模块 3：产生节奏信号——多谐振荡器

1. 多谐振荡器电路概述
2. 现在我们从控制信号转向信号生成。多谐振荡器是一类基础电子电路，专门用于生成非正弦波形，例如构成数字系统核心的方波和矩形波。它们的重要性不容低估；在需要定时、频率生成和数字存储的应用中，它们被广泛使用。
3. 在其核心，一个 多谐振荡器 是一个意念波· 具有正反馈的两级电阻耦合放大器这意味着第二级的输出会反馈到第一级的输入，从而增强这种变化，形成一个正反馈回路。正是这种正反馈机制使得电路中的两个晶体管能够相互控制彼此的状态。当一个晶体管导通时，反馈回路会确保另一个晶体管截止，反之亦然。这种开关动作是它们工作的基础。
4. 根据工作状态的稳定性，多谐振荡器可分为三种不同的类型。电路所具有的稳定状态的数量决定了其基本特性和应用范围。

• 非稳态多谐振荡器： 这种类型的多谐振荡器具有 两个准稳定态这意味着两种状态都不是永久的。它会在这两种状态之间持续自动地来回切换，无需任何外部输入或触发信号（初始直流电源除外）。由于它能够自行产生连续波，因此也被称为…… 自由运行多谐振荡器 或振荡器。
• 单稳态多谐振荡器： 该电路有 一个稳定状态和一个准稳定状态它会一直保持稳定状态，直到施加外部触发脉冲。触发脉冲会迫使电路进入准稳定状态，并在该状态下保持一段时间，具体时间由其内部RC元件决定。时间过后，它会自动返回到原来的稳定状态。由于它对每个触发输入都产生一个输出脉冲，因此通常被称为…… 单次多谐振荡器.
• 双稳态多谐振荡器： 该电路有 两个稳定状态它会无限期地保持在这两种状态之一。要从一种状态切换到另一种状态，必须施加一个外部触发脉冲。要将其切换回原来的状态，则需要第二个触发脉冲。由于它可以“翻转”到一种状态，也可以“翻转”回另一种状态，并且它“记住”其最后的状态，因此它是数字存储器的基本组成部分，通常被称为…… 拖鞋.
• 在接下来的章节中，我们将分析这三种基本多谐振荡器的结构和详细操作。

1. 非稳态多谐振荡器（自由振荡器）
2. 非稳态多谐振荡器是一种自启动振荡器，无需外部信号即可启动其有节奏的振荡。它的主要用途在于需要连续时钟信号或重复定时脉冲的应用，例如定时器、莫尔斯电码发生器以及各种模拟和电视系统。
3. 建筑业
4. 经典的无稳态电路由两个晶体管 Q1 和 Q2 构成，它们分别带有集电极负载电阻 RC1 和 RC2。该设计采用了一种独特的交叉耦合反馈机制。Q1 的集电极通过电容 C2 连接到 Q2 的基极。对称地，Q2 的集电极通过电容 C1 连接到 Q1 的基极。每个晶体管的基极都通过偏置电阻（Q1 的基极为 R2，Q2 的基极为 R1）连接到电源电压 Vcc。电路的时序由 RC 对 R1C1 和 R2C2 决定。
5. 操作
6. 非稳态多谐振荡器的运行是一个持续的、自我维持的循环，由其交叉耦合电容器的充放电驱动。让我们一步一步地了解一个完整的循环：
   1. 初始加电： 当首次施加电源电压 (Vcc) 时，两个晶体管都会尝试导通。然而，由于元件物理特性中不可避免的轻微不平衡，其中一个晶体管（假设为 Q1）的导通程度会略高于另一个。
   2. 再生行动（第一阶段）： 随着Q1导通程度的增加，其集电极电压开始下降。这个下降的电压通过电容C2耦合到Q2的基极。这个负向信号会降低Q2的基极电流，使其导通程度降低。随着Q2导通程度的降低，其集电极电压上升。这个上升的电压通过电容C1耦合到Q1的基极，增加其基极电流，使其导通程度进一步增加。这种正反馈回路几乎瞬间完成，迅速驱动Q1达到全导通状态。 饱和 （开启）和 Q2 进入 隔断 （离开）。
   3. 时序状态 1（Q1 导通，Q2 关断）： 当Q1饱和时，其集电极电压接近0V。当Q2截止时，其集电极电压为Vcc。此时，电容C1已充电至Vcc，并开始通过电阻R1反向充电至Vcc。Q2基极电压开始从负值上升至Vcc。
   4. 第二次过渡： 只要晶体管 Q2 的基极电压低于其导通阈值电压（约 0.7V），它就保持截止状态。电路保持这种状态，同时电容 C1 通过电阻 R1 充电。关键时刻发生在 Q2 基极电压上升到约 0.7V 时。此时，Q2 开始导通。
   5. 再生作用（第二次转变）： 一旦Q2开始导通，一个新的再生循环就开始了，但方向相反。Q2的集电极电压开始下降。这个下降的电压通过电容C1耦合到Q1的基极，使其脱离饱和状态。随着Q1导通程度的降低，其集电极电压上升，并通过电容C2耦合到Q2的基极，使其更加导通。这个过程迅速地将Q2推入饱和状态。 饱和 以及 Q1 进入 隔断.
   6. 时序状态 2（Q2 导通，Q1 关断）： 电路现在处于第二个准稳定状态。此时角色互换。电容 C2 开始通过电阻 R2 充电，其电压逐渐升高，接近使 Q1 重新导通所需的 0.7V 阈值。一旦达到该阈值，整个循环就会重复进行。
7. 振荡公式
8. 每个准稳定状态所花费的时间由充电路径的 RC 时间常数决定。

