8.1 多谐振荡器

本次重点内容：

1、多谐振荡器的工作原理。

2、周期的计算方法。

教学过程

一、多谐振荡器特点

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、电路组成

     电路如图8.1 (a) 所示 , 定时元件除电容 C 之外 , 还有两个电阻 R1 和 R2 将高、低电平触发端 ( ⑥、②脚 ) 短接后连接到 C 与 R2 的连接处 , 将放电端 ( ⑦脚 ) 接到 R1与R2的连接处

图8.1 (a) 电路组成                       (b) 工作波形

三、工作原理

    接通电源瞬间 t =to 时 , 电容 C 来不及充电 ,uc 为低电平 , 此时 ,555 定时器内 R =0,S=1, 触发器置 1, 即 Q =1, 输出uo为高电平。同时由于=0, 放电管 V 截止 , 电容 C 开始充电 , 电路进 入暂稳态。

一般多谐振荡器的工作过程可分为以下四个阶段 ( 见图 (b)):

    (1) 暂稳态 I(O~tl): 电容 C 充电 , 充电回路为 V_DD → R1 → R2 → C →地 , 充电时间常数为 为τ1=(R1+R2)C, 电容 C 上的电压 uc 随时间 t 按指数规律上升 , 此阶段内输出电压 uo 稳定在高电平。

(2) 自动翻转 I(t＝tl): 当电容上的电压 uc 上升到了 V_DD 时 , 由于 555

定时器内 S=0,R=1, 使触发器状态Q由 1 变为 0, 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。

(3) 暂稳态 Ⅱ (t1~t2): 由于此刻==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。

    (4) 自动翻转Ⅱ(t=t2): 当电容上的电压 uc下降到了 V_DD 时 , 由于 555 定时器内 S=1,R=0, 使触发器状态Q由0 变为 1, 由1变成0, 输出电压u_o由低电平跳变到高电平 , 电容 C 中止放电。

    由于=0, 放电管截止 , 电容 C 又开始充电 , 进入暂稳态 I。

    以后 , 电路重复上述过程 , 电路没有稳态 , 只有两个暂稳态 , 它们交替变化 , 输出连续的矩形波脉冲信号

四、主要参数

    两个暂稳态维持时间 T₁ 和 T₂ 的计算公式如下：

    T₁ ＝τ₁ln2=0.7(R₁+R₂)C

    T₂ ＝0.7R₂C

    振荡周期：    T= T₁ + T₂ ＝0.7(R₁+2R₂)C

    振荡频率 ：  f =1/T

占空比   D===

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8.2 占空比可调多谐振荡器

    解：当555定时器输出高电平时，放电管V截止，电源V_DD对电容C充电，此时充电回路为：V_DD → R₁ → R_P1→ D₁ → C →地，充电时间常数：τ₁=(R₁+R_P1)C。

    当电容电压充电到uc=V_DD时，定时器输出变为低电平，放电管V导通，电容C开始放电，放电回路为C→ R₂ →D₂→R_P2 → 放电管V →地，充电时间常数τ₂=(R₂+R_P2)C。

 当电容电压充电到uc=V_DD时，定时器输出变为高电平，放电管V截止，电容C又开始充电，如此循环下去便可稳定地输出矩形波。

    两个暂稳态的持续时间分别为

         t₁=0.7(R₁+R_P1)C

        t₂=0.7(R₂+R_P2)C

   振荡周期T为：T=t₁+t₂=0.7(R₁+R₂+R_P)C

    振荡频率f ==

   占空比为D==

   其中R_P＝R_P1+ R_P2

      该电路通过调节可变电阻，可实现调节正脉冲的宽度，此电路称为占空比可调的振荡电路，当R₁+R_P1=R₂+R_P2时，D=,即输出对称矩形波

五、石英晶体多谐振荡器

    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。

    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。

                             

                                       

       图8.3 石英晶体多谐振荡器               图8.4 石英晶体的电抗频率特性

    

