多諧振蕩器的研究與仿真

摘要：分析了各種多諧振蕩器的電路結構及工作原理，并利用Multisiml0．0對部分電路進行了仿真，重點介紹了單穩(wěn)型多諧振蕩器，討論集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121定時元件RC對暫穩(wěn)態(tài)的影響以及單穩(wěn)型多諧振蕩器的應用。Multisim軟件是一種形象化的虛擬儀器電路仿真軟件，它能比較快速地模擬、分析、驗證所設計電路的性能，在課堂教學中引入EDA技術，使傳統(tǒng)教學環(huán)節(jié)與先進的仿真技術相結合，實現(xiàn)授課的生動性和靈活性，增強學生對基本概念的理解，激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)并有效提高學生綜合分析、應用及創(chuàng)新能力。
關鍵字：Multisiml0．O；多諧振蕩器；555定時器；施密特觸發(fā)器；環(huán)形振蕩器

O 引言
    在數(shù)字系統(tǒng)電路中經(jīng)常用到多諧振蕩器。多諧振蕩器是一種自激振蕩器，在接通電源以后，不需要外加觸發(fā)信號便能自行產(chǎn)生一定頻率和一定寬度的矩形波，這一輸出波形用于電路中的時鐘信號源。由于矩形波中含有豐富的高次諧波分量，所以習慣上又將矩形波振蕩器稱為多諧振蕩器。按照電路的工作原理，多諧振蕩器大致分為無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。

1 無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器
1．1 采用TTL門電路構成的對稱式無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器
    對稱式多諧振蕩器的典型電路如圖1所示，它是由兩個反相器Gl、G2經(jīng)耦合電容C1、C2連接起來的正反饋振蕩電路。電路中G1和G2采用SN74LS04N反相器，RFl=RF2=RF，C1=C2=C，振蕩周期T≈1．3RFC，輸出波形的占空比約為50％。RF1、RF2的阻值對于LSTTL為470 Ω～3．9kΩ，對于標準TTL為0．5～1．9kΩ之間。

1．2 采用CMOS門電路構成的非對稱式無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器
    如果把對稱式多諧振蕩器電路進一步簡化，去掉C1和R2，在反饋環(huán)路中保留電容C2，電路仍然沒有穩(wěn)定狀態(tài)，只能在兩個暫穩(wěn)態(tài)之問往復振蕩，電路如圖2所示。

    假定G2輸出為1，電容C充電，在充電開始VI1也為1。因此，該電壓經(jīng)Rp力口到G1輸入端，Gl輸出為O，電路穩(wěn)定工作，C繼續(xù)充電。充電電流隨著充電時間延長而減小，RF兩端電壓下降，若降到Gl的閾值電壓以下，則G1輸出變?yōu)?，G2輸出變?yōu)?，C反向充電。隨著充電的進行，VI1達到Gl的閾值電壓時，G1輸出變?yōu)?，G2的輸出變?yōu)?，該動作重復進行而產(chǎn)生振蕩。電容C的充放電時間分別為T1=RfC1h3，T2=RfC1n3，振蕩周期T=T1+T2=2RFC1h3≈2．2 RFC，輸出波形的占空比為50％。
    在電路的G1輸入端串接的保護電阻RP是為了減少電容C充放電過程中CMOS門電路輸入保護電路承受較大的電流沖擊，且Rp>>RF。
1．3 門電路無穩(wěn)態(tài)環(huán)形振蕩器
    利用門電路地傳輸延遲時間將奇數(shù)個反相器首尾相接可構成一個基本環(huán)形振蕩器，電路的振蕩周期為T=2ntpd，n為串聯(lián)反相器的個數(shù)。作為數(shù)字系統(tǒng)的時鐘信號源，由CMOS反相器構成的環(huán)形振蕩器具有結構簡單、集成度高、功耗低的優(yōu)點，因此得到了廣泛地應用。隨著CMOS集成電路工藝技術的發(fā)展，當前，其振蕩頻率已達到數(shù)+GHz。但是，這種利用反相器的延時特性構成的環(huán)形振蕩器，只能產(chǎn)生高頻信號。為了構成低頻和超低頻環(huán)形振蕩器，一種解決方法是在此電路的基礎上附加RC延遲環(huán)節(jié)，組成帶有RC延遲電路的環(huán)形振蕩器，電路如圖3(a)所示。另一種解決方法是根據(jù)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的延時作用，運用環(huán)形振蕩器的工作原理，構成低頻環(huán)形振蕩器，如圖6所示。