• 晶体管 Q2 的导通时间（以及 Q1 的关断时间）由下式给出：t2 = 0.69 * R2 * C2
• 晶体管 Q1 的导通时间（以及 Q2 的关断时间）由下式给出：t1 = 0.69 * R1 * C1
• 输出方波的总周期是这两个持续时间之和：t = t1 + t2 = 0.69 * (R1*C1 + R2*C2)
• 在常见的对称情况下，即 R1 = R2 = R 且 C1 = C2 = C，振荡频率的公式可以表示为：f = 1 / t = 1 / (1.38 * RC) ≈ 0.7 / RC
• 主要特征

**申请**

非稳态多谐振荡器广泛应用于业余无线电设备、莫尔斯电码发生器、定时器电路以及各种模拟和电视系统中，在这些系统中，都需要一个简单的自由振荡器。

非稳态电路的连续、自驱动特性与单稳态电路的触发操作形成了鲜明的对比，我们接下来将研究单稳态电路。

1. 单稳态多谐振荡器（单次脉冲发生器）
2. 单稳态多谐振荡器的用途与非稳态多谐振荡器有着本质区别。它的功能是响应外部触发信号，产生一个特定、预定持续时间的单一标准输出脉冲。它具有一个稳定状态（可无限期保持）和一个准稳定状态。这种特性使其成为脉冲整形等应用的理想选择，例如将噪声较大或形状不规则的触发脉冲转换为干净、固定宽度的脉冲；也适用于需要产生精确延迟的定时电路。
3. 建筑业
4. 单稳态电路的结构与非稳态电路的设计存在关键差异。虽然它也使用两个晶体管 Q1 和 Q2，但其反馈耦合方式不同。一条路径是容性路径（从 Q1 的集电极经由电容 C1 连接到 Q2 的基极），这与非稳态电路类似。然而，另一条路径是阻性路径（从 Q2 的集电极经由电阻 R2 连接到 Q1 的基极）。一个关键的附加电路是触发输入，通常通过一个电容施加到常关态晶体管的基极，以及一个独立的偏置网络，用于将该晶体管保持在稳定的关断状态。
5. 操作
6. 该操作按照由外部触发启动的清晰状态序列展开。
   1. 稳定状态： 在默认的稳定状态下，电路设计为晶体管 Q2 处于饱和（导通）状态，晶体管 Q1 处于截止（关断）状态。偏置网络确保 Q1 保持截止状态，而来自 Q1 集电极（高电位）的连接则使 Q2 的基极保持正向偏置，从而保持导通。在这种状态下，电路处于静态工作状态，等待触发信号。
   2. 触发： 当向 Q1（常关晶体管）的基极施加正触发脉冲时，电路开始工作。该脉冲提供足够的基极电压以克服截止偏置，使 Q1 导通。
   3. 向准稳定状态过渡： 当Q1导通时，其集电极电压急剧下降。这一下降过程通过电容C1耦合到Q2的基极。这使得Q2的基极电压低于其导通电压，从而导致Q2截止。当Q2截止时，其集电极电压上升至接近Vcc。这一高电压通过电阻R2反馈到Q1的基极，确保即使在初始触发脉冲结束后，Q1仍然保持导通状态。此时电路处于准稳定状态（Q1导通，Q2截止）。
   4. 时机及恢复至稳定状态： 准稳定状态的持续时间完全取决于电容 C1 放电所需的时间。当电路状态翻转时，C1 开始通过定时电阻 R1 向 Vcc 放电。此时，被拉低的 Q2 基极电压开始上升，这是由于电容放电所致。电路保持这种状态，直到 Q2 基极电压上升到导通阈值（约 0.7V）。在这一瞬间，Q2 重新导通。这会启动一个再生过程，使 Q1 关断，电路迅速恢复到其初始稳定状态，并等待下一个触发脉冲。
