多谐振荡器电路实验详解

一、实验目的

① 掌握影响输出脉冲波形参数的定时元件数值的计算方法。

② 掌握使用门电路构成脉冲信号产生电路的基本方法。

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。

二、实验原理

1. 用晶体管组成的多谐振荡器

图2.9.1所示为由晶体管组成的自激多谐振荡器。它只有2个暂稳态，即T1饱和、T2截止与T1截止、T2饱和。

图2.9.1 晶体管自激多谐振荡器

设t1时刻电路翻转成T1饱和、T2截止，这时电容C1通过Rb2和饱和管T1的集电极放电，同时电源UCC沿Rc2和T1的基极对C2进行充电，一旦Ube2达到UT时，电路又翻转成T2饱和、T1截止，电路进入另一个暂稳态。这时C2通过Rb1和T2的集电极放电，同时UCC经Rc1，T2的基极对C1充电，当Ube1达到UT时，电路又返回第一个暂稳态，形成振荡。

tw1 =0.7Rb2C1，tw2 =0.7Rb1C2，T= tw1 + tw2

若电路对称，即C1=C2=C，Rb1 =Rb2 =Rb，则T=1.4RbC，输出方波。

如果要求改善输出脉冲上升沿，就需要对电路进行改进，如图2.9.2所示。因为电容的充 电电流流经集电极电阻 c R。是造成输出脉冲上升沿tr的主要原因。现增加一个隔离二极管D， 以避免C2的充电电流经集电极电阻Rc′′2。在C2充电时，二极管D截止，充电电流经Rc′2，集电极电压UA可以很快上升。在C2放电时，D导通，放电仍可通过饱和管进行。

图2.9.2 改善UA上升沿的晶体管自激多谐振荡器

对电路参数的要求：τ放＞＞τ充，即Rb2C1＞＞Rc′′2C2，Rb1C2＞＞Rc1C1，在放电的同时，充电要尽快结束。另外，要求Rb＜βoRc，使得导通管处于饱和状态，以保证电路的工作稳定。

2. 用与非门组成的带RC电路的环形振荡器

电路如图2.9.3所示，其中门4用于整形，以改善输出波形；R为限流电阻，一般取100 Ω，电位器RP≤1 kΩ。电路利用电容C的充放电过程，控制D点电压UD，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tw1、放电时间tw2和总的振荡周期T分别为

tw1≈0.94RC，tw2≈1.26RC，T≈2.2RC

调节R和C的大小可改变电路输出和振荡频率。

图2.9.3 带有RC电路的环形振荡器

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UT的时刻。在UT附近电容器的充放电速度已经缓慢，而且UT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。

3. 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2.9.4所示为常用的晶体稳频多谐振荡器。图（a），（b）为TTL器件组成的晶体振荡电路，图（c），（d）为CMOS器件组成的晶体振荡电路。(www.xing528.com)

图2.9.4（c）中，门1用于振荡，门2用于缓冲整形；Rf是反馈电阻，一般取22 MΩ；R起稳定振荡作用，通常取十至数百千欧；C1是频率微调电容器，C2用于温度特性校正。一般用于电子表中，其中晶体的f0=32 768 Hz。

图2.9.4 常用的晶体振荡电路

三、实验设备与器件

+5 V 直流电源；双踪示波器；数字频率计；74LS00；74LS04；3DK2×2，2CK15，晶振（32 768 Hz），电位器电阻、电容若干。

四、实验内容

① 按图2.9.2接线，组成晶体管自激多谐振荡器。

·将电位器调至0，将A，B两点短接，观察并记录Uc1，Ube1，Uc2，Ube2的波形（注意它们之间的相位关系）。

·断开A，B间的短接线，观察隔离二极管的作用，同时观察并记录Uc2的波形，并与①中观察到的Uc2波形进行比较。

·调节电位器，观察Rb2对输出周期和脉宽的影响。

·调节电位器使Rb2增加，直到Uc2波形上升沿出现台阶。分析Uc2上升沿出现台阶原因。

② 用74LS00按图2.9.3接线，其中定时电阻RP用一个510 Ω与一个1 kΩ的电位器串联，取R=100Ω，C=0.1µF。

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

·改变 RP，观察输出信号Uo波形的变化情况。

③ 按图2.9.4（c）接线，晶振选用电子表晶振（32 768 Hz），非门选用74LS04。用示波器观察输出波形，用频率计测量输出信号频率，并作记录。

五、预习要求

① 预习自激多谐振荡器的工作原理。

② 画出详细实验线路图。

③ 拟好实验数据记录表格等。

④ 在图2.9.2所示电路中，为什么加上隔离二极管后能改善输出脉冲的上升沿？

六、实验报告要求

① 画出实验电路，整理实验数据，并与理论值进行比较。

② 用坐标纸画出实验观测到的工作波形图，对实验结果进行分析。