多諧振蕩器的類型原理、應(yīng)用特點和仿真研究

引言

在數(shù)字系統(tǒng)電路中經(jīng)常用到多諧振蕩器。多諧振蕩器是一種自激振蕩器，在接通電源以后，不需要外加觸發(fā)信號便能自行產(chǎn)生一定頻率和一定寬度的矩形波，這一輸出波形用于電路中的時鐘信號源。由于矩形波中含有豐富的高次諧波分量，所以習慣上又將矩形波振蕩器稱為多諧振蕩器。按照電路的工作原理，多諧振蕩器大致分為無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。

1 無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器

1．1 采用TTL門電路構(gòu)成的對稱式無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器

對稱式多諧振蕩器的典型電路如圖1所示，它是由兩個反相器Gl、G2經(jīng)耦合電容C1、C2連接起來的正反饋振蕩電路。電路中G1和G2采用SN74LS04N反相器，RFl=RF2=RF，C1=C2=C，振蕩周期T≈1．3RFC，輸出波形的占空比約為50％。RF1、RF2的阻值對于LSTTL為470 Ω～3．9kΩ，對于標準TTL為0．5～1．9kΩ之間。

1．2 采用CMOS門電路構(gòu)成的非對稱式無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器

如果把對稱式多諧振蕩器電路進一步簡化，去掉C1和R2，在反饋環(huán)路中保留電容C2，電路仍然沒有穩(wěn)定狀態(tài)，只能在兩個暫穩(wěn)態(tài)之問往復(fù)振蕩，電路如圖2所示。

假定G2輸出為1，電容C充電，在充電開始VI1也為1。因此，該電壓經(jīng)Rp力口到G1輸入端，Gl輸出為O，電路穩(wěn)定工作，C繼續(xù)充電。充電電流隨著充電時間延長而減小，RF兩端電壓下降，若降到Gl的閾值電壓以下，則G1輸出變?yōu)?，G2輸出變?yōu)?，C反向充電。隨著充電的進行，VI1達到Gl的閾值電壓時，G1輸出變?yōu)?，G2的輸出變?yōu)?，該動作重復(fù)進行而產(chǎn)生振蕩。電容C的充放電時間分別為T1=RfC1h3，T2=RfC1n3，振蕩周期T=T1+T2=2RFC1h3≈2．2 RFC，輸出波形的占空比為50％。

在電路的G1輸入端串接的保護電阻RP是為了減少電容C充放電過程中CMOS門電路輸入保護電路承受較大的電流沖擊，且Rp》》RF。

1．3 門電路無穩(wěn)態(tài)環(huán)形振蕩器

利用門電路地傳輸延遲時間將奇數(shù)個反相器首尾相接可構(gòu)成一個基本環(huán)形振蕩器，電路的振蕩周期為T=2ntpd，n為串聯(lián)反相器的個數(shù)。作為數(shù)字系統(tǒng)的時鐘信號源，由CMOS反相器構(gòu)成的環(huán)形振蕩器具有結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、功耗低的優(yōu)點，因此得到了廣泛地應(yīng)用。隨著CMOS集成電路工藝技術(shù)的發(fā)展，當前，其振蕩頻率已達到數(shù)+GHz。但是，這種利用反相器的延時特性構(gòu)成的環(huán)形振蕩器，只能產(chǎn)生高頻信號。為了構(gòu)成低頻和超低頻環(huán)形振蕩器，一種解決方法是在此電路的基礎(chǔ)上附加RC延遲環(huán)節(jié)，組成帶有RC延遲電路的環(huán)形振蕩器，電路如圖3（a）所示。另一種解決方法是根據(jù)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的延時作用，運用環(huán)形振蕩器的工作原理，構(gòu)成低頻環(huán)形振蕩器，如圖6所示。

當V12處發(fā)生負跳變時，經(jīng)過電容C使v13首先跳變到一個負電平，然后再從這個負電平開始對電容充電，從而增加了V13從開始充電到上升為VTH的時間，等于加大了v12到v13的傳輸延遲時間。通常RC電路產(chǎn)生的延遲時間遠 遠大于門電路本身的傳輸延遲時間，所以在計算振蕩周期時可以只考慮RC電路的作用而將門電路固有的傳輸延遲時間忽略不計。對于TTL門電路，假定VOH=3V，VTH=1．4V，則振蕩周期為T≈2．2RC。如果再電路中采用二極管和電阻組合來改變占空比，調(diào)解電位器RP，使電容c的充放電路徑的阻值在2~100kΩ之間變化，這樣，可使占空比在百分之幾至99％這樣寬的范圍內(nèi)變化。電路如圖3（b）所示。在數(shù)電實驗中，常用門電路串接為環(huán)形振蕩器的方法測量門電路的傳輸延遲時間。因為實際的門電路，輸入端加電壓，到輸出端作為其結(jié)果的輸出這個傳輸延遲時間是暫時穩(wěn)定的，將其狀態(tài)轉(zhuǎn)移到下一個門電路，利用這個原理可測試出圖3電路的傳輸時間tpd（T=2．3tpd）。由于門電路的傳輸延遲時間極短，TTL電路只有幾十納秒，CMOS電路也不過一二百納秒，該實驗如果用普通20M的模擬示波器實驗效果很差，很難測量到準確的結(jié)果，用60M以上的數(shù)字存儲示波器才能測得較準確的結(jié)果。如果用仿真的方法進行實驗，操作方便、結(jié)果直觀明了。所以在實驗中，對儀器要求較高的或較難做的實驗常常用仿真實驗的方法來進行。

