数字电路多谐振荡器

数字电路设计报告

设计课题：使用门电路产生脉冲信号——自激

多谐振荡器

专业班级：13电信卓越班

学生姓名：陈军波

学号：130807002

指导教师：许粮老师

设计时间：2014年12月27日

自激多谐振荡器

一、设计任务与要求

1．掌握使用门电路构成信号脉冲信号产生电路的基本方法；

2．掌握影响输出脉冲波形参数的定时原件数值的计数方法；

3．学习石英晶体稳频原理和使用石英晶体构成振荡器的方法；

4.掌握555集成时基电路的基本应用。

二、方案设计与论证

1.方案一、对称型多谐振荡器

右图为由TTL门电路组成的对称

多谐振荡器的电路结构和电路符号。图中

G1、G2两个反相器之间经电容C1和C2耦

合形成正反馈回路。合理选择反馈电阻

R F1和R F2，可使G1和G2工作在电压传输

特性的转折区，这时，两个反相器都工作

在放大区。由于G1和G2的外部电路对称，

因此，又称为对称多谐振荡器。

2.方案二、非对称多谐振荡器

两个反相器G1，G2耦合电容C1，C2，电阻Rf1，Rf2 两个反相器G1，G2耦合电容C，电阻R 方波方波

右图为由COMS门电路组成的非对

称多谐振荡器的电路结构和电路符号。如

果仔细研究一下对称式多谐振荡器就不

难发现，这是电路的近一步简化。只要在

反馈环路中保留电容C2，电路就任然没有

稳定状态，而只能在两个暂稳态之间往复

振荡。就得到了非对称多谐振荡器。

3.方案三、石英晶体稳频的多谐振荡器

两个反相器Ｇ１，Ｇ２两个电容Ｃ１，,Ｃ２充放电，晶振方波

右图为由ＴＴＬ门电路组成的Ｓ

石英晶体稳频的多谐振荡器的电路结构

和电路符号。可以看出将石英晶体与对称

式多谐振荡器的电容串联起来，就组成了

右图的石英晶体振荡器。

图３石英晶体稳频多谐振荡器

４.方案四使用５５５定时器接成的多谐振荡器

ＮＥ５５５芯片ＲＣ积分电路方波

右图为由５５５定时器和外接元器件Ｒ１，Ｒ２，Ｃ构成的多谐振荡器，脚２与脚６直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路也不需要外接触发信号，利用电源通过Ｒ１，Ｒ２向电容Ｃ充电，以及Ｃ通过Ｒ２向放电端Ｄｃ放电，使电路产生自激振荡。

图４ ５５５构成的多谐振荡器

三、单元电路设计与参数计算

多谐振荡器由门电路和阻容元件构成，它没有稳定状态，只有两个暂稳态，

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，输出周期性的矩形脉冲信号。如要求输出振荡频率很稳定的矩形脉冲时，则可采用石英晶体振荡器。由于矩形脉冲含有丰富的谐波分量，因此，常将矩形脉冲产生电路称作多谐振荡器。与非门作为一个开关倒相器件，可用以构成各种脉冲波形的产生电路。电

路的基本工作原理是利用电容器的充放电，当输入电压达到与非门的阈值电压VT 时，门的输出状态即发生变化。因此，电路输出的脉冲波形参数直接取决于电路中阻容元件的数值。

１、对称型多谐振荡器

如图１所示，由于电路完全对称，电容器的充放电时间常数相同, 故输出为对称的方波。改变R 和C 的值，可以改变输出振荡频率。非门3用于输出波形整形。用与非门７４ｌｓ００按图１构成多谐振荡器，一般取R ≤1K ΩΩ,当R ＝1K Ω，C ＝０.１µf 时，f ＝nHz ～nMHz ，脉冲宽度tw1＝tw2＝0.7RC ，T ＝1.4RC 。

如图所示，如果忽略门电路的输出电阻，利用叠加定理可以求出输入电压为：

()Vo

RF R R Vbe Vcc R RF RF Vi 111

111++-+=

这就是从外电路求得的Vo 与Vi 的关系。

如图３所示。当要求多谐振荡器的工作频率稳定性很高时，上述几种多谐振荡器的精度已不能满足要求。为此常用石英晶体作为信号频率的基准。用石英晶体与门电路构成的多谐振荡器常用来为微型计算机等提供时钟信号。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。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f0，而与RC无关。另外，石英晶体不但频率特性稳定，而且品质因数Q很高，有极好的选频特性。石英晶体的频率稳定度可达，可满足大多数数字系统对频率稳定度的要求。

所以，石英晶体振荡器的周期为：Ｔ＝ＲＣ

取ｆｏ＝３２７６８ＨＺ，Ｒ＝１Ｋ，电容Ｃ＝０.０５ｕｆ

４.由图４可知，振荡周期12T T T =+。1T 为电容充电时间，2T 为电容放电时间。 充电时间 11212()ln 20.7()T R R C R R C =+≈+ 放电时间 222ln 20.7T R C R C =≈

矩形波的振荡周期121212ln 2(2)0.7(2)T T T R R C R R C =+=+≈+ 因此改变1R 、2R 和电容C 的值，便可改变矩形波的周期和频率。

对于矩形波，除了用幅度，周期来衡量外，还有一个参数：占空比q ，q=（脉宽w t ）

/（周期T ），w

t

指输出一个周期内高电平所占的时间。图（C ）所示电路输出矩形波的占

空比1112

1212

2T T R R q T T T R R +=

==++。 取Ｒ１＝Ｒ２＝４．７Ｋ，电容Ｃ＝Ｃｏ＝０．０１ｕｆ

四、总原理图及元器件清单

1．原理图

（１）对称型多谐振荡器

电容充放电的等效电路图 电路中各点的波形

（２）非对称型多谐振荡器