自激多谐振荡器工作原理及实验

    本文着重介绍了自激多谐振荡器的电路仿真过程。首先阐明了对称的自激多谐振荡器的工作原理；其次应用电路仿真软件Multisim10对自激多谐振荡器进行了简捷的仿真分析；以脉冲信号发生器为例说明了自激多谐振荡器的应用问题。

    自激多谐振荡器又称为无稳态振荡电路，这种类型的电路在没有外加触发信号的情况下能够连续的、周期性的自动产生矩形脉冲。所产生的矩形脉冲是由基波和多次谐波叠加构成，故将此类电路称为多谐振荡电路。此类电路在生产生活的许多领域中有着广泛的应用。

    一、原理

    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、 非对称型多谐振荡器

    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

    tw1═RC　 tw2═1.2RC T═2.2RC

    调节 R和C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。

    2、对称型多谐振荡器

    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。

    3、带RC电路的环形振荡器

    电路如图12－3所示，非门4用于输出波形整形，R为限流电阻，一般取100Ω，电位器Rw 要求≤1KΩ，电路利用电容C的充放电过程，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

    4、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。

    六、实验

    1、 画出实验电路，整理实验数据与理论值进行比较

    2、 用方格纸画出实验观测到的工作波形图，对实验结果进行分析。