关结构的电阻构成了一个分压网络，在门的输入端产生一个电压。当两个电阻相等时，门输入端的电压为电源电压的一半。门的转换阈值电压也接近于电源电压的一半，因此，开关分支选择的电阻就设定了近似的开路测试电阻。

另一种有用的结构是用一只可变电阻代替可切换电阻。这种方法可以通过调节可变电阻，在考虑到探头尖之间的电阻，以及LED的发热后，任意设定开路测试电阻。可变电阻的设置应使得LED正好熄灭。这种方法获得了一个紧凑的结构，可以装入一个小封装内。另外一只可变电阻（1kΩ到2kΩ）与负探头串联，从而能够做大约100Ω或更小的开路电阻测试。另外还可以使用有较低转换阈值电压的门，方法是用一对二极管跟随一个10kΩ的负载电阻，从正电源轨串联到地。这种结构也可以经过适当修改后，用于测试有电的交流电线（参考文献3），这样就做出了五种设备。

现在4069封装中还有三个门，其中两个可以做一个非稳振荡器/单稳式单脉冲发生器电路，一个互补双极管对缓冲器用于增加驱动电流（图3）。一只SPDT（单刀双掷）开关切换到P（脉冲）或A（非稳），就可以在两种方式之间选择。在脉冲模式下，按开关可在输入端产生一个简单的负向脉冲，送至第二个门，因为C2开始充电，门输出端获得的高电平在Q1与Q2的结点处产生一个正向脉冲。这个脉冲也被锁定，开关去颤是通过电容C1的正反馈，它以R1、R2或R3决定的时间常数开始充电。当C1上的电压等于阈值电压时，第二个门的输出再次通过C1的正反馈而返回为低，将第二个门的输入端驱动为高，结束脉冲。

与C 2并联的二极管总是反偏的，它用作一只为C2放电的极大阻值电阻。假设二极管的典型泄漏为1nA，则2.5V时的等效电阻约为2.5GΩ。大约125 ms的RC放电时间常数适用于人手按压按键的速度。

图3：互补双极晶体管增加了振荡器以及单脉冲发生器的输出电流

R1到R3的值设定了非稳态频率，或单稳脉冲宽度。在第二个门的输入端有220kΩ的电阻，用于当门电压低于地电压，或比VDD高0.6V时，限制电容的泄漏电流进入门输入端。单稳脉冲产生大约1/（2.2RC）的频率，而门的阈值电压决定了单稳的脉冲宽度，即大约0.7RC到1.1RC.

有时候，需要聆听某个测试电路点处的音频信号。4069有高的输入阻抗，以及大约6.8mA的充足输出驱动电流，可以驱动一只小型PCB安装式扬声器。这种方法可以建立起一个简单的音频探头（图4）。图4a中门输入端的电阻用于当待测单元电压高于门的电源电压时，为门提供保护。

图4中显示了两种驱动声音换能器的方法，具体取决于对响度的要求。图4a是直接连接到一只压电换能器。如果声音较大，可以在图4b的扬声器上串联一个小电阻，用于控制音量，并且防止扬声器或晶体管可能的损坏。图4c显示了一种通过门输入端的偏置来提高灵敏度的可选方法。