电子说
一、多谐振荡器
与前文所述的LC振荡器不同,多谐振荡器(Multivibrator)产生的振荡波形不限于正弦波,还能是方波、锯齿波、三角波、脉冲波等等波形……
多谐振荡器的应用非常广泛,譬如,驾车时打开一闪一闪的转向灯,就是由多谐振荡器实现的:
从振荡的状态来说,多谐振荡器可以分为三个类别:
图2-多谐振荡器的类别(Multivibrator)
以下,主要介绍非稳态多谐振荡器(弛张振荡器)。
二、关于“非稳态/张弛”振荡器的形象类比
对于“非稳态/张弛”振荡器,我们可以用“跷跷板与水桶”的例子来做个类比:
图3-跷跷板与水桶
上述跷跷板的左倾和右倾,代表两个状态,系统在这两个状态中徘徊,无法稳定在其中一个。不过这是一个机械设备构成的系统,要落实到电子世界里,如何实现呢?
图4-非稳态/弛张振荡器的工作方式类比
可以想到:代替“水桶”的是电容,“灌水”就是充电,“重物M”是个参考电压,而“跷跷板”由比较器(运放)来实现!
三、基于运放的“非稳态/张弛”振荡器
我们构建电路图如下:
图5-基于运放的非稳态/张弛振荡器电路图
运放的输入两端是a和b,a是由运放输出分压获得,b连接电容。运放的输出端是c。
图6-输出信号与电容时序图
运放的输出在﹢V0和﹣V0两个状态中切换变换,这是因为:
振荡频率有涉及公式计算,在此不列出,但可想而知与电容、电阻的值有关系。
四、基于三极管的“非稳态/张弛”振荡器
基于三极管的非稳态/张弛振荡器设计非常巧妙,它由两路R、C、三极管构成,其中,一路C会控制另一路上三极管的导通与截止:
图7-基于三极管的非稳态/张弛振荡器电路图
两个三极管的集电极作为输出——Out1和Out2,两个输出端信号互为反相,实现两个状态之间振荡。如果Out1和Out2分别接两个LED,两个LED就会交替闪烁:
图8-TR1和TR2三极管的集电极输出信号波形
工作原理有几个要点如下:
现在假设TR1截止,TR2导通:
我们看TR1三极管,能看到基极能出现负电压,这源于“电容两端电压不能突变”的原则:
图9-TR1三极管的基极和集电极信号波形
振荡频率计算公式也不列出了,各位可以查一下课本资料。
最后我们来看一下仿真效果和实验效果:
图10-基于三极管的非稳态/张弛振荡器仿真效果
图11-基于三极管的非稳态/张弛振荡器实验效果
五、小结
今天介绍的是一种简单的非稳态多谐振荡器,它可以产生方波,但如果需要精确的控制时序脉冲,需要通过一颗非常经典的IC来实现——555计时器(555 Timer)。
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