对称式多谐振荡器
多谐振荡器介绍
多谐振荡器:摘要：分析了各种多谐振荡器的电路结构及工作原理，并利用Multisiml0．0对部分电路进行了仿真，重点介绍了单稳型多谐振荡器，讨论集成单稳态触发器74121定时元件RC对暂稳态的影响以及单稳型多谐振荡器的应用。
Multisim软件是一种形象化的虚拟仪器电路仿真软件，它能比较快速地模拟、分析、验证所设计电路的性能，在课堂教学中引入EDA技术，使传统教学环节与先进的仿真技术相结合，实现授课的生动性和灵活性，增强学生对基本概念的理解，激发学生的学习兴趣，培养并有效提高学生综合分析、应用及创新能力。
关键字：Multisiml0．O；多谐振荡器；555定时器；施密特触发器；环形振荡器O 引言在数字系统电路中经常用到多谐振荡器。
多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源以后，不需要外加触发信号便能自行产生一定频率和一定宽度的矩形波，这一输出波形用于电路中的时钟信号源。
由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量，所以习惯上又将矩形波振荡器称为多谐振荡器。
按照电路的工作原理，多谐振荡器大致分为无稳态多谐振荡器和单稳态多谐振荡器。
1 无稳态多谐振荡器1．1 采用TTL门电路构成的对称式无稳态多谐振荡器对称式多谐振荡器的典型电路如图1所示，它是由两个反相器Gl、G2经耦合电容C1、C2连接起来的正反馈振荡电路。
电路中G1和G2采用SN74LS04N反相器，RFl=RF2=RF，C1=C2=C，振荡周期T≈1．3RFC，输出波形的占空比约为50％。
RF1、RF2的阻值对于LSTTL为470 Ω～3．9kΩ，对于标准TTL为0．5～1．9kΩ之间。
1．2 采用CMOS门电路构成的非对称式无稳态多谐振荡器如果把对称式多谐振荡器电路进一步简化，去掉C1和R2，在反馈环路中保留电容C2，电路仍然没有稳定状态，只能在两个暂稳态之问往复振荡，电路如图2所示。
假定G2输出为1，电容C充电，在充电开始VI1也为1。
因此，该电压经Rp力口到G1输入端，Gl输出为O，电路稳定工作，C继续充电。
振荡电路及555定时器应用设计报告
电路由反相器U3A、U4B以及反馈电阻R2、保护电阻R1和耦合电容C1;通过时反相器工作在放大状态，这时只要反相器输入电压有点变化，就会被正反馈回路放大而引起震荡，此时电路是不稳定的。此电路可以通过调节R和C的值改变输出信号的振荡频率。
石英晶体和非门构成多谐振荡器：
一、设计任务与要求
1．要求多谐振荡器的工作频率稳定性更高；
2．用555时基电路构成单稳态触发器，具有可重复触发特性；
二、方案设计与论证
任务一：多谐振荡器
1.方案一、非门构成对称型多谐振荡器
对称型多谐振荡器原理：
(1)静态（未振荡）时应是不稳定的
此电路是由两个反相器及滑动变阻器经耦合电容C1连接起来的正反馈振荡电路，并设法使反相器工作在放大状态，即给他们设置适合的偏置电压，这个偏置电压可以通过在反相器的输出端与输出端之间接入反馈电阻来得到。
通过分析，结合设计电路性能指标、器件的性价比，本设计电路选择方案二。
三、单元电路设计与参数计算
非对称式多谐振荡器由反相器，电阻和电容构成，非对称式多谐振荡器的组成框图3-1所示。
参数计算:振荡周期为：
取频率为6KHz,电容值为0.1uf，可根据上述公式可得电阻阻值为750Ω
图3-1
四、总原理图及元器件清单
七、性能、功能测试与分析
1、.功能电路测试与分析
（1）测试步骤
1、接入5v电压源；
2、接好电路后，用示波器显示波形。
（2）测试数据
测试得到的波形周期为T=3.6格*0.05ms
（3）误差计算
误差=(（0.18-0.16）/0.18)*100%=11.1%
（4）误差分析
接入的电阻值不可能是理想值，存在一定的误差，从而造成波形的周期与理论值周期有误差。
两只NPN三极管组成的互补对称无稳态振荡器电路原理分析
无稳态多谐振荡器是一种简单的振荡电路。
它不需要外加激励信号就便能连续地、周期性地自行产生矩形脉冲.该脉冲是由基波和多次谐波构成，因此称为多谐振荡器电路。
多谐振荡器可以由三极管构成，也可以用555或者通用门电路等来构成。
用两只三极管组成的多谐振荡器，通常叫做三极管无稳态多谐振荡器。
在本例中我们将用两只三极管制作一个多谐振荡器，并用它驱动两只不同颜色的发光二极管。
在制作完成时，我们能看到两只发光二极管交替点亮，并且我们可以通过调整电路的参数来调整发光管点亮的时间。
