多谐振荡器
多谐振荡器
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构成
运放构成 图1 在脉冲技术中,经常需要一个脉冲源,以满足数码的运算、信息的传递和系统的测试等用途的需要。多谐振荡 器就是脉冲源中比较常见的一种。它的输出波形近似于方波,所以也称之为方波发生器。由于方波是由许许多多不 同频率的正弦波所组成,因此取得了“多谐”的称呼。 一般来讲,象三角波、斜波、锯齿波和方波等非线性波型发生器,是由下述三部分构成:积分器(又称之为定时 电路),比较器和逻辑电路。如图1的方框图所示。这三部分的作用可以仅由一个或两个集成运算放大器来完成。 这个电路的特点是: 1、适于在音频范围内,对于在某个固定 频率下应用, 2、改变R:可以调整频率, 3、频率的稳定性主要取决于电容C和齐纳二极管的稳定性,所以即使是采用便宜的元器件也能得到频率漂移 相
类型
非稳态多谐振荡器 图3非稳态多谐振荡器电路图3说明了典型非稳态多谐振荡器电路的组态。 基本操作模式此电路运作在以下两种状态： 状态一 Q1导通，Q1的集电极电压为接近0V，C1由流经R2及Q1_CE的电流放电，由于电容C1提供反电压，使得Q2截止， C2经由R4及Q1_BE充电，输出电压为高（但因C2经由R4充电的缘故，较电源电压稍低）。 此状态一直持续到C1放电完成。由于R2提供基极偏置使得Q2导通：此电路进入状态二 状态二 Q2导通，Q2的集电极电压（即是输出电压）由高电位变为接近0V，由于电容C2提供反电压，使Q1瞬间截止， Q1截止，使得Q1集电极电压上升到高电位，C1经由R1及Q2_BE充电，C2流经R3以及Q2_CE的电流放电，由于电容 C2提供反电压，使得Q1截止。 此状态一直持续到直到C2放电完毕，由于R3对Q1基极提供偏置电压，Q1导通：此电路进入状态一。
数字电子技术 7-3多谐振荡器
uI1
显然： 任何≥3 奇 首尾接 可形成环
(uO)
(a)
tPd
数个反相器 在一起 形振荡器
振荡频率： f 1
O
uI2
tPd
t
2ntPd
---式中n为串联门的个数，n=3、5、7、…
uIO3 tPd
t
优点：电路简单
O
缺点：频率太高不可调不实用 tPd只有几十纳秒到一二百纳秒
t (b)
工作波形图
R
R1 Rs
R1 R
UOL1
R u13
UOH2
RS
C
uI3
可求得电容C充电时间T1
T1
RECln
UE
UTH UOH UE UTH
U OL
RECln
2UOH UTH UOH UTH
O
VCC R1
G3
UE
RE
u13
C UOL
UTH+（UOH UOL)
UTH t
UTH （UOH UOL )
7.3.1
获得较大电
VDD
压放大倍数
uI1
uI2
uO2
使uO1↓到UOL ，而uO2↑至UOH，电路进入暂稳态
1/2VDD
直线uO1=uI1
O
P
G1静态
工作点
1/2VDD
uI
电压传输特性
7.3.1
用门电路构 成的振荡器
➢ 随着C放电uI1↓=UTH时： 另一正反馈过程发生
uI1
uI2
uO2
使uO1↓UOH，
品质因数高 选频特性好
由阻抗频率特性知：
当外加电压 信号的频率
等于
电路中的多谐振荡器
电路中的多谐振荡器在电子学领域中，振荡器（Oscillator）是一种能够产生连续振荡信号的电路装置。
它是许多电子设备的核心组成部分，例如无线电收发器、时钟电路和音频发生器等。
在振荡器中，多谐振荡器（Multivibrator）是一种特殊类型的振荡器，它能够产生多个频率不同的输出信号。
多谐振荡器由至少两个元件组成，其中最常见的是双稳态（Bistable）振荡器。
双稳态振荡器由两个互补输出的非线性元件组成，例如晶体管、集成电路或其他电子组件。
这两个互补输出在一个固定的时间间隔内交替地切换，从而产生不同频率的振荡信号。
多谐振荡器有许多不同的类型和应用。
其中最常见的类型是双稳态振荡器的两种形式：正弦振荡器（Sine Wave Oscillator）和方波振荡器（Square Wave Oscillator）。
正弦振荡器是一种产生正弦波输出的多谐振荡器。
它常用于无线电收发器中的本地振荡器，以及音频发生器中产生音频信号。
