【導(dǎo)讀】本文解釋三種主要類型的多諧振蕩器電路以及如何構(gòu)建每種電路。多諧振蕩器電路一般由兩個反相放大級組成。兩個放大器串聯(lián)或級聯(lián),反饋路徑從第二放大器的輸出接回到第一放大器的輸入。由于每一級都將信號反相,因此環(huán)路整體的反饋是正的。
多諧振蕩器主要分為三種類型:非穩(wěn)態(tài)、單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)。非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器使用電容耦合兩個放大器級并提供反饋路徑。電容會阻隔任何從一級傳送到下一級的直流信號,因此非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器沒有穩(wěn)定的直流工作點,是一個自由運行的振蕩器。在單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器中,從一級到另一級的耦合使用一個電容,而第二個連接是通過直流路徑。因此,單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器有一個穩(wěn)定的直流級。除了施加觸發(fā)脈沖時之外,電路均保持這種單一的穩(wěn)定狀態(tài)。然后,狀態(tài)改變,持續(xù)時間為信號路徑的交流耦合部分的RC時間常數(shù)所設(shè)置的預(yù)定時長。在雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器中,兩條耦合路徑都是直流耦合,因此電路具有兩種不同的穩(wěn)定狀態(tài),并且不使用電容。雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器也被稱為觸發(fā)器,在任一時間處于兩種直流穩(wěn)定狀態(tài)中的一種狀態(tài)。
非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器
目標(biāo)
第一個實驗的目的是構(gòu)建一個非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。兩個相同的電阻電容網(wǎng)絡(luò)決定振蕩發(fā)生的頻率。放大器件(晶體管)以共發(fā)射極配置連接,如圖1所示。
圖1. 非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器
材料
● ADALM2000 主動學(xué)習(xí)模塊
● 無焊試驗板
● 跳線
● 兩個470 Ω電阻
● 兩個20 kΩ電阻
● 兩個小信號NPN晶體管(2N3904)
● 一個紅光LED
● 一個綠光LED
● 兩個47μF電容
說明
在無焊試驗板上構(gòu)建圖1所示電路。請注意,ADALM2000板沒有輸入,只有電源。第一個反相放大器級由Q1、R1和用作輸出負載的紅光LED組成。第二個反相放大器級由Q2、R2和用作負載的綠光LED組成。C1將位于Q1集電極的第一級輸出耦合到位于Q2基極的第二級輸入。類似地,C2將位于Q2集電極的第二級輸出耦合回位于Q1基極的第一級輸入。
硬件設(shè)置
試驗板連接如圖2所示。
圖2. 非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器試驗板電路
程序步驟
只有在電路構(gòu)建完畢并檢查之后,才能開啟VP電源。紅光和綠光LED應(yīng)以大約1秒的間隔交替閃爍。您還可以使用示波器通道監(jiān)視輸出波形(Q和Q-bar)。
由于電容C1和C2的值較大,因此振蕩頻率非常慢。將C1和C2替換為0.1 μF電容。電路現(xiàn)在應(yīng)該以快得多的速度振蕩,兩個LED同時亮起?,F(xiàn)在使用示波器通道測量輸出波形的頻率和周期。
圖3. 使用47 μF電容時的非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器間隔
圖4. 使用0.1 μF電容時的非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器間隔
單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器
目標(biāo)
第二個實驗的目的是構(gòu)建一個單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。一個電阻電容網(wǎng)絡(luò)決定單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器輸出的持續(xù)時間。放大器件(晶體管)以共發(fā)射極配置連接,如圖2所示。
材料
● ADALM2000主動學(xué)習(xí)模塊
● 無焊試驗板
● 跳線
● 兩個470 Ω電阻
● 一個1 kΩ電阻
● 一個20 kΩ電阻
● 一個47 kΩ電阻
● 一個小信號二極管(1N914)