7. 脉冲持续时间公式
8. 输出脉冲的宽度由定时元件的RC时间常数决定，而非触发脉冲的宽度。脉冲持续时间由以下公式给出：T = 0.69 * R1 * C1。通过精心选择R1和C1的值，我们可以创建一个高精度定时器，产生任意所需宽度的输出脉冲。
9. 主要特征

**申请**

单稳态多谐振荡器常用于电视电路、系统控制电路以及任何需要脉冲生成、定时延迟或将一种脉冲形状转换为另一种脉冲形状（脉冲整形）的应用。

单稳态电路只有一个稳定状态，而我们的下一个电路——双稳态多谐振荡器——具有两个稳定状态，使其能够作为基本的电子存储元件。

1. 双稳态多谐振荡器（触发器）
2. 双稳态多谐振荡器是数字电子学的基石，是一种基本的存储元件。它的主要特征是存在两种不同的稳定状态。它会无限期地保持在其中一种状态，直到外部触发脉冲迫使它转换到另一种状态。这种存储状态（代表一位信息，即 0 或 1）的能力，使其成为计数和存储二进制数据的电路中不可或缺的组件。因此，它通常被称为…… 拖鞋.
3. 建筑业
4. 自偏置双稳态多谐振荡器由两个晶体管 Q1 和 Q2 构成，它们通过电阻网络交叉耦合。Q1 的集电极通过电阻 (R1) 连接到 Q2 的基极，Q2 的集电极通过另一个电阻 (R2) 连接到 Q1 的基极。与非稳态和单稳态电路不同，其反馈路径中没有主定时电容。取而代之的是，使用称为微分电容的小电容。 换向电容器 or 加速电容器它们通常与耦合电阻并联。它们的作用并非设置时间延迟，而是帮助传输信号在转换过程中快速变化的边沿，从而缩短电路切换状态所需的时间。该电路有两个独立的触发输入，分别对应每个晶体管的基极，用于启动状态切换。
5. 操作
6. 双稳态多谐振荡器的运行特点是具有稳定的记忆功能。
   1. 启动状态： 当电路首次通电时，元件间微小的不平衡会导致一个晶体管比另一个晶体管导通更多。再生反馈会迅速放大这种差异，迫使一个晶体管（例如 Q1）进入饱和状态（导通），而另一个晶体管（例如 Q2）进入截止状态（截止）。这是电路的两个稳定状态之一。只要持续通电，电路就会一直保持这种状态。
   2. 强制改变状态： 要改变状态，必须施加极性正确的触发脉冲。例如，如果 Q1 为 ON 且 Q2 为 OFF，则可以通过以下两种方式之一触发状态改变：
      • 对 Q1 的基极施加负触发脉冲。这将瞬间降低其基极电流，并使其脱离饱和状态。
      • 向 Q2 的基极施加一个正触发脉冲。这将提供足够的基极电压使其导通。
   3. 再生转型： 假设在 Q1 的基极施加一个负脉冲。当 Q1 开始关断时，其集电极电压上升至 Vcc。这个上升的电压耦合到 Q2 的基极，使其导通。当 Q2 导通时，其集电极电压下降。这个下降的电压又耦合回 Q1 的基极，进一步降低其基极电流，从而增强了上述作用。这个再生反馈回路迅速完成，使电路处于相反的稳定状态：此时 Q1 关断，Q2 导通。电路将保持这种新状态，直到在另一个输入端接收到另一个合适的触发脉冲。
7. 主要特征

