一、多諧振蕩器
與前文所述的LC振蕩器不同,多諧振蕩器(Multivibrator)產生的振蕩波形不限於正弦波,還能是方波、鋸齒波、三角波、脈沖波等等波形……
多諧振蕩器的應用非常廣泛,譬如,駕車時打開一閃一閃的轉向燈,就是由多諧振蕩器實現的:
圖1-汽車轉向信號燈
從振蕩的狀態來說,多諧振蕩器可以分為三個類別:
圖2-多諧振蕩器的類別(Multivibrator)
- 非穩態多諧振蕩器(Astable Multivibrator):不需要輸入信號來觸發(自激)。對於輸出信號,有兩種狀態,但不管哪個狀態都不穩定,總是從一個狀態轉變到另一個狀態,一張一弛,所以又稱為“弛張振蕩器”(Relaxation Oscillator)。
- 單穩態多諧振蕩器(Monostable Multivibrator):需要輸入信號來觸發。觸發後,輸出信號處於非穩態,但持續一段時間後還是會回到穩態。這種電路可以用於延時、消除抖動等。
- 雙穩態多諧振蕩器(Bistable Multivibrator):需要輸入信號來觸發。觸發後,輸出信號由一個穩態轉變到另一個穩態。這種電路是Memory的基礎,有待日後分析。
以下,主要介紹非穩態多諧振蕩器(弛張振蕩器)。
二、關於“非穩態/張弛”振蕩器的形象類比
對於“非穩態/張弛”振蕩器,我們可以用“蹺蹺板與水桶”的例子來做個類比:
圖3-蹺蹺板與水桶
- 初始的時候,蹺蹺板左邊是重物M,右側是水桶;水桶為空,故而蹺蹺板向左傾斜;
- 然後是一個持續給水桶灌水的過程;
- 隨著水桶裡的水增多,在某個時刻,水桶重量大於重物M;蹺蹺板向右傾斜,水桶打翻;
- 水桶打翻後,水桶重量再次小於重物M,蹺蹺板向左傾斜,回歸到初始狀態,周而復始;
上述蹺蹺板的左傾和右傾,代表兩個狀態,系統在這兩個狀態中徘徊,無法穩定在其中一個。不過這是一個機械設備構成的系統,要落實到電子世界裡,如何實現呢?
圖4-非穩態/弛張振蕩器的工作方式類比
可以想到:代替“水桶”的是電容,“灌水”就是充電,“重物M”是個參考電壓,而“蹺蹺板”由比較器(運放)來實現!
三、基於運放的“非穩態/張弛”振蕩器
我們構建電路圖如下:
圖5-基於運放的非穩態/張弛振蕩器電路圖
運放的輸入兩端是a和b,a是由運放輸出分壓獲得,b連接電容。運放的輸出端是c。
圖6-輸出信號與電容時序圖
運放的輸出在﹢V0和﹣V0兩個狀態中切換變換,這是因為:
- 當a大於b,運放輸出高電平,即c為高;
- 由於c為高,c通過電阻對電容進行充電,隨著電容充電,b電壓上升;
- 當b大於a,運放輸出低電平,即c為低;
- 由於c為低,電容通過電阻進行放電,隨著電容放電,b電壓下降,並重新回到第1步;
振蕩頻率有涉及公式計算,在此不列出,但可想而知與電容、電阻的值有關系。
四、基於三極管的“非穩態/張弛”振蕩器
基於三極管的非穩態/張弛振蕩器設計非常巧妙,它由兩路R、C、三極管構成,其中,一路C會控制另一路上三極管的導通與截止:
圖7-基於三極管的非穩態/張弛振蕩器電路圖
兩個三極管的集電極作為輸出——Out1和Out2,兩個輸出端信號互為反相,實現兩個狀態之間振蕩。如果Out1和Out2分別接兩個LED,兩個LED就會交替閃爍:
圖8-TR1和TR2三極管的集電極輸出信號波形
工作原理有幾個要點如下:
- 三極管工作於導通和截止狀態,導通時集電極接近0V,截止時集電極接近VCC;
- 電容兩端電壓不能突變,假設電容左-右兩端電壓壓差為D,如果右端為0V,則左端為(0+D)V,如果右端瞬間由0V變為-10V,則左端電壓就是(-10+D)V。
現在假設TR1截止,TR2導通:
- VCC經過R1、C1、TR2基極、TR2發射極,向C1從左至右充電;同時,VCC通過R3、C2、TR2集電極、TR2發射極,向C2從左至右充電;
- 當C2從左至右大於0.6V,TR1導通,TR1集電極為0V,這使得C1左端為0V,由於之前C1是從左至右充電,即左端電壓大於右端,現在左端為0V,意味著右端為負,這會瞬間關閉TR2基極-發射極回路,使得TR2截止;
- 系統進入TR1導通,TR2截止的狀態,並周而復始。
我們看TR1三極管,能看到基極能出現負電壓,這源於“電容兩端電壓不能突變”的原則:
圖9-TR1三極管的基極和集電極信號波形
振蕩頻率計算公式也不列出瞭,各位可以查一下課本資料。
最後我們來看一下仿真效果和實驗效果:
圖10-基於三極管的非穩態/張弛振蕩器仿真效果圖11-基於三極管的非穩態/張弛振蕩器實驗效果
五、小結
今天介紹的是一種簡單的非穩態多諧振蕩器,它可以產生方波,但如果需要精確的控制時序脈沖,需要通過一顆非常經典的IC來實現——555計時器(555 Timer),有待我們下回介紹。
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