多谐振荡器的研究与仿真

摘要：分析了各种多谐振荡器的电路结构及工作原理，并利用Multisiml0．0对部分电路进行了仿真，重点介绍了单稳型多谐振荡器，讨论集成单稳态触发器74121定时元件RC对暂稳态的影响以及单稳型多谐振荡器的应用。Multisim软件是一种形象化的虚拟仪器电路仿真软件，它能比较快速地模拟、分析、验证所设计电路的性能，在课堂教学中引入EDA技术，使传统教学环节与先进的仿真技术相结合，实现授课的生动性和灵活性，增强学生对基本概念的理解，激发学生的学习兴趣，培养并有效提高学生综合分析、应用及创新能力。
关键字：Multisiml0．O；多谐振荡器；555定时器；施密特触发器；环形振荡器

O 引言
    在数字系统电路中经常用到多谐振荡器。多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源以后，不需要外加触发信号便能自行产生一定频率和一定宽度的矩形波，这一输出波形用于电路中的时钟信号源。由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量，所以习惯上又将矩形波振荡器称为多谐振荡器。按照电路的工作原理，多谐振荡器大致分为无稳态多谐振荡器和单稳态多谐振荡器。

1 无稳态多谐振荡器
1．1 采用TTL门电路构成的对称式无稳态多谐振荡器
    对称式多谐振荡器的典型电路如图1所示，它是由两个反相器Gl、G2经耦合电容C1、C2连接起来的正反馈振荡电路。电路中G1和G2采用SN74LS04N反相器，RFl=RF2=RF，C1=C2=C，振荡周期T≈1．3RFC，输出波形的占空比约为50％。RF1、RF2的阻值对于LSTTL为470 Ω～3．9kΩ，对于标准TTL为0．5～1．9kΩ之间。

1．2 采用CMOS门电路构成的非对称式无稳态多谐振荡器
    如果把对称式多谐振荡器电路进一步简化，去掉C1和R2，在反馈环路中保留电容C2，电路仍然没有稳定状态，只能在两个暂稳态之问往复振荡，电路如图2所示。

    假定G2输出为1，电容C充电，在充电开始VI1也为1。因此，该电压经Rp力口到G1输入端，Gl输出为O，电路稳定工作，C继续充电。充电电流随着充电时间延长而减小，RF两端电压下降，若降到Gl的阈值电压以下，则G1输出变为1，G2输出变为0，C反向充电。随着充电的进行，VI1达到Gl的阈值电压时，G1输出变为0，G2的输出变为1，该动作重复进行而产生振荡。电容C的充放电时间分别为T1=RfC1h3，T2=RfC1n3，振荡周期T=T1+T2=2RFC1h3≈2．2 RFC，输出波形的占空比为50％。
    在电路的G1输入端串接的保护电阻RP是为了减少电容C充放电过程中CMOS门电路输入保护电路承受较大的电流冲击，且Rp>>RF。
1．3 门电路无稳态环形振荡器
    利用门电路地传输延迟时间将奇数个反相器首尾相接可构成一个基本环形振荡器，电路的振荡周期为T=2ntpd，n为串联反相器的个数。作为数字系统的时钟信号源，由CMOS反相器构成的环形振荡器具有结构简单、集成度高、功耗低的优点，因此得到了广泛地应用。随着CMOS集成电路工艺技术的发展，当前，其振荡频率已达到数+GHz。但是，这种利用反相器的延时特性构成的环形振荡器，只能产生高频信号。为了构成低频和超低频环形振荡器，一种解决方法是在此电路的基础上附加RC延迟环节，组成带有RC延迟电路的环形振荡器，电路如图3(a)所示。另一种解决方法是根据单稳态触发器的延时作用，运用环形振荡器的工作原理，构成低频环形振荡器，如图6所示。