六、应用举例：

1、液位报警器：生产实践中，往往需要对容器中的液位有一定限制，以防止事故的发生。如图23－5是一种液位报警器的电路图，有一对探测电极浸入液池中，当液位过低时，会自动发出报警声。

图8..5 液位报警器

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。调节电位器R_P，可改变输出声音的频率。

作业  3，4

石英晶体稳频的多谐振荡器

石英晶体稳频的多谐振荡器
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。
图12－4所示为常用的晶体稳频多谐振荡器

（a）、(b)为TTL器件组成的晶体振荡电路；
（c）、(d)为CMOS器件组成的晶体振荡电路， 一般用于电子表中，其中晶体的f0=32768Hz。
图12－4（c）中，门1用于振荡，门2用于缓冲整形。Rf是反馈电阻，通常在几十兆欧之间选取， 一般选22MΩ。R起稳定振荡作用，通常取十至几百千欧。C1是频率微调电容器，C2用于温度特性校正。
二、实验目的
1、掌握使用门电路构成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元件数值的计算方法
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

三、 实验设备与器件
1、+5V直流电源
2、双踪示波器
3、数字频率计
4、74LS00（或CC4011） 晶振32768Hz 　 电位器、电阻、电容若干。
四、实验内容
1、 用与非门74LS00按图12－1构成多谐振荡器，其中R为10KΩ电位器，C为0.01µf。
（1） 用示波器观察输出波形及电容C两端的电压波形，列表记录之。
（2） 调节电位器观察输出波形的变化，测出上、下限频率。
（3） 用一只100µf电容器跨接在74LS00 14脚与7脚的最近处，观察输
出波形的变化及电源上纹波信号的变化，记录之。
2、 用74LS00按图12－2接线，取R＝1KΩ，C＝0.047µf，用示波器观察输出波形，记录之。
3、 用74LS00按图12－3接线，其中定时电阻RW用一个510Ω与一个1KΩ的电位器串联，取R＝100Ω，C＝0.1uf。
（1） RW调到最大时，观察并记录A、B、D、E及v0各点电压的波形，测出
v0的周期T和负脉冲宽度（电容C的充电时间）并与理论计算值比较。
（2） 改变RW值，观察输出信号v0波形的变化情况。
4、 按图12－4（c）接线，晶振选用电子表晶振32768Hz，与非门选用CC4011，用示波器观察输出波形，用频率计测量输出信号频率，记录之。
五、实验预习要求
1、 复习自激多谐振荡器的工作原理
2、 画出实验用的详细实验线路图
3、 拟好记录、实验数据表格等。

第二篇：用555构成的多谐振荡器

555构成多谐振荡器的报警电路设计

一、          设计目的

555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件，它性能优良，适用范围很广，外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成单稳态触发器和多谐振荡器，以及不需外接元件就可组成施密特触发器。因此集成555定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。

本实验根据555定时器的功能强以及其适用范围广的特点，设计实验研究它的内部特性和简单应用。

555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为555， 555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V~16V 工作，7555 可在 3~18V 工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。 555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3

图8-1  555定时器内部方框图

通过对本次设计能够更好地掌握555的作用及应用。同时掌握报警电路的原理及设计方法。

二、          设计要求

①     画出电路原理图（或仿真电路图）；

②     元器件及参数选择；

③     电路仿真与调试；

④     PCB文件生成与打印输出。

（3）制作要求  自行装配和仿真，并能发现问题和解决问题。

（4）编写设计报告  写出设计与制作的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。

三、          设计原理

多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故 称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之 间来回转换，故又称它为无稳态电路。由555定时器构成的多谐振荡器如图1所示，R1，R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚） 和低电平触发端（2脚）并接后接到R2和C的连接处，将放电端（7脚）接到R1，R2的连接处。由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压uc为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发 端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管VT截止。这时，电源经R1，R2对电容C充电，使 电压uc按指数规律上升，当uc上升到（2/3）Vcc时，输出uo为低电平，放电管VT导通，把uc从（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关 。充电时间常数T充=（R1＋R2）C。不难理解，接通电源后，电 路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。电路一旦起振后，uc电压总是在（1/3～2/3）Vcc 之间变化。图1（b）所示为工作波形。