1．4 采用施密特觸發(fā)器的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器

利用施密特觸發(fā)器的回差特性可以構(gòu)成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，電路如圖4（a）所示。當接通電源后，因為電容上的初始電壓為零，所以輸出為高電平，并開始經(jīng)電阻R向電容C充電。當充電到輸入電壓為vI=VT+時，輸出跳變?yōu)榈碗娖?，電容C又經(jīng)過電阻R開始放電。當放電至v1=VT-時，輸出電位又跳變?yōu)楦唠娖?，電容C重新開始充電。如此周而復(fù)始，電路便不停地振蕩。振蕩周期為仿真電路如圖4（c）所示。

通過調(diào)節(jié)R和C的大小，即可以改變振蕩周期。此外在這個電路的基礎(chǔ)上稍加修改就能實現(xiàn)對輸出脈沖占空比的調(diào)節(jié)，電路如圖4（b）所示。在這個電路中，因為電容C的充電和放電分別經(jīng)過兩個電阻R2和Rl，所以只要改變R2和R1的比值，就能改變占空比。

1．5 用555定時器組成的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器

用555電路可以組成施密特觸發(fā)器，利用施密特觸發(fā)器的回差特性，在電路的兩個輸入端與地之間接入充放電電容C并在輸出與輸入端之間接入反饋電阻Rf，就組成了一個直接反饋式多諧振蕩器，如圖5（a）所示。接通電源，電路在每次翻轉(zhuǎn)后的充放電過程就是它的暫穩(wěn)態(tài)時間，兩個暫穩(wěn)態(tài)時間分別為電容的充電時間Tl和放電時間T2。T1=O．69RfC，T2=0．69RfC，振蕩周期T=T1+T2，振蕩頻率f=1／T。

改變R、C的值則可改變充放電時間，即改變電路的振蕩頻率f。

直接反饋式多諧振蕩器的缺點是：由于通過輸出端向電容C充電，以及受負載因素的影響，會造成振蕩頻率的不穩(wěn)定。間接反饋式多諧振蕩器如圖5（b）所示，電路的工作過程不變，但它的工作性能得到很大改善。該電路充電時經(jīng)R1和R2兩只電阻，而放電時只經(jīng)R2一只電阻，兩個暫穩(wěn)態(tài)時間不相等，T1=0．69（R1+R2）C，T2=0．69R2C，振蕩周期T=Tl+T2=0．69（Rl+2R2）C，振蕩頻率f=1／T。如果將電路進行改進，接入二極管D1和D2，電路如圖5（c）所示，電容的充電電流和放電電流流經(jīng)不同的路徑，充電電流只流經(jīng)R1，放電電流只流經(jīng)R2，因此電容C的充放電時間分別為T1=0．69R1C，T2=0．69R2C，振蕩周期T=T1+T2=0．69（R1+R2）C，振蕩頻率f=1／T。若取R1=R2占空比為50％。

555定時器是一種多用途的數(shù)字一模擬混合集成電路，使用靈活、方便，所以555定時器在波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制、家用電器、電子玩具等許多領(lǐng)域中都得到了應(yīng)用。

1．6 石英晶體多諧振蕩器

在某些對數(shù)字脈沖穩(wěn)定度要求較高的電路中，上述幾種多諧振蕩器所產(chǎn)生的脈沖很難滿足要求。這是因為上述振蕩電路中的振蕩頻率是由門電路輸入電壓上升到轉(zhuǎn)換電平所需要時間來決定的。由于受電源電壓、溫度變化以及某些干擾因素的影響，門電路的轉(zhuǎn)換時間不可能十分精確和穩(wěn)定。石英晶體多諧振蕩器是一種產(chǎn)生高穩(wěn)定度的脈沖振蕩器，它是在原多諧振蕩器的反饋回路中加入石英晶體諧振器而構(gòu)成。

由于石英晶體有極高的頻率穩(wěn)定性（頻率穩(wěn)定度可達10—10～10—11），而且品質(zhì)因數(shù)又高，因此它有極好的選頻特性。當外加電壓頻率等于石英晶體的固有頻率f0時，它的阻抗最小，頻率為f0的電壓信號最容易通過，并在電路中形成正反饋而使電路振蕩。石英晶體多諧振蕩器的振蕩頻率只取決于石英晶體的固有頻率f0，而與外接的R、C元件無關(guān)。

