什么是多諧振蕩器？關(guān)于“非穩(wěn)態(tài)/張弛”振蕩器的形象類比

一、多諧振蕩器

與前文所述的LC振蕩器不同，多諧振蕩器（Multivibrator）產(chǎn)生的振蕩波形不限于正弦波，還能是方波、鋸齒波、三角波、脈沖波等等波形……

多諧振蕩器的應(yīng)用非常廣泛，譬如，駕車時(shí)打開一閃一閃的轉(zhuǎn)向燈，就是由多諧振蕩器實(shí)現(xiàn)的：

從振蕩的狀態(tài)來說，多諧振蕩器可以分為三個(gè)類別：

圖2-多諧振蕩器的類別（Multivibrator）

• 非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器（Astable Multivibrator）：不需要輸入信號來觸發(fā)（自激）。對于輸出信號，有兩種狀態(tài)，但不管哪個(gè)狀態(tài)都不穩(wěn)定，總是從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一個(gè)狀態(tài)，一張一弛，所以又稱為“弛張振蕩器”（Relaxation Oscillator）。
• 單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器（Monostable Multivibrator）：需要輸入信號來觸發(fā)。觸發(fā)后，輸出信號處于非穩(wěn)態(tài)，但持續(xù)一段時(shí)間后還是會(huì)回到穩(wěn)態(tài)。這種電路可以用于延時(shí)、消除抖動(dòng)等。
• 雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器（Bistable Multivibrator）：需要輸入信號來觸發(fā)。觸發(fā)后，輸出信號由一個(gè)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)。這種電路是Memory的基礎(chǔ)，有待日后分析。

以下，主要介紹非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器（弛張振蕩器）。

二、關(guān)于“非穩(wěn)態(tài)/張弛”振蕩器的形象類比

對于“非穩(wěn)態(tài)/張弛”振蕩器，我們可以用“蹺蹺板與水桶”的例子來做個(gè)類比：

圖3-蹺蹺板與水桶

• 初始的時(shí)候，蹺蹺板左邊是重物M，右側(cè)是水桶；水桶為空，故而蹺蹺板向左傾斜；
• 然后是一個(gè)持續(xù)給水桶灌水的過程；
• 隨著水桶里的水增多，在某個(gè)時(shí)刻，水桶重量大于重物M；蹺蹺板向右傾斜，水桶打翻；
• 水桶打翻后，水桶重量再次小于重物M，蹺蹺板向左傾斜，回歸到初始狀態(tài)，周而復(fù)始；

上述蹺蹺板的左傾和右傾，代表兩個(gè)狀態(tài)，系統(tǒng)在這兩個(gè)狀態(tài)中徘徊，無法穩(wěn)定在其中一個(gè)。不過這是一個(gè)機(jī)械設(shè)備構(gòu)成的系統(tǒng)，要落實(shí)到電子世界里，如何實(shí)現(xiàn)呢？

圖4-非穩(wěn)態(tài)/弛張振蕩器的工作方式類比

可以想到：代替“水桶”的是電容，“灌水”就是充電，“重物M”是個(gè)參考電壓，而“蹺蹺板”由比較器（運(yùn)放）來實(shí)現(xiàn)！

三、基于運(yùn)放的“非穩(wěn)態(tài)/張弛”振蕩器

我們構(gòu)建電路圖如下：

圖5-基于運(yùn)放的非穩(wěn)態(tài)/張弛振蕩器電路圖

運(yùn)放的輸入兩端是a和b，a是由運(yùn)放輸出分壓獲得，b連接電容。運(yùn)放的輸出端是c。

圖6-輸出信號與電容時(shí)序圖

運(yùn)放的輸出在﹢V0和﹣V0兩個(gè)狀態(tài)中切換變換，這是因?yàn)椋?/p>

• 當(dāng)a大于b，運(yùn)放輸出高電平，即c為高；
• 由于c為高，c通過電阻對電容進(jìn)行充電，隨著電容充電，b電壓上升；
• 當(dāng)b大于a，運(yùn)放輸出低電平，即c為低；
• 由于c為低，電容通過電阻進(jìn)行放電，隨著電容放電，b電壓下降，并重新回到第1步；

振蕩頻率有涉及公式計(jì)算，在此不列出，但可想而知與電容、電阻的值有關(guān)系。

四、基于三極管的“非穩(wěn)態(tài)/張弛”振蕩器

基于三極管的非穩(wěn)態(tài)/張弛振蕩器設(shè)計(jì)非常巧妙，它由兩路R、C、三極管構(gòu)成，其中，一路C會(huì)控制另一路上三極管的導(dǎo)通與截止：

圖7-基于三極管的非穩(wěn)態(tài)/張弛振蕩器電路圖

兩個(gè)三極管的集電極作為輸出——Out1和Out2，兩個(gè)輸出端信號互為反相，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)狀態(tài)之間振蕩。如果Out1和Out2分別接兩個(gè)LED，兩個(gè)LED就會(huì)交替閃爍：

圖8-TR1和TR2三極管的集電極輸出信號波形

工作原理有幾個(gè)要點(diǎn)如下：

• 三極管工作于導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，導(dǎo)通時(shí)集電極接近0V，截止時(shí)集電極接近VCC；
• 電容兩端電壓不能突變，假設(shè)電容左-右兩端電壓壓差為D，如果右端為0V，則左端為(0+D)V，如果右端瞬間由0V變?yōu)?10V，則左端電壓就是(-10+D)V。

現(xiàn)在假設(shè)TR1截止，TR2導(dǎo)通：

• VCC經(jīng)過R1、C1、TR2基極、TR2發(fā)射極，向C1從左至右充電；同時(shí)，VCC通過R3、C2、TR2集電極、TR2發(fā)射極，向C2從左至右充電；
• 當(dāng)C2從左至右大于0.6V，TR1導(dǎo)通，TR1集電極為0V，這使得C1左端為0V，由于之前C1是從左至右充電，即左端電壓大于右端，現(xiàn)在左端為0V，意味著右端為負(fù)，這會(huì)瞬間關(guān)閉TR2基極-發(fā)射極回路，使得TR2截止；
• 系統(tǒng)進(jìn)入TR1導(dǎo)通，TR2截止的狀態(tài)，并周而復(fù)始。

我們看TR1三極管，能看到基極能出現(xiàn)負(fù)電壓，這源于“電容兩端電壓不能突變”的原則：

圖9-TR1三極管的基極和集電極信號波形

振蕩頻率計(jì)算公式也不列出了，各位可以查一下課本資料。

最后我們來看一下仿真效果和實(shí)驗(yàn)效果：

圖10-基于三極管的非穩(wěn)態(tài)/張弛振蕩器仿真效果

圖11-基于三極管的非穩(wěn)態(tài)/張弛振蕩器實(shí)驗(yàn)效果

五、小結(jié)

今天介紹的是一種簡單的非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，它可以產(chǎn)生方波，但如果需要精確的控制時(shí)序脈沖，需要通過一顆非常經(jīng)典的IC來實(shí)現(xiàn)——555計(jì)時(shí)器（555 Timer）。