数字电路

实验十八 多谐振荡器

一、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. 了解石英晶体稳频的原理和使用石英晶体构成振荡器的方法。

二、实验原理

多谐振荡器是一种自激振荡电路，该电路在接通电源后无需外接触发信号就能产生一定频率和幅值的矩形脉冲或方波。由于多谐振荡器在工作过程中不存在稳定状态，故又称为无稳态电路。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的充放电，当输入电压达到与非门的阀值电压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. 非对称型多谐振荡器

如图18-1所示，非门G3用于输出波形整形。

非对称型多谐振荡器的输出波形是不对称的，当用TTL与非门组成时，输出脉冲宽度为：

RC tW1?RC tW2?1.2RC T?2.2

调节R与C的值，可改变输出信号的振荡频率，通常用改变C实现输出频率的粗调，改变电位器R实现输出频率的细调。

图18-1 非对称型多谐振荡器 图18-2 对称型多谐振荡器

2. 对称型多谐振荡器

如上图18-2所示，设刚开始t=0时接通电源，电容尚未充电，此时电路的状态为第一暂稳态。随着时间的增长，电容不断充电，VA不断增大，直到阀值电压VT时，电路发生下述正反馈过程：

而后，电容充满电后开始放电，电路又发生下述正反馈过程：

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其中，当G1截止G2导通的瞬间，电路为第二暂稳态。如此，电路将不停地在两个暂稳态之间往复振荡。

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，可改变输出信号的振荡频率。如输出端加一非门，可实现输出波形整形。

一般取R≤1KΩ，当R=1KΩ，C=100pf~100uf时，f=nHz~nMHz，脉冲宽度tw1= tw2=0.7RC，T=1.4RC。

3. 带RC电路的环形振荡器

图18-3 带RC电路的环形振荡器

电路如图18-3所示。其中G4用于整形，以改善输出波形，R为限流电阻，一般取100Ω，电位器Rw要求不大于1KΩ。电路利用电容C充放电过程，控制D点电压VD，从而控制与非门的自动启闭，形成多谐振荡，电容C的充电时间tw1、放电时间tw2和总的振荡周期T分别为：

tw1≈0.94RC, tw2≈1.26RC ， T≈2.2RC

调节R和C的值，可改变输出信号的振荡频率。

以上这些电路的状态转换都发生在与非门输入电平达到门的阀值电平VT的时刻。在VT附近电容器的充放电速度已经很缓慢，而且VT本身也不够稳定，易受温度、电源电压变化等因素以及干扰的影响。因此，电路输出频率的稳定性较差。

4. 石英晶体振荡器

石英晶体的选频特性非常好，它有一个极为稳定的串联谐振频率，而且等效品质因素很高。只有频率等于串联谐振频率的信号最容易通过，而其他频率的信号均会被晶体所衰减。

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18-4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。

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图18-4 常用的晶体稳频多谐振荡器

图18-4（c）中，G1用于振荡，G2用于缓冲整形。Rf是反馈电阻，通常在几十兆欧之间取值，一般选22 MΩ。R起稳定振荡的作用，通常取几十到几百千欧。C1是频率微调电容器，C2用于温度特性调整。

三、实验设备与器材

1、数字逻辑电路实验箱。

2、数字逻辑电路实验形扩展板。

3、双踪示波器，频率计，数字万用表，脉冲源。

4、芯片74LS00（或CC4011）、晶振10MHZ，32768HZ。

5、电位器、电阻、电容若干。

四、实验内容及实验步骤（使用实验箱中的硬件资源在扩展板上搭建电路实现如下内容）

1． 与非门74LS00按图18-1构成多谐振荡器，其中电阻R为10KΩ，电容C为0.01uf。

（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100uf电容器跨接在74LS00的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18-2接线，取R=1KΩ，C=0.047uf，用示波器观察输出波形，记录

之。

3． 用74LS00按图18-3接线，其中定时电阻Rw用一个510Ω电阻与一个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Vo各点电压的波形，测出Vo的周