常见的正弦振荡器包括皮尔逊振荡器（Pearson Oscillator）和科尔普接口（Colpitts Oscillator）。
方波振荡器是一种产生方波输出的多谐振荡器。
方波是一种矩形波形信号，其周期相对较短，而高电平和低电平的持续时间相等。
方波振荡器广泛应用于数字电路、时钟电路和计算机系统中。
最常见的方波振荡器包括皮尔逊振荡器和斯宾格勒（Schmitt）触发器。
无论是正弦振荡器还是方波振荡器，其核心原理都是通过正反馈（Positive Feedback）来实现自激振荡。
正反馈使得一部分输出信号经过放大后再次输入到电路中，从而维持振荡信号的频率和振幅。
同时，振荡器中的谐振电路（Resonant Circuit）也对振荡信号的频率起到重要作用。
谐振电路通常由电感和电容器组成，通过调节电感和电容器的数值可以改变振荡器的频率。
一些多谐振荡器还采用了复杂的电路拓扑结构，如双滤波器振荡器（Twin-T Oscillator）和莫斯特（Moog）滤波器等。
多谐振荡器实习报告
通过本次多谐振荡器实习，了解多谐振荡器的基本原理、电路组成、工作原理及性能特点，掌握多谐振荡器的调试方法，培养实际操作能力，提高对电路设计的理解。
二、实习内容1. 多谐振荡器的基本原理多谐振荡器是一种产生周期性方波信号的电路，其输出信号具有固定的频率和幅度。
多谐振荡器主要由放大器、比较器、延时电路和反馈电路组成。
2. 多谐振荡器的电路组成（1）放大器：放大器采用双极型晶体管或场效应晶体管，负责将输入信号放大。
（2）比较器：比较器将放大后的信号与参考电压进行比较，产生高电平或低电平输出。
（3）延时电路：延时电路用于产生时间间隔，使比较器输出信号的相位差为180度。
（4）反馈电路：反馈电路将比较器输出信号的一部分反馈到放大器输入端，以保证电路的稳定工作。
3. 多谐振荡器的工作原理（1）放大器放大输入信号，输出信号经过比较器与参考电压比较。
（2）比较器输出高电平或低电平信号，分别经过延时电路和反馈电路。
（3）延时电路产生的延时信号与比较器输出信号相差180度，使电路产生稳定的方波信号。
4. 多谐振荡器的调试方法（1）调整放大器电路参数，使放大器输出信号幅度适中。
（2）调整比较器电路参数，使比较器输出信号幅度稳定。
（3）调整延时电路参数，使延时时间符合要求。
（4）调整反馈电路参数，使电路产生稳定的方波信号。
1. 理论学习在学习过程中，了解多谐振荡器的基本原理、电路组成、工作原理及性能特点，掌握多谐振荡器的调试方法。
2. 电路搭建根据所学知识，搭建多谐振荡器电路，包括放大器、比较器、延时电路和反馈电路。
3. 调试电路根据调试方法，调整电路参数，使电路产生稳定的方波信号。
4. 测试与验证使用示波器观察输出信号，测试电路的频率、幅度和占空比等参数，验证电路是否满足设计要求。
四、实习结果通过本次实习，成功搭建并调试了一个多谐振荡器电路，实现了稳定的方波信号输出。
电路的频率、幅度和占空比等参数均满足设计要求。
五、实习总结1. 通过本次实习，掌握了多谐振荡器的基本原理、电路组成、工作原理及性能特点。
多谐振荡器电路的工作原理
多谐振荡器电路的工作原理
答案：
多谐振荡器是一种自激振荡电路，它能够产生矩形波，也称为方波发生器。
这种电路的工作原理基于深度正反馈和阻容耦合，通过使两个电子器件（如晶体管）交替导通与截止，从而自激产生方波输出。
多谐振荡器没有稳态，只有两个瞬态状态，这些状态由电路自行转换，无需外加输入信号。
当电源接通后，电路就能自动地产生矩形脉冲，这些脉冲含有丰富的高次谐波分量。
多谐振荡器的基本结构包括放大器、反馈网络和滤波器等部分。
当放大器的输出信号通过反馈网络返回到输入端口时，在适当条件下会发生自激振荡，并在滤波器的作用下产生多个频率的振荡信号。
此外，多谐振荡器的输出波形近似于方波，因此也称之为方波发生器。
由于方波是由许多不同频率的正弦波所组成，因此得名“多谐”。
在具体的工作过程中，例如在简易电子琴电路中，接通电源瞬间，电容C1来不及充电，其两端电压为低电平。
这时，电源通过R1对电容C1充电，使电压按指数规律上升。
当电压上升到一定值时，电路进入第一暂稳态。
随后，电容C1通过电阻R2和放电管放电，电路进入第二暂稳态。
这个过程不断重复，电路在两个暂稳态之间来回翻转，输出矩形波。