2 單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器

2．1 門電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器

采用TTL門電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路如圖6所示。在G1的輸入端用Rl和R2進行鉗位，提高觸發(fā)靈敏度。

2．2 集成的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器

鑒于單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的應(yīng)用十分普遍，在TTL電路和3CMOS電路的產(chǎn)品中，都產(chǎn)生了單片集成的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器器件。使用這些器件時只需要很少的外接元件和連線，而且由于器件內(nèi)部電路一般還附加了上升沿與下降沿觸發(fā)的控制和置零等功能，使用極為方便。

2．2．1 單穩(wěn)型環(huán)形振蕩器的電路結(jié)構(gòu)

將各級單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖依次作為下一級觸發(fā)器的觸發(fā)輸入信號，再將末級的輸出信號反饋到第一級，作為第一級的觸發(fā)輸入信號，則可構(gòu)成一種新型的環(huán)形振蕩器，即單穩(wěn)型環(huán)形振蕩器，電路如圖7（a）所示。

根據(jù)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的延時作用，得到單穩(wěn)型環(huán)形振蕩器的工作波形，如圖7（b）所示。該振蕩器輸出信號的周期是：T=T1+T2+L+Tn，式中，T1（i=l，2，…，n）為各級單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)時間。

當各級的暫穩(wěn)時間相同時，該電路就是一個典型的順序脈沖發(fā)生器，其工作波形與D觸發(fā)器構(gòu)成的環(huán)形計數(shù)器完全相同。不同的是，環(huán)形計數(shù)器必須由時鐘脈沖驅(qū)動，電路輸出脈沖寬度與時鐘信號的周期相同，必須通過改變時鐘信號的頻率來改變輸出脈沖的寬度。而單穩(wěn)型環(huán)形振蕩器可以自動產(chǎn)生脈沖信號，可以通過改變單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的定時元件Rc的參數(shù)來調(diào)整脈沖寬度，因此調(diào)節(jié)方便。

2．2．2 集成單穩(wěn)型環(huán)形振蕩器的仿真

采用Multisim8仿真軟件，選用集成7412l集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，其功能表如表1所示。由4片7412l構(gòu)成的環(huán)形振蕩器如圖8所示。圖中Al、A2和B端是觸發(fā)輸入端，Q和Q是互補輸出端。設(shè)各單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器穩(wěn)態(tài)時輸出為低電平，暫穩(wěn)態(tài)輸出為高電平，觸發(fā)輸入脈沖為正沿觸發(fā)。由于74121輸入級為窄脈沖形成電路，故觸發(fā)輸入端不必加微分電路。該振蕩器輸出信號的周期是T=T1+T2+T3+T4，Ti（i=1、2、3、4）為各級單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)時間。Ti由定時元件RiCi（i=l、2、3、4）確定，其工程計算公式是：TI=0．7TiCi。電路可以提供4種不同占空比的同頻率矩形脈沖信號，其占空比分別為Ti／T（i=1、2、3、4）。改變定時電路的參數(shù)，可以調(diào)節(jié)振蕩頻率和占空比。由于單穩(wěn)態(tài)電路的暫穩(wěn)時間可以做到分鐘級甚至小時級，故單穩(wěn)型環(huán)形振蕩器可以產(chǎn)生超低頻脈沖信號。

2．2．3 集成單穩(wěn)型環(huán)形振蕩器的特點及應(yīng)用

由于單穩(wěn)型環(huán)形振蕩器實際上是一個沒有時鐘脈沖的順序脈沖發(fā)生器，因此它可以廣泛地用于異步型順序控制電路。當各級定時元件的參數(shù)相同時，輸出脈沖寬度相同的順序脈沖。當各級定時元件的參數(shù)不同時，輸出脈沖寬度各異的順序脈沖。這些順序脈沖可以控制單個對象的各個時段的不同工作狀態(tài)，也可以作為多個控制對象循環(huán)工作方式的控制信號。

7412l單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在自暫穩(wěn)態(tài)返回的時刻，電路伴隨著強烈正反饋的物理過程，構(gòu)成環(huán)形振蕩器時，起振容易。由于有足夠的恢復(fù)時間，有利于振蕩頻率的穩(wěn)定。只要選擇高穩(wěn)定度的定時元件，單穩(wěn)電路就具有高穩(wěn)定度的脈沖寬度。同時，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在級聯(lián)時，電路不存在前后級互相牽扯的問題，因此，單穩(wěn)型環(huán)形振蕩器具有比較高的頻率穩(wěn)定度。又由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器容易被觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，構(gòu)成環(huán)形電路后，只要給一個啟動控制信號，電路便可以進人振蕩狀態(tài)。這種電路具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、安裝調(diào)試方便的特點，作為順序脈沖發(fā)生器和超低頻多諧振蕩器有比較廣闊的應(yīng)用前景。

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