三极管多谐振荡器的电路原理图：下面我们将简要分析该电路的工作原理：上图所示为结型晶体管自激或称无稳态多谐振荡器电路。
它基本上是由两级RC藕合放大器组成，其中每一级的输出藕合到另一级的输入。
各级交替地导通和截止，每次只有一级是导通的。
从电路结构上看，自微多谐振荡器与两级Rc正弦振荡器是相似的，但实际上却不同。
正弦振荡器不会进入截止状态．而多谐振荡器却会进入截止状态。
这是借助于Rc耦合网络较长的时间常数来控制的。
尽管在时间上是交替的，可是这两级产生的都是矩形波输出。
所以多谐振荡器的输出可取自任何一级。
电路上电时，Vcc加到电路，由于两只三极管都是正向偏置的故他们处于导通状态，此外，还为藕合电容器Cl和C2充电到近于Vcc电压。
充电的路径是由接地点经过晶体管基极，又通过电容器而至Vcc电源。
还有些充电电流是经过R1和R2的，从而导致正电压加在基极上，使晶体管导电量更大，因而使两级的集电极电压下降。
两只晶体管不会是完全相同的，因此，即使两级用的是相同型号的晶体管和用相同的元件值，一个晶体管也会比另一个起始导电量稍微大些。
假定Ql的导电量稍大些，由于Ql的电流大，它的集电集电压下降就要比Q2的快些。
结果，被通过电阻器R2放电的电容器C2藕台到Q2基极的电压就要比由C1和Rl藕合到Ql基极的电压负值更大些。
这就使得Q2的导电量减少，而它的集电极电压则相应地增高了。
对称式多谐振荡器
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图5-18 RC环形振荡器的工作波形
电路的振荡周期为
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。 。
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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：
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。
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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。
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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
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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
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作业题
5-4 5-5
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5.3.2 环形振荡器
对称式矩形波
基于对称式多谐振荡器的矩形波发生器的设计一多谐振荡器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。
二对称式多谐振荡器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。
图1对称式多谐振荡器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：原理示意图2图3使uO1迅速跳变为低电平、uO2迅速跳变为高电平，电路进入第一暂稳态。
此后，uO2的高电平对C1电容充电使uI2升高，电容C2放电使uI1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，uI2首先上升到G2的阈值电压UTH，并引起如下的正反馈过程：图4图5使u O2迅速跳变为低电平、u O1迅速跳变为高电平，电路进入第二暂稳态。
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。
