多谐振荡器

第四章 多谐振荡器正弦波振荡器产生的信号是一个非常光滑的正弦波，而多谐振荡器产生的信号却是一些其他形状的波，比如方波、三角波、锯齿波等，这些波形在电子线路中也具有很大的用途，比如在电子表中，方波是主要的工作波形，而在电视机中，锯齿波则让整个屏幕都发光。

经过本章学习，应该掌握多谐振荡器的工作原理和电路的基本构成。

第一节 电子彩灯在节日里，用一些闪烁的彩灯来装饰自己的小屋不会是一个坏主意，使用自己制作的彩灯就更有意义了，现在就让我们来做这件有意义的工作吧。

一、1号电路前面我们注意到，三极管可以用作开关，那么用这些开关来控制彩灯就可以让它亮和灭，关键是这个开关怎样实现自动控制。

电容充电是需要时间的，因此我们可以利用这一点，使灯亮一段时间和灭一段时间，这只需要通过一只电阻来对它充电即可，如图4-1所示。

当电容上的电压充得足够高时，将它加在一只三极管的基极就可以使三极管导通，点燃彩灯。

当开关接通后，需要过上一段时间才能使发光二极管发光，这延时可是自动的！现在我们已经做成了一个半自动的电路了，要完全实现自动就差—个延时的关灯电路了，下面我们就来实现这一点。

要关断由三极管BG l 构成的这个开关，只需要把它基板的电压降低就可以了，于是我们的注意力就集中到如何放掉电容C 1中的电荷。

我们可以想象用另一只三极管来做—个开关将它的电压放掉，如图4-2所示。

在这—个三极管开关的前面同样可以使用一个用电阻和电容做成的延时电路，用来控制灯亮的时间。

为了使这个电路在灯亮了之后才起作用，可以将它接在第一个三极管的发射极。

我们来看这个电路是如何工作的。

当电源开关接通后，电源通过电阻R 1向电容C 1充电，于是C 1上的电压就会逐渐升高，当高到一个值时，三极管BG 1就图4-1 半自动开关电路导通了，于是发光二极管Array LED就点亮。

三极管BG1导通，电源就流过BG1的c、e极，然后通过R3向电容C2充电，C2上的电压逐渐升高，当高到一个值时，三极管BG2就导通了，于是很快就将C1中的电压全放掉了，电压下降了，三极管开关BG1就截止(关断)了，发光二极管LED就灭了，同时不再向C2充电，于是C2通过R4向地放电，电压降低，三极管BG2也截止，这就恢复到最图4-2 闪光灯1号电路初的状态了。

这样的过程周而复始。

电路中，D1和D2的作用有两个，一是将BG1的发射极电压抬高到2.1V，使得C1达到2.8V使三极管导通，可以延长灯灭的时间，同时使C2在充电后期，不至于因为充电电流减小而使LED发光降低．如果电源的电压再高一些，还可以使用三只二极管或使用稳压管。

二、2号电路上面我们做的电路有一个问题，你想，三极管要作开关用，只需要它的饱和状态和截止状态，而不需要夹在它两种状态中间的放大状态，但三极管不管是从饱和状态转向截止状态还是从截止状态转向饱和状态，都需要经历这—状态。

对于开关而言，这一状态就相当于开关的接触不良，在大电流的情况下三极管(开关)会发热甚至烧毁。

因此在三极管制作的开关电路中，三极管处于放大状态的时间要尽可能的短。

而在我们上一节才制作的电路中，却没有任何措施来关心这一点，幸好电路的电流不大。

下面我们来做—个将三极管从痛苦中解脱出来的闪光灯电路。

首先让我们想象一下从电视中看到的的雪崩吧：一小片雪不小心从山顶一岩石上滑下来，结果把它下面的三片雪推了下去，这三片雪又推下了三十片雪，三十片雪的掉下又碰掉了三百片雪……结果，数以亿计的雪片从山坡上滑落下来，而这些都是在一瞬间中发生的，使很多不幸的人来不及观赏它的壮丽就被埋了起来。

