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。