多谐振荡器的振荡频率取决于电阻和电容的数值。
电阻与电容的乘积越大，电容放电时间越长，振荡频率越低；反之，振荡频率会变高。
这种电路在脉冲技术中有着广泛的应用，如数字计算、信息传输和系统测试等。
多谐振荡器频率单位
多谐振荡器频率单位多谐振荡器是一种能够产生多个频率的振荡器。
它可以通过改变电容或电感的值来改变输出信号的频率。
多谐振荡器的频率单位可以是赫兹（Hz）或千赫兹（kHz）。
多谐振荡器的频率是由其电路元件的参数决定的。
常见的多谐振荡器电路包括RC多谐振荡器、LC多谐振荡器和LCR多谐振荡器。
我们来看一下RC多谐振荡器。
RC多谐振荡器是由一个电容和一个电阻组成的电路。
当电容和电阻的值适当时，RC多谐振荡器可以产生稳定的振荡信号。
其频率可以通过改变电容或电阻的值来调节。
例如，当电容值较大时，频率较低；当电容值较小时，频率较高。
接下来，我们来介绍LC多谐振荡器。
LC多谐振荡器是由一个电感和一个电容组成的电路。
当电感和电容的值适当时，LC多谐振荡器可以产生稳定的振荡信号。
其频率可以通过改变电感或电容的值来调节。
例如，当电感值较大时，频率较低；当电感值较小时，频率较高。
我们来介绍LCR多谐振荡器。
LCR多谐振荡器是由一个电感、一个电容和一个电阻组成的电路。
当电感、电容和电阻的值适当时，LCR 多谐振荡器可以产生稳定的振荡信号。
其频率可以通过改变电感、电容或电阻的值来调节。
例如，当电感和电容的值较大，电阻的值较小时，频率较低；当电感和电容的值较小时，电阻的值较大时，频率较高。
除了改变电容、电感和电阻的值，多谐振荡器的频率还可以通过改变输入信号的幅值来调节。
当输入信号的幅值较大时，频率较高；当输入信号的幅值较小时，频率较低。
多谐振荡器在电子电路中有着广泛的应用。
例如，它可以用于产生音频信号、射频信号和微波信号等。
在无线通信系统中，多谐振荡器常用于产生载波信号。
在音频设备中，多谐振荡器常用于产生音频信号。
多谐振荡器是一种能够产生多个频率的振荡器。
它的频率可以通过改变电容、电感和电阻的值，以及输入信号的幅值来调节。
多谐振荡器在电子电路中有着广泛的应用，是现代电子技术中不可或缺的一部分。
如何设计和调试电子电路中的多谐振荡器
如何设计和调试电子电路中的多谐振荡器在电子电路设计中，振荡器是一种非常重要的电路元件，它能产生稳定的信号波形，广泛应用于通信、计算机、无线电、音频等领域。
多谐振荡器是一种特殊类型的振荡器，它可以同时产生多个频率的信号。
本文将介绍如何设计和调试电子电路中的多谐振荡器。
一、多谐振荡器的原理多谐振荡器的原理是通过多个谐振电路并联组成的，每个谐振电路都可以产生一个特定频率的信号。
这些谐振电路之间通过耦合方式相互联系，使得它们能够同时振荡，并产生多个频率的信号。
二、电路设计步骤1. 确定振荡器类型：根据具体应用需求，确定使用的多谐振荡器类型，例如相位移振荡器、LC谐振振荡器等。
2. 选择谐振电路：根据所需频率范围，选择合适的谐振电路，常见的包括LC谐振电路、RC谐振电路、谐振晶体等。
3. 确定频率范围和数量：根据应用需求和系统设计要求，确定多谐振荡器所要覆盖的频率范围和需要产生的频率数量。
4. 耦合方式选择：确定不同谐振电路之间的耦合方式，常见的耦合方式有电感耦合、电容耦合和变压器耦合等。
5. 根据谐振电路的特性参数，计算设计电路的元件数值，例如电感、电容、电阻等数值。
6. 绘制电路图：使用电子设计软件或手绘方式绘制多谐振荡器的电路图。
7. PCB设计：根据电路图设计PCB板，保证电路板的布局合理、信号传输良好。
8. 元器件选择：根据设计要求选择适合的元器件，包括电感、电容、晶体管等。
9. 元器件焊接：将选好的元器件焊接到PCB板上。
10. 电路调试：使用示波器等测试设备，对多谐振荡器进行电路调试，检查振荡器是否在设计的频率范围内正常工作。
11. 优化与改进：根据实际测试结果，对电路进行优化和改进，以满足系统的要求。
三、电路调试技巧1. 调整电路增益：通过调整电路的增益，使得振荡器能够产生稳定的振荡信号。
2. 调整谐振电路参数：根据需要调整谐振电路的参数，例如电感、电容等，以满足所要求的频率特性。
3. 降低电路噪声：通过优化电路布局和减小元器件的串扰，降低振荡器的噪声水平。