    当V12处发生负跳变时，经过电容C使v13首先跳变到一个负电平，然后再从这个负电平开始对电容充电，从而增加了V13从开始充电到上升为VTH的时间，等于加大了v12到v13的传输延迟时间。通常RC电路产生的延迟时间远 远大于门电路本身的传输延迟时间，所以在计算振荡周期时可以只考虑RC电路的作用而将门电路固有的传输延迟时间忽略不计。对于TTL门电路，假定VOH=3V，VTH=1．4V，则振荡周期为T≈2．2RC。如果再电路中采用二极管和电阻组合来改变占空比，调解电位器RP，使电容c的充放电路径的阻值在2~100kΩ之间变化，这样，可使占空比在百分之几至99％这样宽的范围内变化。电路如图3(b)所示。在数电实验中，常用门电路串接为环形振荡器的方法测量门电路的传输延迟时间。因为实际的门电路，输入端加电压，到输出端作为其结果的输出这个传输延迟时间是暂时稳定的，将其状态转移到下一个门电路，利用这个原理可测试出图3电路的传输时间tpd(T=2．3tpd)。由于门电路的传输延迟时间极短，TTL电路只有几十纳秒，CMOS电路也不过一二百纳秒，该实验如果用普通20M的模拟示波器实验效果很差，很难测量到准确的结果，用60M以上的数字存储示波器才能测得较准确的结果。如果用仿真的方法进行实验，操作方便、结果直观明了。所以在实验中，对仪器要求较高的或较难做的实验常常用仿真实验的方法来进行。
1．4 采用施密特触发器的无稳态多谐振荡器
    利用施密特触发器的回差特性可以构成无稳态多谐振荡器，电路如图4(a)所示。当接通电源后，因为电容上的初始电压为零，所以输出为高电平，并开始经电阻R向电容C充电。当充电到输入电压为vI=VT+时，输出跳变为低电平，电容C又经过电阻R开始放电。当放电至v1=VT-时，输出电位又跳变为高电平，电容C重新开始充电。如此周而复始，电路便不停地振荡。振荡周期为仿真电路如图4(c)所示。

    通过调节R和C的大小，即可以改变振荡周期。此外在这个电路的基础上稍加修改就能实现对输出脉冲占空比的调节，电路如图4(b)所示。在这个电路中，因为电容C的充电和放电分别经过两个电阻R2和Rl，所以只要改变R2和R1的比值，就能改变占空比。
1．5 用555定时器组成的无稳态多谐振荡器
    用555电路可以组成施密特触发器，利用施密特触发器的回差特性，在电路的两个输入端与地之间接入充放电电容C并在输出与输入端之间接入反馈电阻Rf，就组成了一个直接反馈式多谐振荡器，如图5(a)所示。接通电源，电路在每次翻转后的充放电过程就是它的暂稳态时间，两个暂稳态时间分别为电容的充电时间Tl和放电时间T2。T1=O．69RfC，T2=0．69RfC，振荡周期T=T1+T2，振荡频率f=1／T。
    改变R、C的值则可改变充放电时间，即改变电路的振荡频率f。
    直接反馈式多谐振荡器的缺点是：由于通过输出端向电容C充电，以及受负载因素的影响，会造成振荡频率的不稳定。间接反馈式多谐振荡器如图5(b)所示，电路的工作过程不变，但它的工作性能得到很大改善。该电路充电时经R1和R2两只电阻，而放电时只经R2一只电阻，两个暂稳态时间不相等，T1=0．69(R1+R2)C，T2=0．69R2C，振荡周期T=Tl+T2=0．69(Rl+2R2)C，振荡频率f=1／T。如果将电路进行改进，接入二极管D1和D2，电路如图5(c)所示，电容的充电电流和放电电流流经不同的路径，充电电流只流经R1，放电电流只流经R2，因此电容C的充放电时间分别为T1=0．69R1C，T2=0．69R2C，振荡周期T=T1+T2=0．69(R1+R2)C，振荡频率f=1／T。若取R1=R2占空比为50％。

    555定时器是一种多用途的数字一模拟混合集成电路，使用灵活、方便，所以555定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。
1．6 石英晶体多谐振荡器
    在某些对数字脉冲稳定度要求较高的电路中，上述几种多谐振荡器所产生的脉冲很难满足要求。这是因为上述振荡电路中的振荡频率是由门电路输入电压上升到转换电平所需要时间来决定的。由于受电源电压、温度变化以及某些干扰因素的影响，门电路的转换时间不可能十分精确和稳定。石英晶体多谐振荡器是一种产生高稳定度的脉冲振荡器，它是在原多谐振荡器的反馈回路中加入石英晶体谐振器而构成。
    由于石英晶体有极高的频率稳定性(频率稳定度可达10—10～10—11)，而且品质因数又高，因此它有极好的选频特性。当外加电压频率等于石英晶体的固有频率f0时，它的阻抗最小，频率为f0的电压信号最容易通过，并在电路中形成正反馈而使电路振荡。石英晶体多谐振荡器的振荡频率只取决于石英晶体的固有频率f0，而与外接的R、C元件无关。

