8.1 多谐振荡器
本次重点内容：
1、多谐振荡器的工作原理。 2、周期的计算方法。 教学过程
一、 多谐振荡器特点
1．多谐振荡器没有稳定状态，只有两个暂稳态。
2．通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，从而产生自激振荡，无需外触发。 3．输出周期性的矩形脉冲信号，由于含有丰富的谐波分量，故称作多谐振荡器。 二、电路组成
电路如图8.1 (a) 所示 , 定时元件除电容 C 之外 , 还有两个电阻 R1 和 R2 将高、低电平触发端 ( ⑥、②脚 ) 短接后连接到 C 与 R2 的连接处 , 将放电端 ( ⑦脚 ) 接到 R1与R2的连接处
u
2/3VD D
D D
0 t
u 0
12
t
图8.1 (a) 电路组成 (b) 工作波形
三、工作原理
接通电源瞬间 t =to 时 , 电容 C 来不及充电 ,u c 为低电平 , 此时 ,555 定时器内 R =0,S=1, 触发器置 1, 即 Q =1, 输出u o 为高电平。同时由于Q =0, 放电管 V 截止 , 电容 C 开始充电 , 电路进 入暂稳态。
一般多谐振荡器的工作过程可分为以下四个阶段 ( 见图 (b)):
(1) 暂稳态 I(O~t l) : 电容 C 充电 , 充电回路为 VDD → R1 → R2 → C →地 ,
充电时间常数为 为τ1=(R1+R2)C, 电容 C 上的电压 u c 随时间 t 按指数规律上升 , 此阶段内输出电压 uo 稳定在高电平。
(2) 自动翻转 I(t＝tl): 当电容上的电压 uc 上升到了
23
VDD 时 , 由于 555
定时器内 S=0,R=1, 使触发器状态Q 由 1 变为 0, Q 由0变成 1, 输出电压 uo由高电平跳变为低电平 , 电容 C 中止充电。
(3) 暂稳态 Ⅱ (t1~t2): 由于此刻Q ==1, 因此放电管 V 饱和导通 , 电容 C 放电 , 放电回路为 C → R2 →放电管 V →地 , 放电时间常数τ2=R2C( 忽略 V 管的饱和电阻 ), 电容电压 u c 按指数规律下降 , 同时使输出维持在低电平上。
(4) 自动翻转Ⅱ(t=t2): 当电容上的电压 uc下降到了 VDD 时 , 由于 555 定时
31
器内 S=1,R=0, 使触发器状态Q 由0 变为 1, Q 由1变成0, 输出电压u o 由低电平跳变到高电平 , 电容 C 中止放电。
由于Q =0, 放电管截止 , 电容 C 又开始充电 , 进入暂稳态 I。
以后 , 电路重复上述过程 , 电路没有稳态 , 只有两个暂稳态 , 它们交替变化 ,
输出连续的矩形波脉冲信号 四、主要参数
两个暂稳态维持时间 T1 和 T2 的计算公式如下： T 1 ＝τ1ln2=0.7(R1+R2)C T 2 ＝0.7R 2C
振荡周期： T= T 1 + T2 ＝0.7(R1+2R2)C 振荡频率 ： f =1/T
占空比 D=
T1T2
=
0. （7R 1+R 2) C 0. 7(R 1+2R 2) C
=
R 1+R 2R 1+2R 2
例题：试分析图23－2所示的占空比可调多谐振荡器的工作原理，并求振荡频率f 和占空
比D 。
2
图8.2 占空比可调多谐振荡器
u O
解：当555定时器输出高电平时，放电管V 截止，电源V DD 对电容C 充电，此时充电回路为：V DD → R1 → RP1→ D1 → C →地，充电时间常数：τ1=(R1+RP1)C 。
当电容电压充电到u c=V DD 时，定时器输出变为低电平，放电管V 导通，电容C 开
32
始放电，放电回路为C → R2 →D 2→R P2 → 放电管V →地，充电时间常数τ2=(R2+RP2)C 。 当电容电压充电到u c=V DD 时，定时器输出变为高电平，放电管V 截止，电容C 又
31
开始充电，如此循环下去便可稳定地输出矩形波。 两个暂稳态的持续时间分别为 t 1=0.7(R1+RP1)C t 2=0.7(R2+RP2)C
振荡周期T 为：T=t 1+t 2=0.7(R 1+R2+RP )C 振荡频率f =
1T
=
1
0. （7R 1+R 2+R P ) C
占空比为D=
t 1T
=
R 1+R P 1R 1+R 2+R P
其中R P ＝R P1+ RP2
该电路通过调节可变电阻，可实现调节正脉冲的宽度，此电路称为占空比可调的
振荡电路，当R 1+RP1=R2+RP2时，D=, 即输出对称矩形波
2
1
五、 石英晶体多谐振荡器