瓦特从锅盖被水汽冲动而发明了蒸汽机，我们能不能从雪崩中获得一点灵感呢?对了，如果当三极管刚刚开始导通，就将它导通时产生的电流分一部分去加强三极管的基极电流，于是三板管就会更加导通，分给基极的导通电流就会更大……这不就是“雪崩”么?三极管就会在这种“雪崩”的作用下迅速地从截止状态很快地变成很深的饱和状态，从而可以十分出色地完成打开开关的任务。

而在三极管开关需要关断(截止)时，如果导通的电流稍一减少，就让基极的电流进一步减少，这样就能形成一个反的“雪崩”，可以迅速而有效地完成关断的任务。

要能自动控制一只三极管的饱和和截止，按上一节电路的思路还需要再用一只三极管，并且两个三极管的导通和截止是相反的：一只管子导通时，另一只三极管就截止了。

在这里我们也可以使用这种想法，但必须满足—个条件，当三极管处于饱和时，必须在它上面找到一个可以使另一只三极管处于截止的电压或电流，而在三极管处于截止时，也必须在它上面找到一个可以使另一只三极管处于饱和的电压或电流，这样才可以使—只三极管的饱和能促使另一只三极管截止，而另一只三板管的截止也才能反过来促使这一只三极管的导通，形成一个“雪崩”。

那么三极管上有没有这样一个地方能产生这样的电压呢?有，就是它的集电极。

当三极管的基极电压提高而使三极管导通后，流过集电板的电流就会增加，而这个电流同时也流过集电极电阻，使它上面消耗的电压(叫做电阻的压降)增加，而电源的电压是不变的，电阻用掉的电压增加了，三极管集电板上的电压就肯定得下降，这下降的电压不正好能用于另一只三极管的截止吗?根据这个思路，我们把一只三极管的基极接在另一只三极管的集电极上，而另一只三极管的基极也同样接在前—只三极管的集电极上，如图4-3所示．因为图4-3 能让三极管迅速截止或导通的电路 图4-4 闪光灯2号电路一只三极管饱和而另一只三板管截止后，这个状态就被两只三极管牢牢地锁住了，这不是长明灯就是长灭灯，不是我们要的闪光灯。

要闪光，必须要有电容做的延时电路，这在上一节我们就知道了，把它加入到上面的电路中就可以了，如图4-4所示。

这样，BG1的集电极上迅速上升或下降的电压会立即通过电容传到BG2的基极，同时，BG1的基极也会接收到由BG2集电极上迅速变化的电压．也就是说，在电压迅速变化的时候，增加的这两只电容就相当于两根短路的导线，这与前面的电路没什么两样，于是三极管就会迅速地进入深度的饱和或截止状态。

当电路中的两只三极管都进入各自的稳定状态后，三极管的集电极电压就不再变化了，于是随着电容器充电的不断进行，原来处于饱和状态的三极管的基极电压就会越来越低，而原来处于截止状态的管子的基极电压则会逐渐升高，即电容的充电(或放电)会引诱两只三极管都向着与它本身状态相反的状态转变，这样的趋势积累到一定时候，就会推翻原来已经有的电路状态，于是电路仍在相互的激励下，很快地变到另—个状态，周而复始就形成了振荡。

在1号电路中，我们做的电路因为开关的性能不好，所以只能在小电流的情况下工作，只能使用发光二极管边—类用不了多少电流的发光元件，而现在我们的开关性能好了，我们可以把很多的发光二极管并联在—起，或图4-5 闪光灯印制板图（1∶1）干脆使用小电珠，如图4-6所示。

图4-6 能推动一只小电珠的闪光灯电路第二节 警苗声响电路一、声音的产生在上一节的2号电路中，如果将电阻和电容的值用得足够小，就可以让电路产生频率比较高的脉冲信号，再将这个信号稍加放大，就可以推动一只喇叭发出声音了，如图2-4-7所示。