3 实验波形图图6对称式多谐振荡器的工作波形图74 主要参数矩形脉冲的振荡周期为T ≈1.4RFC当取RF ＝1k Ω、C ＝I00 pF ～100 μF 时，则该电路的振荡频率可在几赫到几兆赫的范围内变化 例如：Hz f 145= R=2K Ω时 则C=1000μF五 组长评语在本次的课程设计过程中，我们六个人分工明确合理，每个人都提前完成了自己所分得任务，才能使这次课程设计提前完成！回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践。
可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
多谐振荡器
例题：试分析图23－2所示的占空比可调多谐振荡器 的工作原理，并求振荡频率f和占空比D。
图23－2
解：当555定时器输出高电平时，放电管V截止，电源UCC对 电容C充电，此时充电回路为：UCC→R1→RP1→D1→C→地， 充电时间常数τ1=(R1+RP1)C。
2 u U CC 时，定时器输出变为低电平，放电管 当电容电压充电到 C 3
工作原理如下： 555定时器接成多谐振荡器。在液位正常时，探测电极
使电容C2短路，电容不能充电和放电，因此多谐振荡器
不能正常工作，③脚输出高电平，扬声器不发声。当液
面低于电极以下时，探测电极开路，多谐振荡器正常工
作。③脚输出一定频率的矩形脉冲，扬声器发出报警声，
提示液位过低。该电路只适用在导电液体情况下。调节
(3) 暂稳态Ⅱ(t1-t2):由于此刻
Q =1, 因此放电管V饱和导通,
电容C放电,放电回路为C→R2→放电管V→地,放电时间常数 τ2=R2C(忽略V管的饱和电阻),电容电压uC按指数规律下降,
同时使输出维持在低电平上。
1 (4) 自动翻转Ⅱ(t=t2):当电容上的电压uC下降到了 3 UCC时,
为τ1=(R1+R2)C,电容C上的电压uc随时间t按指数规律上升,此阶段内输出
2 (2)自动翻转I(t＝tl):当电容上的电压uc上升到了 UCC 时,由于555定时器 3 内S=0,R=1,使触发器状态Q由1变为0, Q 由0变成1,输出电压uo由高电平 跳变为低电平,电容C中止充电。
电压uo稳定在高电平。
t2 0.7( R2 RP 2 )C
振荡周期： T t1 t2 0.7( R1 R2 RP )C 振荡频率 占空比: ：f
多谐振荡器
用4011产生脉冲一、原理用门电路组成的多谐振荡器(包括由反相器、与非门和或非门)在各种电子电路中几乎都能见到，它们最主要的用途是用来作时钟脉冲发生器，用来驱动计数器或脉冲分配器，使电路的各组成部分能够按照所设定的工作程序有条不紊地工作。
用与非门和或非门组成的多谐振荡器如图所示。
图是对称式多谢振荡器的典型电路，它是由两个与非门、两个电阻与一个电容构成的。
为了产生自激振荡，电路不能有稳定状态，也就是说，在静态下（电路没有振荡时）它的状态必须是不稳定的，由反相器的电压传输特性，如果设法使U1、U2在电压传输特性的转折区或线性区，，则它们将工作在放大状态，即电压放大倍数Au>1,这时只要U1或U2有极小的变化，就会被正向反馈回路放大放大从而引起振荡。
相器静态时工作在放大状态，必须给它们设置适当的偏置电压，它的数值应介于高低电平之间。
这个电平可以通过在反相器的输入端与输出端之间接入接入反馈电阻得到。
电路接通电源后，假设由于某种原因（例如电源波动或外界干扰）使V11有微小的正跳变，则必然会引起如下的正反馈过程：V11升高使V01下降，从而使V12下降，使V02升高，V02又反馈到V11，使V11升高。
使V01迅速跳变为低电平、V02迅速跳变为高电平，电路进入第一个暂稳态，同时电容C1开始充电而C2开始放电。
由于C1同时由R1和R2充电，电压迅速上升到B与非门的阀值电压，引起下面的正反馈：V12上升使得V02下降，从而使得V11下降，使V01上升，V01上升又反馈回V12，使V12上升。
从而使V02迅速跳变为低电平，而V01跳变为高电平，电路进入第二个暂稳态，同时C2开始充电而C1开始放电，与上述C1充电而C2放电是对称的，当V11上升到阀值电压又将迅速返回第一个暂稳态。
因此，电路不断在第一稳态和第二稳态之间往复振荡，在输出端产生矩形脉冲。
二、电路图。
多谐振荡器
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数字电子技术
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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