    當V12處發(fā)生負跳變時，經(jīng)過電容C使v13首先跳變到一個負電平，然后再從這個負電平開始對電容充電，從而增加了V13從開始充電到上升為VTH的時間，等于加大了v12到v13的傳輸延遲時間。通常RC電路產(chǎn)生的延遲時間遠 遠大于門電路本身的傳輸延遲時間，所以在計算振蕩周期時可以只考慮RC電路的作用而將門電路固有的傳輸延遲時間忽略不計。對于TTL門電路，假定VOH=3V，VTH=1．4V，則振蕩周期為T≈2．2RC。如果再電路中采用二極管和電阻組合來改變占空比，調(diào)解電位器RP，使電容c的充放電路徑的阻值在2~100kΩ之間變化，這樣，可使占空比在百分之幾至99％這樣寬的范圍內(nèi)變化。電路如圖3(b)所示。在數(shù)電實驗中，常用門電路串接為環(huán)形振蕩器的方法測量門電路的傳輸延遲時間。因為實際的門電路，輸入端加電壓，到輸出端作為其結果的輸出這個傳輸延遲時間是暫時穩(wěn)定的，將其狀態(tài)轉移到下一個門電路，利用這個原理可測試出圖3電路的傳輸時間tpd(T=2．3tpd)。由于門電路的傳輸延遲時間極短，TTL電路只有幾十納秒，CMOS電路也不過一二百納秒，該實驗如果用普通20M的模擬示波器實驗效果很差，很難測量到準確的結果，用60M以上的數(shù)字存儲示波器才能測得較準確的結果。如果用仿真的方法進行實驗，操作方便、結果直觀明了。所以在實驗中，對儀器要求較高的或較難做的實驗常常用仿真實驗的方法來進行。
1．4 采用施密特觸發(fā)器的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器
    利用施密特觸發(fā)器的回差特性可以構成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，電路如圖4(a)所示。當接通電源后，因為電容上的初始電壓為零，所以輸出為高電平，并開始經(jīng)電阻R向電容C充電。當充電到輸入電壓為vI=VT+時，輸出跳變?yōu)榈碗娖?，電容C又經(jīng)過電阻R開始放電。當放電至v1=VT-時，輸出電位又跳變?yōu)楦唠娖?，電容C重新開始充電。如此周而復始，電路便不停地振蕩。振蕩周期為仿真電路如圖4(c)所示。

    通過調(diào)節(jié)R和C的大小，即可以改變振蕩周期。此外在這個電路的基礎上稍加修改就能實現(xiàn)對輸出脈沖占空比的調(diào)節(jié)，電路如圖4(b)所示。在這個電路中，因為電容C的充電和放電分別經(jīng)過兩個電阻R2和Rl，所以只要改變R2和R1的比值，就能改變占空比。
1．5 用555定時器組成的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器
    用555電路可以組成施密特觸發(fā)器，利用施密特觸發(fā)器的回差特性，在電路的兩個輸入端與地之間接入充放電電容C并在輸出與輸入端之間接入反饋電阻Rf，就組成了一個直接反饋式多諧振蕩器，如圖5(a)所示。接通電源，電路在每次翻轉后的充放電過程就是它的暫穩(wěn)態(tài)時間，兩個暫穩(wěn)態(tài)時間分別為電容的充電時間Tl和放電時間T2。T1=O．69RfC，T2=0．69RfC，振蕩周期T=T1+T2，振蕩頻率f=1／T。
    改變R、C的值則可改變充放電時間，即改變電路的振蕩頻率f。
    直接反饋式多諧振蕩器的缺點是：由于通過輸出端向電容C充電，以及受負載因素的影響，會造成振蕩頻率的不穩(wěn)定。間接反饋式多諧振蕩器如圖5(b)所示，電路的工作過程不變，但它的工作性能得到很大改善。該電路充電時經(jīng)R1和R2兩只電阻，而放電時只經(jīng)R2一只電阻，兩個暫穩(wěn)態(tài)時間不相等，T1=0．69(R1+R2)C，T2=0．69R2C，振蕩周期T=Tl+T2=0．69(Rl+2R2)C，振蕩頻率f=1／T。如果將電路進行改進，接入二極管D1和D2，電路如圖5(c)所示，電容的充電電流和放電電流流經(jīng)不同的路徑，充電電流只流經(jīng)R1，放電電流只流經(jīng)R2，因此電容C的充放電時間分別為T1=0．69R1C，T2=0．69R2C，振蕩周期T=T1+T2=0．69(R1+R2)C，振蕩頻率f=1／T。若取R1=R2占空比為50％。

    555定時器是一種多用途的數(shù)字一模擬混合集成電路，使用靈活、方便，所以555定時器在波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制、家用電器、電子玩具等許多領域中都得到了應用。
1．6 石英晶體多諧振蕩器
    在某些對數(shù)字脈沖穩(wěn)定度要求較高的電路中，上述幾種多諧振蕩器所產(chǎn)生的脈沖很難滿足要求。這是因為上述振蕩電路中的振蕩頻率是由門電路輸入電壓上升到轉換電平所需要時間來決定的。由于受電源電壓、溫度變化以及某些干擾因素的影響，門電路的轉換時間不可能十分精確和穩(wěn)定。石英晶體多諧振蕩器是一種產(chǎn)生高穩(wěn)定度的脈沖振蕩器，它是在原多諧振蕩器的反饋回路中加入石英晶體諧振器而構成。
    由于石英晶體有極高的頻率穩(wěn)定性(頻率穩(wěn)定度可達10—10～10—11)，而且品質因數(shù)又高，因此它有極好的選頻特性。當外加電壓頻率等于石英晶體的固有頻率f0時，它的阻抗最小，頻率為f0的電壓信號最容易通過，并在電路中形成正反饋而使電路振蕩。石英晶體多諧振蕩器的振蕩頻率只取決于石英晶體的固有頻率f0，而與外接的R、C元件無關。