图1 555定时器构成的多谐振荡器电路及工作波形

图1

（1）组成施密特触发器

电路如图8-7所示，只要将脚2和6连在一起作为信号输入端，即得到施密特触发器。图8-8画出了、Vi和Vo的波形图。

设被整形变换的电压为正弦波，其正半波通过二极管D同时加到555定时器的2脚和六脚，得到的Vi为半波整流波形。当Vi上升到时，Vo从高电平转换为低电平；当Vi下降到时，Vo又从低电平转换为高电平。

回差电压：

△V=

图8-7  555构成施密特触发器  图8-8  555构成施密特触发器的波形图

（2）555构成多谐振荡器 

由555定时器和外接元件R₁、R₂、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过R₁、R₂向C充电，以及C通过R₂向放电端放电，使电路产生振荡。电容C在和之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波，对应的波形如图8-5所示。

图8-4  555构成多谐振荡器         图8-5  多谐振荡器的波形图

输出信号的时间参数是：           T=

                     =0.7（R₁+R₂）C

=0.7R₂C

其中，为V_C由上升到所需的时间，为电容C放电所需的时间。555电路要求R1与R2均应不小于1KΩ，但两者之和应不大于3.3MΩ。外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。因此，这种形式的多谐振荡器应用很广。

一般多谐振荡器的工作过程可分为以下四个阶段:
(1) 暂稳态 I(O~tl): 电容 C 充电 , 充电回路为 VDD → R1 → R2 → C →地 , 充电时间常数为 为τ1=(R1+R2)C, 电容 C 上的电压 uc 随时间 t 按指数规律上升 , 此阶段内输出电压 uo 稳定在高电平.
(2) 自动翻转 I(t=tl): 当电容上的电压 uc 上升到了 VDD 时 , 由于 555 定时器内 S=0,R=1, 使触发器状态Q由 1 变为 0, 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.
(3) 暂稳态 Ⅱ (t1~t2): 由于此刻==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。
(4) 自动翻转Ⅱ(t=t2): 当电容上的电压 uc下降到了 VDD 时 , 由于 555 定时器内 S=1,R=0, 使触发器状态Q由0 变为 1, 由1变成0, 输出电压uo由低电平跳变到高电平 , 电容 C 中止放电.
由于=0, 放电管截止 , 电容 C 又开始充电 , 进入暂稳态 I.
以后 , 电路重复上述过程 , 电路没有稳态 , 只有两个暂稳态 , 它们交替变化 , 输出连续的矩形波脉冲信号。

四、            实验元器件

LM555H（定时器）  LAL-BARGRAPH(条形光柱报警)  Key=Space(开关)  及一些必要的电阻、电容及相关电源

       

五、            实验电路图

六、            设计结果

开关J1是控制多谐振荡器工作与停止，J1断开，多谐振荡器工作，反之，电路停止振荡。且当多谐振荡器工作时，条形光柱要出现短暂报警。

七、            实验总结

通过Multisim软件，不仅提供了电路原理图输入和硬件描述语言模型输入的接口和比较全面的仿真分析功能，同时还提供了一个庞大的元、器件模型库和一整套虚拟仪表。因此，可以很方便的实现计算机仿真和虚拟实验，与传统的实验方法相比，通过Multisim仿真可以看出，设计与实验可以同步进行，且修改电路容易，连线也比较直观。其观察结果也比较方便。但在做本次实验时，最开始安了一个扬声器，但是没有发出声音，但在我将它改成条形光柱报警时，它就能够正常报警了，所以在调试电路的时候，对我们的解决问题的能力有所提高。同时，也让我们对其理论知识有所了解和认识。让我们对像这样的知识有了更好的认识及掌握。

八、            参考文献

蒋卓勤、邓玉元主编的Multisim2001及其在电子设计中的应用   西安电子科技大学出版社  2003.10

阎石主编，清华大学电子学教研组编的数字电子技术基础（第五版） 高等教育出版社  2006.5（20##年重印）