● 兩個小信號NPN晶體管(2N3904)
● 一個紅光LED
● 一個綠光LED
● 一個47 μF電容
說明
在無焊試驗板上構(gòu)建圖5所示電路。從實驗1中的電路出發(fā),移除一個20 kΩ電阻(舊R3),將電容C1替換為47 kΩ電阻(新R3)。在Q2的基極上添加二極管D1和電阻R5,如圖所示。務(wù)必將C2替換為原來的47 μF電容。
圖5. 單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器
硬件設(shè)置
試驗板連接如圖6所示。
圖6. 單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器試驗板電路
程序步驟
只有在電路構(gòu)建完畢并檢查之后,才能開啟VP電源。紅光LED應(yīng)亮起,綠光LED應(yīng)熄滅。用一段電線將觸發(fā)器輸入(R5端)短暫觸碰VP,然后立即松開。紅光LED應(yīng)熄滅,綠光LED點亮約一秒鐘,然后返回穩(wěn)定狀態(tài),紅光LED亮起,綠光LED熄滅。多試幾次。
圖7. 觸發(fā)時的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器行為
雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(或觸發(fā)器)
目標(biāo)
第三個實驗的目的是構(gòu)建一個雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。放大器件(晶體管)以共發(fā)射極配置連接,如圖8所示。
材料
● ADALM2000主動學(xué)習(xí)模塊
● 無焊試驗板
● 跳線
● 兩個470 Ω電阻
● 兩個1 kΩ電阻
● 兩個47 kΩ電阻
● 兩個小信號NPN晶體管(2N3904)
● 兩個小信號二極管(1N914)
● 一個紅光LED
● 一個綠光LED
說明
在無焊試驗板上構(gòu)建圖8所示電路。
圖8. 雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器
硬件設(shè)置
試驗板連接如圖9所示。
圖9. 雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器試驗板電路
程序步驟
只有在電路構(gòu)建完畢并檢查之后,才能開啟VP電源。紅光LED應(yīng)點亮而綠光LED熄滅,或者綠光LED應(yīng)點亮而紅光LED熄滅。用一段電線將SET或RESET輸入(R5端或R6端)短暫觸碰VP,然后立即松開。LED應(yīng)改變狀態(tài)或來回切換,具體取決于哪個輸入觸碰到VP。多試幾次。
圖10. 觸發(fā)SET引腳的雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器行為
圖11. 觸發(fā)RESET引腳的雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器行為
D型觸發(fā)器
目標(biāo)
第四個實驗的目的是使用實驗3中的雙穩(wěn)態(tài)或SET-RESET觸發(fā)器來構(gòu)建所謂的D型觸發(fā)器。
材料
● ADALM2000主動學(xué)習(xí)模塊
● 無焊試驗板
● 跳線
● 三個1 kΩ電阻
● 一個100 kΩ電阻
● 兩個200 kΩ電阻
● 兩個47 kΩ電阻
● 三個小信號NPN晶體管(2N3904)
● 兩個小信號二極管(1N914)
● 兩個39 pF電容
● 兩個100 pF電容
說明
在無焊試驗板上構(gòu)建圖12所示的D型觸發(fā)器電路。請注意,與圖8相比,兩個二極管的極性相反。此實驗將在高得多的頻率下進行,因此LED已被移除,改用簡單的1 kΩ負載電阻。
圖12. D型觸發(fā)器
觸發(fā)器兩種狀態(tài)之間的切換是通過施加D(數(shù)據(jù))信號和單個時鐘脈沖來實現(xiàn)的:根據(jù)D輸入相對于當(dāng)前狀態(tài)的狀態(tài),在時鐘脈沖的負沿或下降沿,ON晶體管將斷開,OFF晶體管將導(dǎo)通。真D信號和互補DB信號(Q3、R7反相級的輸出)用于偏置二極管D1和D2,以將時鐘脈沖引導(dǎo)至正確的基極,這相當(dāng)于圖8中的SET和RESET輸入。
為了說明電路如何工作,我們假設(shè)電路處于兩個穩(wěn)定狀態(tài)之一,QB輸出低電平(Q1的集電極電壓為0 V),Q輸出高電平(Q2的集電極電壓為5 V高電平)。當(dāng)D輸入為低電平(DB為高電平)時,D1的陰極(通過R6)具有低電壓,其陽極(通過R4)具有高電壓(導(dǎo)通晶體管Q1的VBE),使其正向偏置。D2的陰極(通過R5)具有高電壓(來自DB),其陽極(通過R3)具有低電壓(關(guān)斷晶體管Q2的VBE),使其反向偏置。
