數(shù)字電子技術(shù)（第3版）課件 第29講 6.4 多諧振蕩器

6.4.1

對(duì)稱式多諧振蕩器6.4多諧振蕩器6.4.2

環(huán)形振蕩器6.4.3

石英晶體振蕩器返回結(jié)束放映2/11/20251復(fù)習(xí)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作特點(diǎn)？主要參數(shù)？主要應(yīng)用？2/11/202521．多諧振蕩器沒(méi)有穩(wěn)定狀態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。2．通過(guò)電容的充電和放電，使兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)相互交替，從而產(chǎn)生自激振蕩，無(wú)需外觸發(fā)。3．輸出周期性的矩形脈沖信號(hào)，由于含有豐富的諧波分量，故稱作多諧振蕩器。6.4多諧振蕩器2/11/202536.4.1

對(duì)稱式多諧振蕩器返回1.電路組成由兩個(gè)TTL反相器經(jīng)電容交叉耦合而成。通常令C1=C2=C，R1=R2=RF。

為了使靜態(tài)時(shí)反相器工作在轉(zhuǎn)折區(qū)，具有較強(qiáng)的放大能力，應(yīng)滿足ROFF＜RF＜RON的條件。

圖6-20對(duì)稱式多諧振蕩器

2/11/20254

2.工作原理假定接通電源后，由于某種原因使uI1有微小正跳變，則必然會(huì)引起如下的正反饋過(guò)程

：

使uO1迅速跳變?yōu)榈碗娖?、uO2迅速跳變?yōu)楦唠娖?，電路進(jìn)入第一暫穩(wěn)態(tài)。此后，uO2的高電平對(duì)C1電容充電使uI2升高，電容C2放電使uI1降低。由于充電時(shí)間常數(shù)小于放電時(shí)間常數(shù)，所以充電速度較快，uI2首先上升到G2的閾值電壓UTH，并引起如下的正反饋過(guò)程：2/11/20255使uO2迅速跳變?yōu)榈碗娖?、uO1迅速跳變?yōu)楦唠娖?，電路進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)。此后，C1放電、C2充電，C2充電使uI1上升，會(huì)引起又一次正反饋過(guò)程，電路又回到第一暫穩(wěn)態(tài)。這樣，周而復(fù)始，電路不停地在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間振蕩，輸出端產(chǎn)生了矩形脈沖。

2/11/20256圖6-21對(duì)稱式多諧振蕩器的工作波形

2/11/202573.主要參數(shù)矩形脈沖的振蕩周期為

T≈1.4RFC當(dāng)取RF＝1kΩ、C＝I00pF～100μF時(shí)，則該電路的振蕩頻率可在幾赫到幾兆赫的范圍內(nèi)變化。2/11/202586.4.2環(huán)形振蕩器返回1.最簡(jiǎn)單的環(huán)形振蕩器圖6-22最簡(jiǎn)單的環(huán)形振蕩器(a)電路(b)工作波形

利用集成門(mén)電路的傳輸延遲時(shí)間，將奇數(shù)個(gè)反相器首尾相連便可構(gòu)成最簡(jiǎn)單的環(huán)形振蕩器。該電路沒(méi)有穩(wěn)定狀態(tài)。

如此周而復(fù)始，便產(chǎn)生了自激振蕩。振蕩周期

T=6tpd。

2/11/202592.RC環(huán)形振蕩器最簡(jiǎn)單的環(huán)形振蕩器構(gòu)成十分簡(jiǎn)單，但是并不實(shí)用。因?yàn)榧砷T(mén)電路的延遲時(shí)間tpd極短，而且振蕩周期不便調(diào)節(jié)。圖6-23

RC環(huán)形振蕩器

利用電容C的充放電，改變uI3的電平(因?yàn)镽S很小,在分析時(shí)往往忽略它。)來(lái)控制G3周期性的導(dǎo)通和截止，在輸出端產(chǎn)生矩形脈沖。RS是限流電阻（保護(hù)G3），通常選100Ω左右。增加RC延遲環(huán)節(jié)，即可組成RC環(huán)形振蕩器電路。

2/11/202510圖6-24RC環(huán)形振蕩器的工作波形

電路的振蕩周期為

T≈2.2RC

R不能選得太大（一般1kΩ左右），否則電路不能正常振蕩。

。

2/11/2025113.CMOS反相器構(gòu)成的多諧振蕩器

R的選擇應(yīng)使G1工作在電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)。此時(shí)，由于uO1即為uI2，G2也工作在電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)，若uI有正向擾動(dòng)，必然引起下述正反饋過(guò)程：

圖6-25CMOS反相器構(gòu)成的多諧振蕩器

2/11/202512使uO1迅速變成低電平，而uO2迅速變成高電平，電路進(jìn)入第一暫穩(wěn)態(tài)。此時(shí)，電容C通過(guò)R放電，然后uO2向C反向充電。隨著電容C的的放電和反向充電，uI不斷下降，達(dá)到uI＝UTH時(shí)，電路又產(chǎn)生一次正反饋過(guò)程：

從而使uO1迅速變成高電平，uO2迅速變成低電平，電路進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)。此時(shí)，uO1通過(guò)R向電容C充電。

2/11/202513隨著電容C的不斷充電，uI不斷上升，當(dāng)uI≥UTH時(shí)，電路又迅速跳變?yōu)榈谝粫悍€(wěn)態(tài)。如此周而復(fù)始，電路不停地在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間轉(zhuǎn)換，電路將輸出矩形波。振蕩周期為

T＝1.4RC圖6-26

CMOS反相器構(gòu)成多諧振蕩器的工作波形

2/11/2025146.4.3

石英晶體振蕩器返回前面介紹的多諧振蕩器的一個(gè)共同特點(diǎn)就是振蕩頻率不穩(wěn)定，容易受溫度、電源電壓波動(dòng)和RC參數(shù)誤差的影響。而在數(shù)字系統(tǒng)中，矩形脈沖信號(hào)常用作時(shí)鐘信號(hào)來(lái)控制和協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的工作。因此，控制信號(hào)頻率不穩(wěn)定會(huì)直接影響到系統(tǒng)的工作，顯然，前面討論的多諧振蕩器是不能滿足要求的，必須采用頻率穩(wěn)定度很高的石英晶體多諧振蕩器。2/11/202515石英晶體的阻抗頻率特性圖

石英晶體具有很好的選頻特性。當(dāng)振蕩信號(hào)的頻率和石英晶體的固有諧振頻率fo相同時(shí)，石英晶體呈現(xiàn)很低的阻抗，信號(hào)很容易通過(guò)，而其它頻率的信號(hào)則被衰減掉。2/11/202516因此，將石英晶體串接在多諧振蕩器的回路中就可組成石英晶體振蕩器，這時(shí)，振蕩頻率只取決于石英晶體的固有諧振頻率fo，而與RC無(wú)關(guān)。圖6-27石英晶體振蕩器電路

在對(duì)稱式多諧振蕩器的基礎(chǔ)上，串接一塊石英晶體，就可以構(gòu)成一個(gè)石英晶體振蕩器電路。該電路將產(chǎn)生穩(wěn)定度極高的矩形脈沖，其振蕩頻率由石英晶體的串聯(lián)諧振頻率fo決定。

2/11/202517目前，家用電子鐘幾乎都采用具有石英晶體振蕩器的矩形波發(fā)生器。由于它的頻率穩(wěn)定度很高