什么是多谐振荡器?关于“非稳态/张弛”振荡器的形象类比

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描述

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:

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图2-多谐振荡器的类别(Multivibrator)

  • 非稳态多谐振荡器(Astable Multivibrator):不需要输入信号来触发(自激)。对于输出信号,有两种状态,但不管哪个状态都不稳定,总是从一个状态转变到另一个状态,一张一弛,所以又称为“弛张振荡器”(Relaxation Oscillator)。
  • 单稳态多谐振荡器(Monostable Multivibrator):需要输入信号来触发。触发后,输出信号处于非稳态,但持续一段时间后还是会回到稳态。这种电路可以用于延时、消除抖动等。
  • 双稳态多谐振荡器(Bistable Multivibrator):需要输入信号来触发。触发后,输出信号由一个稳态转变到另一个稳态。这种电路是Memory的基础,有待日后分析。

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:

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图3-跷跷板与水桶

  • 初始的时候,跷跷板左边是重物M,右侧是水桶;水桶为空,故而跷跷板向左倾斜;
  • 然后是一个持续给水桶灌水的过程;
  • 随着水桶里的水增多,在某个时刻,水桶重量大于重物M;跷跷板向右倾斜,水桶打翻;
  • 水桶打翻后,水桶重量再次小于重物M,跷跷板向左倾斜,回归到初始状态,周而复始;

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?

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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:

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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。

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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:

  • 当a大于b,运放输出高电平,即c为高;
  • 由于c为高,c通过电阻对电容进行充电,随着电容充电,b电压上升;
  • 当b大于a,运放输出低电平,即c为低;
  • 由于c为低,电容通过电阻进行放电,随着电容放电,b电压下降,并重新回到第1步;

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:

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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:

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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:

  • 三极管工作于导通和截止状态,导通时集电极接近0V,截止时集电极接近VCC;
  • 电容两端电压不能突变,假设电容左-右两端电压压差为D,如果右端为0V,则左端为(0+D)V,如果右端瞬间由0V变为-10V,则左端电压就是(-10+D)V。

现在假设TR1截止,TR2导通:

  • VCC经过R1、C1、TR2基极、TR2发射极,向C1从左至右充电;同时,VCC通过R3、C2、TR2集电极、TR2发射极,向C2从左至右充电;
  • 当C2从左至右大于0.6V,TR1导通,TR1集电极为0V,这使得C1左端为0V,由于之前C1是从左至右充电,即左端电压大于右端,现在左端为0V,意味着右端为负,这会瞬间关闭TR2基极-发射极回路,使得TR2截止;
  • 系统进入TR1导通,TR2截止的状态,并周而复始。

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:

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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:

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图10-基于三极管的非稳态/张弛振荡器仿真效果

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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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