第6章 多谐振荡器讲解
6.4.5 石英晶体多谐振荡器 常用晶振: 32768Hz=215Hz 4.194304MHz=223Hz
各种固有振荡频率fo的石英晶体已做成成品，可根 据所购晶体的fo选择电路的外接RF 和C，
fo一般都很高，应利用分频器将fo分频为所需频率。
6.4.5 压控振荡器
压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator ， 简称VCO ） 是一种频率可控的振荡器，它的振荡频率随输 入控制电压的变化而改变。
vO
I= 0V电容充电 NhomakorabeavI
vI
v O1
vO
vI
G1 D1 vI D2 TP vO1 TN R D3 充电 D4 TP
G2 VDD
t
TN
vO
VDD 0 t
C
2. 工作原理
vO1=vOL VDD+ΔV+
（2）进入第二暂稳态瞬间，vo=VDD, vI=VDD+VTH 电容放电
vI
vO
当 v I =VTH 时， 迅速使得vO1=VOH, vI=vO=VOL
图6.4.5
改进电路如图6.4.7(a)所示， 其中增加了RC积分环节， 加大了第二节的延迟时间
图6.4.7(a)
6.4.2 环形振荡器
但RC电路的充、放电的持 续时间很短，为了获取更 大的延迟，将C的接地端 改到G1的输出端，如图 6.4.7(b)所示
图6.4.7(a)
其中Rs为保护电阻
图6.4.7(b)
vI
G1 D1 TP
v O1
电路返回第一暂稳态
G2 VDD D3 TP 放电
vI VTH O vO VDD O
VDD＋V＋
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路的振荡频率可在几赫到几兆赫的范围内变化。
2014-4-18
10
5.3.2
环形振荡器
1. 最简单的环形振荡器
图5-16最简单的环形振荡器 (a) 电路 (b) 工作波形
如此周而复始，便产生了自激振荡。 利用集成门电路的传输延迟时间，将奇数个 反相器首尾相连便可构成最简单的环形振荡器。 振荡周期 该电路没有稳定状态。 T=6tpd。 2014-4-18 11
2014-4-18荡周期为 T≈2.2RC R不能选得太大（一般1kΩ左右），否则电路不 能正常振荡。 。
2014-4-18 13
3. CMOS反相器构成的多谐振荡器
图5-19 CMOS反相器构成的多谐振荡器
R的选择应使G1工作在电压传输特性的转折区。 此时，由于uO1即为uI2，G2也工作在电压传输特性 的转折区，若uI有正向扰动，必然引起下述正反馈过程：
1．多谐振荡器没有稳定状态，只有两个暂稳态。 2．通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交 替，从而产生自激振荡，无需外触发。 3．输出周期性的矩形脉冲信号，由于含有丰富的 谐波分量，故称作多谐振荡器。
2014-4-18
3
对称方波, 是偶函数且奇谐函数，只有奇次谐波的余弦项。
A 振 幅 A A
A
A
2014-4-18 7
使uO2迅速跳变为低电平、uO1迅速跳变为高电 平，电路进入第二暂稳态。 此后，C1放电、C2充电，C2充电使uI1上升，会 引起又一次正反馈过程，电路又回到第一暂稳态。 这样，周而复始，电路不停地在两个暂稳态之 间振荡，输出端产生了矩形脉冲。
2014-4-18 8
电压传输特性：
从而使uO1迅速变成高电平，uO2迅速变成低电平， 电路进入第二暂稳态。此时， uO1 通过 R 向电容 C 充 电。
2014-4-18 16
5.3.3 石英晶体振荡器
前面介绍的多谐振荡器的一个共同特点就是振
荡频率不稳定，容易受温度、电源电压波动和RC参
数误差的影响。 而在数字系统中，矩形脉冲信号常用作时钟信 号来控制和协调整个系统的工作。因此，控制信号 频率不稳定会直接影响到系统的工作，显然，前面 讨论的多谐振荡器是不能满足要求的，必须采用频 率稳定度很高的石英晶体多谐振荡器。
2. RC环形振荡器 最简单的环形振荡器构成十分简单，但是并不 增加 RC延迟环节，即可组成RC环形振荡器电路。 实用。因为集成门电路的延迟时间 tpd 极短，而且振 荡周期不便调节。