由于D1正向偏置,所以時鐘輸入上的負向脈沖(通過C1和C2耦合)被引導(dǎo)至Q1的基極,但由于D2反向偏置,所以負向脈沖被Q2的基極阻隔。通過C3和R3并聯(lián)組合的交叉耦合連接使Q1關(guān)斷,并使Q2導(dǎo)通。由于我們之前在簡單雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器中看到的正反饋效應(yīng),這種情況發(fā)生得非??焖佟k娐番F(xiàn)在處于另一種穩(wěn)定狀態(tài),Q輸出高電平,QB輸出低電平。電路將保持在該狀態(tài),直到D輸入變?yōu)楦唠娖讲⑶伊硪粋€負向時鐘脈沖到達之后。
硬件設(shè)置
試驗板連接如圖13所示。
圖13. D型觸發(fā)器試驗板電路
程序步驟
AWG1輸出應(yīng)連接到圖12中標(biāo)記的時鐘輸入。AWG2輸出應(yīng)連接到D輸入。示波器通道1輸入應(yīng)連接到時鐘輸入。示波器通道2應(yīng)連接到圖12中觸發(fā)器的Q輸出。AWG1和AWG2均應(yīng)配置為具有5 V幅度峰峰值和2.5 V偏移(0 V至5 V擺幅)的方波。將AWG1的頻率設(shè)置為10 kHz,將AWG2的頻率設(shè)置為5 kHz。將AWG2的相位設(shè)置為45度。務(wù)必將兩個AWG輸出配置為同步運行。
只有在電路構(gòu)建完畢并檢查之后,才能開啟VP電源并使能AWG輸出。應(yīng)能在Q輸出上觀察到一個方波,其與時鐘輸入信號的下降沿對齊。更改AWG2(D輸入信號)的相位,同時觀察此對齊。這會隨著D輸入的相位變化而變化嗎?將通道1示波器輸入移至D輸入。應(yīng)能看到一個類似的方波信號,但它相對于Q輸出超前。換言之,Q輸出延遲到時鐘信號的下降沿為止。
圖14. Q和時鐘信號圖
圖15. Q和D信號圖
2分頻觸發(fā)器
目標(biāo)
第五個實驗的目的是修改實驗4中的D型觸發(fā)器,以構(gòu)建一個將輸入信號的頻率除以2的電路。
材料
● ADALM2000主動學(xué)習(xí)模塊
● 無焊試驗板
● 跳線
● 兩個1 kΩ電阻
● 兩個200 kΩ電阻
● 兩個47 kΩ電阻
● 兩個小信號NPN晶體管(2N3904)
● 兩個小信號二極管(1N914)
● 兩個39 pF電容
● 兩個100 pF電容
說明
修改實驗4中的D型觸發(fā)器,在無焊試驗板上構(gòu)建圖16所示的2分頻電路。
圖16. 2分頻電路
兩種狀態(tài)之間的切換是通過施加單個時鐘脈沖來實現(xiàn)的;在該時鐘脈沖的負沿或下降沿,這會導(dǎo)致ON晶體管斷開,OFF晶體管導(dǎo)通。依次向每個基極施加脈沖,該電路將順序切換,這是通過單個輸入時鐘脈沖來實現(xiàn)的——該時鐘脈沖用于偏置兩個二極管,根據(jù)觸發(fā)器的當(dāng)前狀態(tài)將脈沖引導(dǎo)至正確的基極。
為了說明電路如何工作,我們假設(shè)電路處于兩個穩(wěn)定狀態(tài)之一,Q1的集電極電壓為低電平(0 V),Q2的集電極電壓為高電平(5 V)。D1的陰極(通過R6)具有低電壓,其陽極(通過R4)具有高電壓(導(dǎo)通晶體管Q1的VBE),使其正向偏置。D2的陰極(通過R5)具有高電壓,其陽極(通過R3)具有低電壓(關(guān)斷晶體管Q2的VBE),使其反向偏置。
由于D1正向偏置,所以外部負向脈沖(通過C1和C2耦合)被引導(dǎo)至Q1的基極,但由于D2反向偏置,所以負向脈沖被Q2的基極阻隔。通過C3和R3并聯(lián)組合的交叉耦合連接使Q1關(guān)斷,并使Q2導(dǎo)通。由于我們之前在簡單雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器中看到的正反饋效應(yīng),這種情況發(fā)生得非??焖?。
電路現(xiàn)在處于第二穩(wěn)定狀態(tài),等待另一個負向時鐘脈沖。
由于Q2的集電極電壓(Q輸出節(jié)點)會隨著每個時鐘脈沖改變狀態(tài),因此每出現(xiàn)兩個時鐘輸入脈沖,輸出端就會出現(xiàn)一個脈沖。因此,它可以用作二分頻電路。
硬件設(shè)置
試驗板連接如圖17所示。
圖17. 2分頻觸發(fā)器試驗板電路
程序步驟
AWG1輸出和示波器通道1輸入均應(yīng)連接到圖16中標(biāo)記的時鐘輸入。示波器通道2應(yīng)連接到圖16中觸發(fā)器的Q輸出。AWG1應(yīng)配置為具有5 V幅度峰峰值和2.5 V偏移(0 V至5 V擺幅)的方波。將頻率設(shè)置為10 kHz。
只有在電路構(gòu)建完畢并檢查之后,才能開啟VP電源并使能AWG1輸出。應(yīng)能在Q輸出上觀察到一個方波,其頻率是AWG1信號頻率的一半。將通道2示波器輸入移至QB輸出。應(yīng)能看到一個類似的方波信號,但它相對于Q輸出反相。
圖18. 時鐘和Q輸出圖
圖19. 時鐘和QB輸出圖
問題
對于圖1所示電路,增加或減少兩個電容的值會產(chǎn)生什么影響?
您可以在 學(xué)子專區(qū) 論壇上找到答案。
來源:ADI
作者:Doug Mercer 和 Antoniu Miclaus
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