2 單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器
2．1 門電路構成的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器
    采用TTL門電路構成的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路如圖6所示。在G1的輸入端用Rl和R2進行鉗位，提高觸發(fā)靈敏度。

2．2 集成的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器
    鑒于單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的應用十分普遍，在TTL電路和3CMOS電路的產(chǎn)品中，都產(chǎn)生了單片集成的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器器件。使用這些器件時只需要很少的外接元件和連線，而且由于器件內(nèi)部電路一般還附加了上升沿與下降沿觸發(fā)的控制和置零等功能，使用極為方便。
2．2．1 單穩(wěn)型環(huán)形振蕩器的電路結構
    將各級單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖依次作為下一級觸發(fā)器的觸發(fā)輸入信號，再將末級的輸出信號反饋到第一級，作為第一級的觸發(fā)輸入信號，則可構成一種新型的環(huán)形振蕩器，即單穩(wěn)型環(huán)形振蕩器，電路如圖7(a)所示。

    根據(jù)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的延時作用，得到單穩(wěn)型環(huán)形振蕩器的工作波形，如圖7(b)所示。該振蕩器輸出信號的周期是：T=T1+T2+L+Tn，式中，T1(i=l，2，…，n)為各級單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)時間。
    當各級的暫穩(wěn)時間相同時，該電路就是一個典型的順序脈沖發(fā)生器，其工作波形與D觸發(fā)器構成的環(huán)形計數(shù)器完全相同。不同的是，環(huán)形計數(shù)器必須由時鐘脈沖驅動，電路輸出脈沖寬度與時鐘信號的周期相同，必須通過改變時鐘信號的頻率來改變輸出脈沖的寬度。而單穩(wěn)型環(huán)形振蕩器可以自動產(chǎn)生脈沖信號，可以通過改變單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的定時元件Rc的參數(shù)來調(diào)整脈沖寬度，因此調(diào)節(jié)方便。
2．2．2 集成單穩(wěn)型環(huán)形振蕩器的仿真
    采用Multisim8仿真軟件，選用集成7412l集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，其功能表如表1所示。由4片7412l構成的環(huán)形振蕩器如圖8所示。圖中Al、A2和B端是觸發(fā)輸入端，Q和Q是互補輸出端。設各單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器穩(wěn)態(tài)時輸出為低電平，暫穩(wěn)態(tài)輸出為高電平，觸發(fā)輸入脈沖為正沿觸發(fā)。由于74121輸入級為窄脈沖形成電路，故觸發(fā)輸入端不必加微分電路。該振蕩器輸出信號的周期是T=T1+T2+T3+T4，Ti(i=1、2、3、4)為各級單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)時間。Ti由定時元件RiCi(i=l、2、3、4)確定，其工程計算公式是：TI=0．7TiCi。電路可以提供4種不同占空比的同頻率矩形脈沖信號，其占空比分別為Ti／T(i=1、2、3、4)。改變定時電路的參數(shù)，可以調(diào)節(jié)振蕩頻率和占空比。由于單穩(wěn)態(tài)電路的暫穩(wěn)時間可以做到分鐘級甚至小時級，故單穩(wěn)型環(huán)形振蕩器可以產(chǎn)生超低頻脈沖信號。

2．2．3 集成單穩(wěn)型環(huán)形振蕩器的特點及應用
    由于單穩(wěn)型環(huán)形振蕩器實際上是一個沒有時鐘脈沖的順序脈沖發(fā)生器，因此它可以廣泛地用于異步型順序控制電路。當各級定時元件的參數(shù)相同時，輸出脈沖寬度相同的順序脈沖。當各級定時元件的參數(shù)不同時，輸出脈沖寬度各異的順序脈沖。這些順序脈沖可以控制單個對象的各個時段的不同工作狀態(tài)，也可以作為多個控制對象循環(huán)工作方式的控制信號。
    7412l單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在自暫穩(wěn)態(tài)返回的時刻，電路伴隨著強烈正反饋的物理過程，構成環(huán)形振蕩器時，起振容易。由于有足夠的恢復時間，有利于振蕩頻率的穩(wěn)定。只要選擇高穩(wěn)定度的定時元件，單穩(wěn)電路就具有高穩(wěn)定度的脈沖寬度。同時，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在級聯(lián)時，電路不存在前后級互相牽扯的問題，因此，單穩(wěn)型環(huán)形振蕩器具有比較高的頻率穩(wěn)定度。又由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器容易被觸發(fā)翻轉，構成環(huán)形電路后，只要給一個啟動控制信號，電路便可以進人振蕩狀態(tài)。這種電路具有結構簡單、成本低、安裝調(diào)試方便的特點，作為順序脈沖發(fā)生器和超低頻多諧振蕩器有比較廣闊的應用前景。