但这个电路发出的声音的音调是非常单调的，因为它的频率是不变的，而警笛声的音调是要变化的，要做一个警笛声响电路，就需要在发声的同时改变电路中电容的充放电时间。

二、声音变调的实现改变充放电时间可不是像说说那么简单，比如我们没办法让电路在工作时将电容焊下来换上另一只电容，我们能够想出来的办法只能是在电压、电流这些量上作文章。

仔细分析—下电容的充电时间可以发现，如果需要充入的电压高，充电时间就会比较长，反之就会比较短，也就是说，如果能在电路工作时改变电容的充电电压，就可以使脉冲的频率产生变化，要完成这—步就比较容易了，请大家看看图4-8所示的电路。

电路中，电源+V 在通过R 1对电容C 充电时，如果提高B 点的电压，+V 就会被抵消掉—些，加在电容C 上的电压就少一图4-7 声音的产生和放大图4-8 取得逐渐上升的电压些，充电时间也会相应的短—些，也就是说，我们可以通过改变B 点的电压来达到改变电路4-7产生的脉冲的频率，为了能形成警笛的声音，我们需要在A 点加人一个逐渐上升的电压，以便让音调越来越高，这样就需要一个锯齿状的信号，即锯齿波。

三、锯齿波电压形成电路锯齿波也是一种脉冲信号，它的形成电路也是一种多谐振荡器。

锯齿波有一个电压逐渐上升的过程，这个逐渐上升的电压与充电时电容上的电压很相似，于是我们想，是否可以利用一个电容充电电路，当电容上的电压充到一个高度时用—个开关将它上面的电压释放掉，然后再充电，充到足够高时再放电……这样不断循环，就可以得到一个锯齿波的电压了，如图4-9所示。

不得不说一下，我太佩服这位操作开关的同志了，要换了我，肯定是没有这样的耐心的。

为了让像我这样的缺乏耐心的人也能使用这种警笛电路，关键是开关不能是由我们自己来控制，必须要做一个自动开关才能实现锯齿波的连续产生．前面我们知道，三极管可以作为开关使用，只要三极管的基极有电流流人，三极管的集电极和发射极就导通了，因此我们可以想办法让电容充电充到足够高时在三极管的基极产生电流，以便使三极管开关导通，利用稳压二极管很容易做到这一点，如图4-10所示． 问题在表面上似乎是已经解决了：只要三极管一导通，电容上的电压就放掉了。

但懒人是不好当的，这个电路并不能按我们的意愿工作，因为电容上的电是放不了多少的：电容上的电压稍一下降，三极管开关就断掉了(原因请读者自己分析)，根本就不能将电容上的电压彻底释放掉。

要让电路能正常工作，必须要让已导通的三极管将电容两端的电压完全放掉，要达到这个目的，可以在三极管的基极并上一只电容，让电容上的电压能让三极管多维持—会儿导通的状态，这样做的障碍就只有—个了：如何让电容在这极短的时间内充有足够多的电荷。

只要增加充电的电流就可以了(这个读者都知道)，而增加这个电流的简单方图4-9 手动锯齿形成电路图4-10 不成熟的锯齿形成电路法就是使用射极输出器．下面我们给出具有这样功能的电路，如图4-11所示。

在电路中,电容上的电压一定要上升到比稳压二极管D 的稳压值再加上BG 1的发射极压降更高才能使三极管BG 1导通，BG 1导通后会在发射极产生大电流，这个电流可以给 C 1充到足够高的电压，由它维持BG 2导通，当电容C 2中的电压被放掉后，电路又会回到最初的状态，开始产生第二个锯齿波。

参考文献： [1] 刘洪涛．电子制作实用教程[M]．成都：中国科技大学出版社，2001．[2] 谢自美．电子线路设计·实验·测试（第二版）[M]．武汉：华中科技大学出版社，2000年．[3] 高吉祥，等．电子技术基础实验与课程设计[M]．北京：电子工业出版社，2002年．图4-11 自动的的锯齿形成电路。