对称式多谐振荡器分析
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。
用门电路组成的多谐振荡器
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。
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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。
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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5.3.2 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。
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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5.3.1 对称式多谐振荡器
1.CMOS反相器构成的多谐振荡器
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：
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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
结束
5.3 多谐振荡器
放映
5.3.1 用门电路组成的多谐振荡器 5.4.3 石英晶体多谐振荡器
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复习
单稳态触发器的工作特点？ 主要参数？ 主要应用？
对称式多谐振荡器
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？
多谐振荡器的工作原理
多谐振荡器的工作原理多谐振荡器是一种电子设备，它可以产生多种频率的正弦波信号。
它的工作原理基于电容和电感的相互作用，通过适当的电路设计和控制，可以实现频率可调的振荡输出。
多谐振荡器在通信、广播、医疗等领域有着广泛的应用，下面我们来详细了解一下它的工作原理。
首先，多谐振荡器的核心部件是电容和电感。
电容是一种可以存储电荷的元件，而电感则是一种可以存储磁场能量的元件。
在多谐振荡器的电路中，电容和电感会相互储存和释放能量，从而产生振荡。
其次，多谐振荡器的工作原理与谐振现象密切相关。
在电路中，当电容和电感的能量储存达到一定条件时，会出现谐振现象，即电路中的电压和电流会呈现周期性的变化。
多谐振荡器通过合理设计电路参数和控制信号，可以实现在不同频率下的谐振现象，从而产生多种频率的正弦波信号。
另外，多谐振荡器的工作原理还与反馈电路有关。
在多谐振荡器中，会采用反馈电路来稳定振荡频率和增强输出信号。
通过适当的反馈设计，可以使多谐振荡器在不同频率下都能保持稳定的振荡输出，从而满足不同应用场景的需求。
此外，多谐振荡器的工作原理还涉及到频率控制技术。
通过控制电路中的参数或者外部输入的控制信号，可以实现对多谐振荡器输出频率的调节。
这种频率可调的特性使得多谐振荡器在实际应用中具有更大的灵活性和适用性。
总的来说，多谐振荡器的工作原理是基于电容和电感的相互作用、谐振现象、反馈电路和频率控制技术的综合应用。
通过合理设计和控制，多谐振荡器可以实现多种频率的正弦波信号输出，满足不同领域的需求。
它在电子通信、无线电、医疗诊断等领域有着重要的应用，对于推动科技进步和社会发展具有重要意义。
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。
振荡电路及晶振
振荡电路及晶振振荡器（Oscillator）是一种能量转换装置，它不需要外加信号的控制，就能自动地将直流能量转换为一定频率、一定幅度和一定波形的交流能量输出。
振荡器电路应包括放大电路、反馈网络和选频电路三部分。
放大电路和反馈网络用于产生和维持振荡信号，选频电路用于指定振荡信号的频率范围。
原理：在自激振荡器中，起始瞬间的振荡电压产生原因两种：一是接通电源时电路各处的瞬变电压；二是放大器中的电扰动和噪声电压。
这些起始电压中包含各种丰富的频率分量，总会有符合相位条件的某个频率成分。
当振幅增大到某种程度后，由于三极管特性的非线性，其工作范围将超出放大区，进入饱和区或截止区，放大器的放大倍数将显著下降，使输出信号振幅增大变缓，另一方面，能量的损耗也会使输出信号振幅增大变缓。
对称式多谐振荡器是一个正反馈振荡电路。
G1,G2是两个反相器，C1,C2是两个耦合电容，RF1,RF2是两个反馈电阻。
只要恰当地选取反馈电阻的阻值，就可以使反相器的静态工作点位于电压传输特性的转折区。
电源波动和外界干扰使VI1有微小的正跳变，必有如下反馈：使V o1迅速跳变为低电平，V o2迅速跳变为高电平，电路进入第1个暂稳态，同时电容C1开始充电，充电速度较快。
然后VI2首先上升至G2的阈值并引起如下正反馈,从而使V o2迅速跳变至低电平而V o1迅速跳变至高电平，电路进入第二个暂稳态。
接着C2开始充电而C1开始放电。
波形如下：频率稳定度是振荡电路的重要技术指标。
在一般LC振荡电路中，尽管采取各种稳步措施，其频稳仅能达到10e-4到10e-5量级。
如果要优于10e-5,必须采用晶体振荡电路。
石英晶体在外加电压的作用下，它会产生一个压电效应，石英晶体产生机械振动，当外加电压的频率与晶体固有振荡频率相同时，晶体的机械振幅最大，产生的交变电场也就最大，形成压电谐振。
一般接crystal内部的芯片电路，原理上就是一个非门电路，非门在微观电路上可以看成一个增益特别大的放大器。
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图5-14 对称式多谐振荡器
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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 ：
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：
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作业题
5-4 5-5
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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：
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3. 主要参数
矩形脉冲的振荡周期为
T≈1.4RFC
当取RF＝1kΩ、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。
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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
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。
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图5-18 RC环形振荡器的工作波形
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。
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5.3.1 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。
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图5-21 石英晶体振荡器电路
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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。
5.3
多谐振荡器
结束 放映
5.3.1 对称式多谐振荡器
5.3.2 环形振荡器
5.3.3 石英晶体振荡器
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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主要应用？
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5.3
多谐振荡器
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。 2018/10/13
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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。
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。
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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。
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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。 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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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 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：
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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。
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图5-15 对称式多谐振荡器的工作波形