基于60Hz脈沖的發(fā)生電路設(shè)計(jì)

60Hz脈沖信號(hào)是時(shí)鐘電路常用到的信號(hào)。本文介紹一種60Hz脈沖信號(hào)發(fā)生電路，分析其存在的誤差，并給出減少誤差的改進(jìn)電路。

電路組成圖1示出的60Hz脈沖信號(hào)發(fā)生電路，由石英晶體多諧振蕩器和分頻器兩部分電路組成，其中IC1為“非”門電路CD4069，IC2為分頻集成電路CD4040，JT為32768Hz石英晶體。石英晶體、“非”門1和“非”門2組成石英晶體多諧振蕩器，晶體JT和電容C1在電路中形成正反饋。晶體在它的固有串聯(lián)諧振頻率點(diǎn)f0的等效阻抗最小，所以電路的振蕩頻率就取決于晶體的固有串聯(lián)諧振頻率，與外接電阻R1、電容C1的參數(shù)無關(guān)。由于石英晶體的頻率穩(wěn)定度可達(dá)10－10～10－11，所以可獲得頻率非常穩(wěn)定的振蕩信號(hào)。IC2、“非”門3、“非”門4和D1、D2組成分頻電路，它對(duì)石英晶體振蕩器所產(chǎn)生的32768Hz的脈沖信號(hào)進(jìn)行分頻，在輸出端Q10或Q9可獲取60Hz的脈沖信號(hào)。

分頻比及頻率誤差CD4040是一片12級(jí)脈動(dòng)進(jìn)位二進(jìn)制計(jì)數(shù)分頻電路，它在時(shí)鐘的下降沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，其復(fù)位端輸入高電平時(shí)，可取得與時(shí)鐘輸入無關(guān)的直接復(fù)位。由于石英晶體的固有諧振頻率f0=32768Hz，從Q9端輸出的信號(hào)是f0的29分頻，其數(shù)值是64Hz，所以不采取一定的措施是不能獲得60Hz的信號(hào)的。所采取的措施是，把CD4040的Q10輸出端通過R2、“非”門3和“非”門4連接到它的復(fù)位端，同時(shí)通過D1、D2分別連接到它的Q2和Q6輸出端，即D1、D2、“非”門3和“非”門4組成復(fù)位控制電路，讓Q10、Q6、Q2的輸出共同控制CD4040的復(fù)位。

Q10端輸出的信號(hào)是振蕩頻率的210分頻，該信號(hào)的一個(gè)周期為振蕩脈沖信號(hào)的1024個(gè)周期時(shí)間，低電平和高電平時(shí)間各為振蕩脈沖的512個(gè)周期時(shí)間。同理，Q6端輸出信號(hào)一個(gè)周期的高、低電平各為振蕩脈沖的32個(gè)周期時(shí)間，Q2端輸出信號(hào)一個(gè)周期的高、低電平時(shí)間各為振蕩脈沖的2個(gè)周期時(shí)間。它們?cè)赒10上升沿處的波形如圖2所示。由于CD4040是下降沿觸發(fā)，所以在Q10的上升沿處對(duì)應(yīng)著Q6的下降沿。從圖1可見，CD4040在Q10、Q6和Q2均為高電平（即Q10.Q6.Q1=1）時(shí)復(fù)位。從圖2可以看出，電路復(fù)位出現(xiàn)在Q10高電平，Q6也高電平之后，Q2輸出第一個(gè)高電平的時(shí)刻。電路復(fù)位時(shí)Q10、Q6、Q2均回到低電平，Q10以及Q9輸出脈沖結(jié)束一個(gè)周期，開始新的周期。

從上面分析可以得出Q9、Q10輸出脈沖信號(hào)的周期為512＋32＋2=546振蕩脈沖周期時(shí)間，它們的頻率就是振蕩脈沖信號(hào)的546次分頻，因此其頻率為：f=32768/546≈60.01465201Hz，其誤差為δ=（60.01465201－60）/60≈2.442×10－4。

減小誤差的電路為了減小輸出脈沖信號(hào)的頻率誤差，可以適當(dāng)修正振蕩脈沖信號(hào)的頻率，具體做法是在電路上把圖1的石英器件多諧振蕩電路改為圖3所示的可微調(diào)頻率的石英晶體多諧振蕩電路。石英晶體JT仍作為反饋元件，“非”門電路工作在線性放大狀態(tài)，R1為其提供偏置。當(dāng)振蕩頻率接近晶體的固有串聯(lián)諧振頻率時(shí)，電路滿足振蕩條件。該電路仍具有十分穩(wěn)定的振蕩頻率。圖3中C1、C2和石英晶體JT組成π形反饋網(wǎng)絡(luò)，調(diào)整C1或C2的值，可以微調(diào)電路的振蕩頻率。

該電路的輸出端接到圖1中CD4040的端，輸出的脈沖信號(hào)作為CD4040的計(jì)數(shù)脈沖。要使圖1中CD4040的Q9和Q10輸出60Hz的脈沖信號(hào)，計(jì)數(shù)脈沖的頻率應(yīng)為：f0=60×546=32760Hz。這一振蕩頻率在圖3所示的電路中可通過調(diào)整C1或C2的數(shù)值來實(shí)現(xiàn)。