多谐振荡器输出的波形是什么

实验十九　多谐振荡器

一、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．了解石英晶体稳频的原理和使用石英晶体构成振荡器的方法。

二、实验原理

多谐振荡器是一种自激振荡电路，该电路在接通电源后无需外接触发信号就能产生一定频率和幅值的矩形脉冲或方波。由于多谐振荡器在工作过程中不存在稳定状态，故又称为无稳态电路。与非门作为一个开关倒相器件，可用以构成各种脉冲波形的产生电路。电路的基本工作原理是利用电容的充放电，当输入电压达到与非门的阀值电压V_T时，门的输出状态即发生变化。因此，电路输出的脉冲波形参数直接取决于电路中阻容元件的数值。

1．非对称型多谐振荡器

如图6－88所示，非门G₃用于输出波形整形。

非对称型多谐振荡器的输出波形是不对称的，我们用t_w1、t_w2、T分别表示充电时间、放电时间、脉冲周期。当用TTL与非门组成时，它们为：

t_w1＝RC t_w2＝1．2RC T＝2．2RC

调节R与C的值，可改变输出信号的振荡频率，通常用改变C实现输出频率的粗调，改变电位器R实现输出频率的细调。

图6－88　非对称型多谐振荡器

图6－89　对称型多谐振荡器

2．对称型多谐振荡器

如上图6－89所示，设刚开始t＝0时接通电源，电容尚未充电，此时电路的状态为第一暂稳态。随着时间的增长，电容不断充电，V_A不断增大，直到阀值电压V_T时，电路发生下述正反馈过程：

而后，电容充满电后开始放电，电路又发生下述正反馈过程：

其中，当G₁截止G₂导通的瞬间，电路为第二暂稳态。如此，电路将不停地在两个暂稳态之间往复振荡。

由于电路完全对称，电容器的充放电时间常数相同，故输出为对称的方波。改变R和C的值，可改变输出信号的振荡频率。如输出端加一非门，可实现输出波形整形。

一般取R≤1kΩ，当R＝1kΩ，C＝100pF～100μF时，f＝n～n MHz，脉冲宽度t_w1＝t_w2＝0．7RC，T＝1．4RC。

3．带RC电路的环形振荡器

图6－90　带RC电路的环形振荡器

电路如图6－90所示。其中G₄用于整形，以改善输出波形，R为限流电阻，一般取100Ω，电位器R_W要求不大于1kΩ。电路利用电容C充放电过程，控制D点电压V_D，从而控制与非门的自动启闭，形成多谐振荡，电容C的充电时间t_w1、放电时间t_w2和总的振荡周期T分别为：

t_w1≈0．94RC，t_w2≈1．26RC，T≈2．2RC

调节R和C的值，可改变输出信号的振荡频率。

以上这些电路的状态转换都发生在与非门输入电平达到门的阀值电平V_T的时刻。在V_T附近电容器的充放电速度已经很缓慢，而且V_T本身也不够稳定，易受温度、电源电压变化等因素以及干扰的影响。因此，电路输出频率的稳定性较差。

4．石英晶体振荡器

石英晶体的选频特性非常好，它有一个极为稳定的串联谐振频率，而且等效品质因素很高。只有频率等于串联谐振频率的信号最容易通过，而其他频率的信号均会被晶体所衰减。

图6－91　常用的晶体稳频多谐振荡器

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6－91使用TTL器件和常用的晶体稳频多谐振荡器。

三、实验设备与器材

1．数字逻辑电路实验箱。

2．双踪示波器，频率计，数字万用表，脉冲源。

3．芯片74LS00（或CC4011）、晶振4MHz。

4．电位器、电阻、电容若干。

四、实验内容及实验步骤（使用实验箱中的硬件资源在电路板上搭建电路实现如下内容）

1．与非门74LS00按图6－88构成多谐振荡器，其中电阻R为10kΩ的电位器，电容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的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。（可以用IC40当元件库使用，在此插元件）

2．用74LS00按图6－89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6－90接线，其中取限流电阻R为510Ω电阻和R_w取1kΩ的电位器串联，取C＝0．1μF。

（1）R_w调到最大时，观察并记录A、B、D、E及V_o各点电压的波形，测出V_o的周期T和V_o负脉冲宽度值（电容C的充电时间）并与理论计算值比较。

（2）改变R_w值，观察输出信号V_o波形的变化情况。

4．按图6－91接线，晶振选用4M（或其他），非门选用74LS00或用74LS04，用示波器观测输出波形，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．画出实验用的详细电路图。

3．拟好记录、实验数据表格等。

六、实验报告要求

1．画出实验电路，整理实验数据与理论值进行比较。

2．画出实验观测到的工作波形图，对实验结果进行分析。