前面介绍的多谐振荡器的一个共同特点就是振荡频率不稳定，容易受温度、电源电压波动和RC 参数误差的影响。而在数字系统中，矩形脉冲信号常用作时钟信号来控制和协调整个系统的工作。因此，控制信号频率不稳定会直接影响到系统的工作，显然，前面讨论的多谐振荡器是不能满足要求的，必须采用频率稳定度很高的石英晶体多谐振荡器。
石英晶体具有很好的选频特性。当振荡信号的频率和石英晶体的固有谐振频率 相同时，石英晶体呈现很低的阻抗，信号很容易通过，而其它频率的信号则被衰减掉。因此，将石英晶体串接在多谐振荡器的回路中就可组成石英晶体振荡器，这时，振荡频率只取决于石英晶体的固有谐振频率f 0，而与RC 无关。另外，石英晶体不但频率特性稳定，而且品质因数Q 很高，有极好的选频特性。石英晶体的频率稳定度可达，可满足大多数数字系统对频率稳定度的要求。
X TA
L C
图8.3 石英晶体多谐振荡器 图8.4 石英晶体的电抗频率特性
六、应用举例：
1、液位报警器：生产实践中，往往需要对容器中的液位有一定限制，以防止事故的发生。如图23－5是一种液位报警器的电路图，有一对探测电极浸入液池中，当液位过低时，会自动发出报警声。
图8..5 液位报警器
工作原理如下：
555定时器接成多谐振荡器。在液位正常时，探测电极使电容C2短路，电容不能充电和放电，因此多谐振荡器不能正常工作，③脚输出高电平，扬声器不发声。当液面低于电极以下时， 探测电极开路，多谐振荡器正常工作。③脚输出一定频率的矩形脉冲，扬声器发出报警声，提示液位过低。
该电路只适用在导电液体情况下。调节电位器R P ，可改变输出声音的频率。 作业 3，4
扬声器
8O
+V c c
石英晶体稳频的多谐振荡器
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精度已不能满足要求。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脚的最近处，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 调到最大时，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。
8.1 多谐振荡器
本次重点内容：
1、多谐振荡器的工作原理。 2、周期的计算方法。 教学过程
一、 多谐振荡器特点
1．多谐振荡器没有稳定状态，只有两个暂稳态。
2．通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，从而产生自激振荡，无需外触发。 3．输出周期性的矩形脉冲信号，由于含有丰富的谐波分量，故称作多谐振荡器。 二、电路组成
电路如图8.1 (a) 所示 , 定时元件除电容 C 之外 , 还有两个电阻 R1 和 R2 将高、低电平触发端 ( ⑥、②脚 ) 短接后连接到 C 与 R2 的连接处 , 将放电端 ( ⑦脚 ) 接到 R1与R2的连接处
u
2/3VD D
D D
0 t
u 0
12
t
图8.1 (a) 电路组成 (b) 工作波形
三、工作原理
接通电源瞬间 t =to 时 , 电容 C 来不及充电 ,u c 为低电平 , 此时 ,555 定时器内 R =0,S=1, 触发器置 1, 即 Q =1, 输出u o 为高电平。同时由于Q =0, 放电管 V 截止 , 电容 C 开始充电 , 电路进 入暂稳态。
一般多谐振荡器的工作过程可分为以下四个阶段 ( 见图 (b)):
(1) 暂稳态 I(O~t l) : 电容 C 充电 , 充电回路为 VDD → R1 → R2 → C →地 ,
充电时间常数为 为τ1=(R1+R2)C, 电容 C 上的电压 u c 随时间 t 按指数规律上升 , 此阶段内输出电压 uo 稳定在高电平。
(2) 自动翻转 I(t＝tl): 当电容上的电压 uc 上升到了
23
VDD 时 , 由于 555
定时器内 S=0,R=1, 使触发器状态Q 由 1 变为 0, Q 由0变成 1, 输出电压 uo由高电平跳变为低电平 , 电容 C 中止充电。
(3) 暂稳态 Ⅱ (t1~t2): 由于此刻Q ==1, 因此放电管 V 饱和导通 , 电容 C 放电 , 放电回路为 C → R2 →放电管 V →地 , 放电时间常数τ2=R2C( 忽略 V 管的饱和电阻 ), 电容电压 u c 按指数规律下降 , 同时使输出维持在低电平上。
(4) 自动翻转Ⅱ(t=t2): 当电容上的电压 uc下降到了 VDD 时 , 由于 555 定时
31