2 单稳态多谐振荡器
2．1 门电路构成的单稳态多谐振荡器
    采用TTL门电路构成的单稳态多谐振荡电路如图6所示。在G1的输入端用Rl和R2进行钳位，提高触发灵敏度。

2．2 集成的单稳态多谐振荡器
    鉴于单稳态多谐振荡器的应用十分普遍，在TTL电路和3CMOS电路的产品中，都产生了单片集成的单稳态多谐振荡器器件。使用这些器件时只需要很少的外接元件和连线，而且由于器件内部电路一般还附加了上升沿与下降沿触发的控制和置零等功能，使用极为方便。
2．2．1 单稳型环形振荡器的电路结构
    将各级单稳态触发器的输出脉冲依次作为下一级触发器的触发输入信号，再将末级的输出信号反馈到第一级，作为第一级的触发输入信号，则可构成一种新型的环形振荡器，即单稳型环形振荡器，电路如图7(a)所示。

    根据单稳态触发器的延时作用，得到单稳型环形振荡器的工作波形，如图7(b)所示。该振荡器输出信号的周期是：T=T1+T2+L+Tn，式中，T1(i=l，2，…，n)为各级单稳态触发器的暂稳时间。
    当各级的暂稳时间相同时，该电路就是一个典型的顺序脉冲发生器，其工作波形与D触发器构成的环形计数器完全相同。不同的是，环形计数器必须由时钟脉冲驱动，电路输出脉冲宽度与时钟信号的周期相同，必须通过改变时钟信号的频率来改变输出脉冲的宽度。而单稳型环形振荡器可以自动产生脉冲信号，可以通过改变单稳态触发器的定时元件Rc的参数来调整脉冲宽度，因此调节方便。
2．2．2 集成单稳型环形振荡器的仿真
    采用Multisim8仿真软件，选用集成7412l集成单稳态触发器，其功能表如表1所示。由4片7412l构成的环形振荡器如图8所示。图中Al、A2和B端是触发输入端，Q和Q是互补输出端。设各单稳态触发器稳态时输出为低电平，暂稳态输出为高电平，触发输入脉冲为正沿触发。由于74121输入级为窄脉冲形成电路，故触发输入端不必加微分电路。该振荡器输出信号的周期是T=T1+T2+T3+T4，Ti(i=1、2、3、4)为各级单稳态触发器的暂稳时间。Ti由定时元件RiCi(i=l、2、3、4)确定，其工程计算公式是：TI=0．7TiCi。电路可以提供4种不同占空比的同频率矩形脉冲信号，其占空比分别为Ti／T(i=1、2、3、4)。改变定时电路的参数，可以调节振荡频率和占空比。由于单稳态电路的暂稳时间可以做到分钟级甚至小时级，故单稳型环形振荡器可以产生超低频脉冲信号。

2．2．3 集成单稳型环形振荡器的特点及应用
    由于单稳型环形振荡器实际上是一个没有时钟脉冲的顺序脉冲发生器，因此它可以广泛地用于异步型顺序控制电路。当各级定时元件的参数相同时，输出脉冲宽度相同的顺序脉冲。当各级定时元件的参数不同时，输出脉冲宽度各异的顺序脉冲。这些顺序脉冲可以控制单个对象的各个时段的不同工作状态，也可以作为多个控制对象循环工作方式的控制信号。
    7412l单稳态触发器在自暂稳态返回的时刻，电路伴随着强烈正反馈的物理过程，构成环形振荡器时，起振容易。由于有足够的恢复时间，有利于振荡频率的稳定。只要选择高稳定度的定时元件，单稳电路就具有高稳定度的脉冲宽度。同时，单稳态触发器在级联时，电路不存在前后级互相牵扯的问题，因此，单稳型环形振荡器具有比较高的频率稳定度。又由于单稳态触发器容易被触发翻转，构成环形电路后，只要给一个启动控制信号，电路便可以进人振荡状态。这种电路具有结构简单、成本低、安装调试方便的特点，作为顺序脉冲发生器和超低频多谐振荡器有比较广阔的应用前景。