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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。
替。
利用放电管T作为一个受控电子开关，使电容充电、
放电而改变T电H=容TCR充，电则交替置0、置1。电容C放电
τ充=( R1+R2)C
τ放= R2C
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振荡器输出脉冲uO的工作周期为： T≈0.7(R1+2R2)C
图7-20 555定时器构成的多谐振荡器
（a）电路
（b）工作波形
3
2. 图8.20（a）所示电路只能产生占空比大于0.5的矩形 波， 而图8.21所示电路可以产生占空比处于0和1之间的 矩形波。这是因为它的充放电的路径不同，
＋UD D
RA RW
84 7
RB
D2
555 3 6
uo
D1
21 5
C1
C2
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图7-21 可调占空比的多谐振荡器
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2. 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。
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戴维南定理等效得：
RE1 R1RF 2 R1 RF 2 RF 2 (VCC VOH VBE ) R1 RF 2
VE1 VOH
§10.4.1 对称式多谐振荡器
(2-2) 暂稳态电路等效（续）
C2放电的等效电路
§10.4.1 对称式多谐振荡器
§10.4.2 非对称式多谐振荡器
由于某种原因使得vI1有微小正跳变时， 发生正反馈
使得vO1低，vO2高，进入第一个暂稳 态，同时C开始放电 随着C的放电，vI1下降，当vI1=VTH，引起
使得vO2低，vO1高，进入第二个暂稳态， 同时C开始充电, 当vI1=VTH电路返回到vO1低， vO2高，又回到第一个暂稳态
放电时间
VOL VTH (VOH VOL ) T2 RC ln VOL VTH
振荡周期（简化后）
2VOH VTH VOH VTH T T1 T2 RC ln( ) VOH VTH VTH
另外，实际上，阈值由于Rs 的存在而偏小一些。
§10.4.3 环形多谐振荡器
脉冲波形的产生和整形
§10.3 多谐振荡器
对称式多谐振荡器 非对称式多谐振荡器 环形多谐振荡器 用施密特触发器构成的多谐振荡器 石英晶体多谐振荡器
Multi-Vibrator
[vai'breitə]
所谓“多谐”
harmonious
§10.4 多谐振荡器
对称式多谐振荡器
§10.4.1 对称式多谐振荡器
vO1 ↓L， vO2 ↑ H；进入第一个暂稳态，同时电容C1开始 充电，C2开始放电
如何观察到所谓的“充”、“放”电？ 根据 逻辑门的输入输出的设计（输入阻抗大，输出阻坑小）， 所以，从输出级“找电源”。 对于输入级的处理，电流是否可以被忽略？
§10.4.1 对称式多谐振荡器
(2-2) 暂稳态
频率稳定度可达10－10～10－11（未考虑 温度漂移）
石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐 波频率f0，而与外接电阻电容无关。（讨论：受迫振动）
§10.4.5 用施密特触发器构成多谐振荡器
用CMOS反相器构成的施密特触发器 （a）电路 （b）图形符号
§10.4.5 用施密特触发器构成多谐振荡器
RFC ln 3
振荡周期
T T1 T2 2RFC ln 3 2.2RFC
讨论：TTL非对称式多谐振荡器
§10.4 多谐振荡器
环形多谐振荡器
利用延迟负反馈产生振荡 奇数个反相器首尾相连
振荡周期为T=2 n tpd（n为奇数） 传输延迟时间极短，振荡频率 太高，而且不易调节
§10.4.1 对称式多谐振荡器
(3) 定量计算：振荡周期
第一个暂稳态的持续时间 T1 等于 vI2 从C1开始充电到上升到 VTH 的时间
RE1
RF 1 RF 2 RF 1 RF 2 RF 2 (VCC VOH VBE ) RF 1 RF 2
VE1 VOH
Vc () Vc (0) t RC ln Vc () VTH
振荡周期
VDD VT VT T T1 T2 RC ln( ) RC ln VDD VT VT