器内 S=1,R=0, 使触发器状态Q 由0 变为 1, Q 由1变成0, 输出电压u o 由低电平跳变到高电平 , 电容 C 中止放电。
由于Q =0, 放电管截止 , 电容 C 又开始充电 , 进入暂稳态 I。
以后 , 电路重复上述过程 , 电路没有稳态 , 只有两个暂稳态 , 它们交替变化 ,
输出连续的矩形波脉冲信号 四、主要参数
两个暂稳态维持时间 T1 和 T2 的计算公式如下： T 1 ＝τ1ln2=0.7(R1+R2)C T 2 ＝0.7R 2C
振荡周期： T= T 1 + T2 ＝0.7(R1+2R2)C 振荡频率 ： f =1/T
占空比 D=
T1T2
=
0. （7R 1+R 2) C 0. 7(R 1+2R 2) C
=
R 1+R 2R 1+2R 2
例题：试分析图23－2所示的占空比可调多谐振荡器的工作原理，并求振荡频率f 和占空
比D 。
2
图8.2 占空比可调多谐振荡器
u O
解：当555定时器输出高电平时，放电管V 截止，电源V DD 对电容C 充电，此时充电回路为：V DD → R1 → RP1→ D1 → C →地，充电时间常数：τ1=(R1+RP1)C 。
当电容电压充电到u c=V DD 时，定时器输出变为低电平，放电管V 导通，电容C 开
32
始放电，放电回路为C → R2 →D 2→R P2 → 放电管V →地，充电时间常数τ2=(R2+RP2)C 。 当电容电压充电到u c=V DD 时，定时器输出变为高电平，放电管V 截止，电容C 又
31
开始充电，如此循环下去便可稳定地输出矩形波。 两个暂稳态的持续时间分别为 t 1=0.7(R1+RP1)C t 2=0.7(R2+RP2)C
振荡周期T 为：T=t 1+t 2=0.7(R 1+R2+RP )C 振荡频率f =
1T
=
1
0. （7R 1+R 2+R P ) C
占空比为D=
t 1T
=
R 1+R P 1R 1+R 2+R P
其中R P ＝R P1+ RP2
该电路通过调节可变电阻，可实现调节正脉冲的宽度，此电路称为占空比可调的
振荡电路，当R 1+RP1=R2+RP2时，D=, 即输出对称矩形波
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1
五、 石英晶体多谐振荡器
前面介绍的多谐振荡器的一个共同特点就是振荡频率不稳定，容易受温度、电源电压波动和RC 参数误差的影响。而在数字系统中，矩形脉冲信号常用作时钟信号来控制和协调整个系统的工作。因此，控制信号频率不稳定会直接影响到系统的工作，显然，前面讨论的多谐振荡器是不能满足要求的，必须采用频率稳定度很高的石英晶体多谐振荡器。
石英晶体具有很好的选频特性。当振荡信号的频率和石英晶体的固有谐振频率 相同时，石英晶体呈现很低的阻抗，信号很容易通过，而其它频率的信号则被衰减掉。因此，将石英晶体串接在多谐振荡器的回路中就可组成石英晶体振荡器，这时，振荡频率只取决于石英晶体的固有谐振频率f 0，而与RC 无关。另外，石英晶体不但频率特性稳定，而且品质因数Q 很高，有极好的选频特性。石英晶体的频率稳定度可达，可满足大多数数字系统对频率稳定度的要求。
X TA
L C
图8.3 石英晶体多谐振荡器 图8.4 石英晶体的电抗频率特性
六、应用举例：
1、液位报警器：生产实践中，往往需要对容器中的液位有一定限制，以防止事故的发生。如图23－5是一种液位报警器的电路图，有一对探测电极浸入液池中，当液位过低时，会自动发出报警声。
图8..5 液位报警器
工作原理如下：
555定时器接成多谐振荡器。在液位正常时，探测电极使电容C2短路，电容不能充电和放电，因此多谐振荡器不能正常工作，③脚输出高电平，扬声器不发声。当液面低于电极以下时， 探测电极开路，多谐振荡器正常工作。③脚输出一定频率的矩形脉冲，扬声器发出报警声，提示液位过低。
该电路只适用在导电液体情况下。调节电位器R P ，可改变输出声音的频率。 作业 3，4
扬声器
8O
+V c c
石英晶体稳频的多谐振荡器
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精度已不能满足要求。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脚的最近处，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 调到最大时，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。