期T和Vo负脉冲宽度值（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Vo波形的变化情况。

4． 图18-4接线，晶振选用32768Hz，非门选用74LS00或用74LS04，用示波器观测

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. 画出实验用的详细电路图。

3. 拟好记录、实验数据表格等。

六、实验报告要求

1. 画出实验电路，整理实验数据与理论值进行比较。

2. 画出实验观测到的工作波形图，对实验结果进行分析。

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第二篇：555实验报告-多谐振荡器

韶  关  学  院

仿真实验报告册

仿真实验课程名称：数字电子技术实验仿真

仿真实验项目名称：基于555定时器的多谐振荡器的设计

仿真类型（填■）：（基础□、综合□、设计■）

院系：物理与机电工程学院    专业班级：13电子（2）班

姓名：                      学号：

指导老师：刘堃             完成时间：2014.03.25

成绩：

一、实验目的

1、熟悉555集成时基电路的电路结构、工作原理及其特点；掌握555集成时基电路的基本应用。

2、掌握Multisim10软件在数字电子技术实验中的应用。

二、实验设备

Multisim10软件。

三、实验原理

（1）555定时器

集成芯片555是一种能够产生时间延迟和多种脉冲信号的控制电路，是数字、模拟混合型的中规模集成电路。芯片引脚排列如图1所示，内部电路如图2所示。电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器，广泛应用于信号的产生、变换、控制与检测。它的内部电压标准使用了三个5 kΩ的电阻，故取名555电路。电路类型有双极型和CMOS型两大类，两者的工作原理和结构相似。几乎所有的双极型产品型号最后的三位数码都是555或556；所有的CMOS产品型号最后四位数码都是7555或7556，两者的逻辑功能和引脚排列完全相同，易于互换。555和7555是单定时器，556和7556是双定时器。双极型的555电路电源电压为+5 V ~ +15 V，输出的最大电流可达200 mA；CMOS型的电源电压是+3 V~+18 V。

 555内部电路有两个电压比较器、基本RS触发器和放电开关管T。比较器的参考电压由三只5 kΩ的电阻分压提供，比较器A₁同相端参考电平为、比较器A₂的反相端参考电平为。A₁和A₂的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号超出时，比较器A₁翻转，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，开关管导通，电路充电。当输入信号低于时，比较器A₂翻转，触发器置位，开关管截止，电路放电，555的3脚输出高电平。

是复位端，当其为0时，555输出低电平。应用时通常开路或接V_CC。

5脚是控制电压端，平时输出作为比较器A₁的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01µF的电容器至地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。

T为放电管，当T导通时，经过脚7至电容器，提供低阻放电电路。

（2）555定时器构成多谐振荡器

如图3，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，电路不需要外接触发信号，电源通过R₁、R₂向C充电，以及C通过R₂向放电端D_C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，其波形如图4所示。

                  

 图3  555构成多谐振荡器             图4  多谐振荡器的波形

振荡器输出信号的时间参数是：

     T=        

=0.7（R₁+R₂）C 

=0.7R₂C

式中，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广泛。

三、实验设计任务

用555电路构成多谐振荡器，要求振荡波形的频率为2kHz的方波，输出占空比q=2/3。画出设计电路图，按电路图接线，双踪示波器观察并记录V_c与V_Ｏ的波形，验证频率。已知。

四、设计分析

  

   ，已知

   解得：

五、实验元器件

六、实验原理图

七、实验结果

八、实验结果分析与总结

由示波器显示波形可知，得到的方波周期T=1.014ms，所以频率为f=0.986KHz，相对误差为1.4%。

由示波器显示波形可知，得到的方波周期T=1.014ms，T1=672.515µs，占空比q=0.663,相对误差为0.6%。

九、参考文献

蒋卓勤、邓玉元主编，《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，《数字电子技术基础（第五版）》，高等教育出版社，2006.5。

朱庆欢、邓友娥主编，《电工电子技术实验》，暨南大学出版社，2010.2.