§10.4.5 用施密特触发器构成多谐振荡器
§10.4.6 555定时器构成多谐振荡器
一、 555定时器的电路结构及功能 1.电路结构 （1）三个5k电阻组 成的分压器。 （2）两个电压比较器 （3）基本RS触发器 （4）放电三极管
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ vI轴的截距
线性区
~~~~~~~~ vI轴- vO轴 的斜率
静态工作点P，电压放大倍数
vO
转折区
v I
外电路负载特性曲线
1
反相器传输特性曲线
对于74系列门电 路，RF的阻值应 取0.5k~1.9k
§10.4.1 对称式多谐振荡器
(2-1) 从不稳定平衡态到暂稳 态的状态转换
讨论：实用性，所谓“线 速”…
§10.4.3 环形多谐振荡器
• 附加RC充放电延迟环节
• 加入积分器，在工作状态…RC的充放电情况 • 问题… • 改进，对C能够“大幅度（压降）”地充放电，
§10.4.3 环形 多谐振荡器
§10.4.3 环形多谐振荡器
充电时间
VE [VTH (VOH VOL )] T1 RE C ln VE VTH
用555构成多谐振荡器
振荡周期：
T 0.7(R 2R )C 1 2
电路的电压传输特性
（a）同相输出 （b）反相输出
§10.4.5 用施密特触发器构成多谐振荡器
用施密特触发器实现波形变换
§10.4.5 用施密特触发器构成多谐振荡器
用施密特触发器对脉冲整形
§10.4.5用施密特触发器构成多谐振荡器
积 分 器
Vc () Vc (0) t RC ln Vc () VTH
频率可调范围：…； 缺点：对于TTL与非门，R一般 1k Ohm左右，不能过大； 改进电路
电路中增加一级射级输出； 缓冲隔离，可扩大R的取值范围到10 kΩ 频率调节范围扩大10倍
§10.4.4 多谐振荡器
石英晶体多谐振荡器
普通多谐波振荡器的问题：转换电平不 稳定，转换电平微小的变化或者轻微的 干扰都会严重影响振荡周期，易受干扰 频率稳定性不高 石英晶体的谐振频率由石英晶体的结晶 方向和外形尺寸决定，具有极高的频率 稳定性
(2-3)两个暂稳态之间的状 态转换 由于C1经过R1和RF2两条支 路充电，充电速度较快，vI2 首先到达G2的阈值VTH，引 起了正反馈
第 一
vO1 ↑ H ， vO2 ↓L ；进入第二 个暂稳态，同时电容C2 开始 充电， C1开始放电
第 二
§10.4.1 对称式多谐振荡器
(2-4) 各点电压的波形
(1) 静态（无稳态电路）
G1和G2分别被反馈电阻偏置到放大状态，输入电
压有极微小的扰动，就会引起自激振荡。
RF 1 R1 vI (VCC VBE ) vO R1 RF 1 R1 RF 1
ห้องสมุดไป่ตู้
由叠加原理
§10.4.1 对称式多谐振荡器
(1) 静态（无稳态电路）
G1和G2分别被反馈电阻偏置到放大状态，输入电
思考：如何确定是充电还是放电?
VR () VR (0) t RC ln VR () VTH
放电时间（考察 暂稳态一）
T2 RFC ln
0 (VTH VDD ) 0 VTH
RFC ln 3
充电时间（考察 暂稳态二）
T1 RFC ln
VDD (VTH VDD ) VDD VTH
（5）缓冲器
当6脚电压V6＞2VCC/3、2脚电压V2＞VCC/3时， 比较器A1输出为0，A2输出为1，基本RS触发器被置 0，VT饱和导通，3脚U0输出为低电平。 当V6＜2VCC/3、V2＜VCC/3时，比较器A1输出为 1，A2输出为0,基本RS触发器被置1,VT截止， 3脚U0 输出高电平。 当V6＜2VCC/3、V2＞VCC/3时，A1、A2的输出 均为1，基本RS触发器的状态保持不变，因而VT和3 脚U0的输出状态也保持不变。
压有极微小的扰动，就会引起自激振荡。
RF 1 R1 vI (VCC VBE ) vO R1 RF 1 R1 RF 1 RF 1 vI (VCC VBE vO ) vO R1 RF 1
由叠加原理 其实不用这么费 解，…
§10.4.1 对称式多谐振荡器
RF 1 R1 vI (VCC VBE ) vO R1 RF 1 R1 RF 1
VE1 VIK T1 RE1C1 ln VE1 VTH
由于电路完全对称，总振荡周期T=2T1
§10.4 多谐振荡器
非对称式多谐振荡器
• G1被偏置在转折区，则其输出馈入G2的输入，也将G2偏置到转折
区。
• 讨论：振荡电路对储能元件的要求 • 注意保护电阻…
CMOS门电路构成的非对称式多谐振荡器