图5-17
RS 是 限 流 电 阻 （ 保 护 G3 ） ， 通 常选100Ω左右。 RC环形振荡器
利用电容 C 的充放电，改变 uI3 的电平 ( 因为 RS 很小,在分析时往往忽略它。)来控制G3周期性的导 通和截止，在输出端产生矩形脉冲。
2014-4-18
20
uO/V 5 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 ui/V uO/V 5 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 ui/V
74LS04 (TTL)
CD4069 (CMOS)
图5-15 对称式多谐振荡器的工作波形
2014-4-18 9
3. 主要参数
矩形脉冲的振荡周期为
T≈1.3RFC
当取RF＝1kΩ、C＝I00 pF～100 μF时，则该电
10.4
多谐振荡器
结束 放映
10.4.1 对称式多谐振荡器
10.4.3 环形振荡器
10.4.5 石英晶体振荡器
2014-4-18
1
复习
脉冲电路的研究重点与数字电路有何不同？ 常用脉冲波形的产生与变换电路有哪些？ 周期性矩形波的主要参数？ 施密特触发器的特点和主要应用？
2014-4-18
2
10.4.1 多谐振荡器
2014-4-18
图5-14 对称式多谐振荡器
6
2.
工作原理
假定接通电源后，由于某种原因使uI1有微小正跳 变，则必然会引起如下的正反馈过程 ：
R
+↑
A
1 G1
-B↓
C
R
C↓
1 G2
C
+↑
•
D
1 G3
uO
使uB迅速跳变为低电平、uD迅速跳变为高电平， 电路进入第一暂稳态。 此后，uD的高电平对C1电容充电使uC升高，电 容C2放电使uA降低。由于充电时间常数小于放电时 间常数，所以充电速度较快，uC首先上升到G2的阈 值电压UTH，并引起如下的正反馈过程：
2014-4-18 17
石英晶体具有很好 的选频特性。当振荡信 号的频率和石英晶体的 固有谐振频率fo相同时， 石英晶体呈现很低的阻 抗，信号很容易通过， 而其它频率的信号则被 衰减掉。
石英晶体的阻抗频率特性图
2014-4-18
18
因此，将石英晶体串接在多谐振荡器的回路中 就可组成石英晶体振荡器，这时，振荡频率只取决 于石英晶体的固有谐振频率fo，而与RC无关。 在对称式多谐振荡器的基础上，串接一块石英 晶体，就可以构成一个石英晶体振荡器电路。该电 路将产生稳定度极高的矩形脉冲，其振荡频率由石 英晶体的串联谐振频率fo决定。
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14
随着电容C的不断充电，uI不断上升，当uI≥UTH 时，电路又迅速跳变为第一暂稳态。如此周而复始， 电路不停地在两个暂稳态之间转换，电路将输出矩 形波。
图5-20 CMOS反相器构成 多谐振荡器的工作波形
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振荡周期为
T＝1.4RC
15
使uO1迅速变成低电平，而uO2迅速变成高电平， 电路进入第一暂稳态。此时，电容C通过R放电，然 后 uO2 向 C 反向充电。随着电容 C 的的放电和反向充 电，uI不断下降，达到uI＝UTH时，电路又产生一次 正反馈过程：
2014-4-18
图5-21 石英晶体振荡器电路
19
目前，家用电子钟几乎都采用具有石英晶体振
荡器的矩形波发生器。由于它的频率稳定度很高， 所以走时很准。 通常选用振荡频率为32768HZ的石英晶体谐振 器，因为32768＝215，将32768HZ经过15次二分频， 即可得到1HZ的时钟脉冲作为计时标准。
A
A
t t t t 振幅A t 直流分量 时间t 基波
频率f 九次谐波 七次谐波 五次谐波 三次谐波 B
t
A
2014-4-18
4
对称方波有限项的傅里叶级数：
有限项的N越大，误差越小例如: N=11时，
2014-4-18
5
10.4.1 对称式多谐振荡器
1. 电路组成 由两个TTL反相器经电容交叉耦合而成。 通常令C1=C2=C，R1=R2=RF。 为了使静态时反相器工作在转折区，具有较强的 放大能力，应满足ROFF＜RF＜RON的条件。