**申请**

双稳态多谐振荡器是数字系统的基础，用于脉冲生成、数字计数电路，以及最重要的，用于在寄存器和存储器中存储二进制信息。

这种电路的一个简单变体是**固定偏置二进制电路**，其触发机制由单刀双掷 (SPDT) 开关提供。拨动该开关会将一个晶体管的基极接地，同时将另一个晶体管的基极连接到偏置电压，从而可靠地将电路强制置于特定状态。

现在我们转向一种特殊且非常有用的双稳态电路——施密特触发器，它采用独特的耦合方法来实现卓越的信号调理能力。

1. 特殊情况：施密特触发器（发射极耦合二元电路）
2. 施密特触发器不应仅仅被理解为另一种多谐振荡器，而应被理解为一种至关重要的信号调理电路。它的主要功能是将任何模拟的、噪声较大的或变化缓慢的输入信号转换为具有清晰高低电平的数字信号。它是一种再生电路，其工作原理类似于电压比较器，但具有一个独特而强大的特性：迟滞。
3. 建筑业
4. 施密特触发器的结构特点是…… 发射极耦合与其他多谐振荡器的集电极-基极耦合不同，施密特触发器的反馈是通过共用发射极电阻 (Re) 实现的。这个共用电阻连接两个晶体管，这意味着流过一个晶体管的电流会影响另一个晶体管的发射极电压。这种发射极反馈是其独特特性的关键所在。
5. 运行和滞后
6. 施密特触发器的工作原理类似于电压比较器，具有两个截然不同的独立阈值电平。这种双电平系统是其最重要的特性。

• 上触发点（UTP）： 这是高压阈值。随着输入电压升高，输出将保持低电平状态（Q1 关断，Q2 导通），直到输入电压超过该阈值。 以上 UTP（未触发开关）。此时，电路进行再生开关，输出瞬间变为高电平（Q1导通，Q2截止）。UTP由Q1导通所需的条件决定。当输入电压足够高，能够克服共射极电压（由Q2电流决定）加上Q1的基极-发射极导通电压时，就会发生这种情况。Q2导通时的状态决定了这一条件。其集电极电压V_C2 = VCC – (IC2 * RC2)通过分压器决定Q1的基极电压，使其保持截止状态，直到输入信号上升到足够高的水平。
• 下触发点（LTP）： 这是低电压阈值。一旦输出为高电平（Q1导通，Q2截止），即使输入电压略微下降，输出也会保持高电平。输入电压必须完全下降。 如下。 电路切换回低电平状态之前的 LTP 值。LTP 值取决于使 Q2 重新导通所需的条件，而该条件又取决于 Q1 饱和时集电极的电压。
• UTP 和 LTP 之间的间隙或电压差被称为 滞后迟滞效应意义重大：它提供了卓越的抗噪性能。设想一个输入信号徘徊在单个触发点附近。任何微小的噪声都可能导致信号反复跨越阈值，从而产生快速振荡或“抖动”的输出。而有了迟滞效应，输入电压必须发生显著变化才能跨越超阈值电位 (UTP) 和低阈值电位 (LTP) 之间的间隙，从而有效地忽略了微小的噪声波动，并确保仅在需要时才出现干净、稳定的输出转换。
• 主要特征

**申请**

施密特触发器的独特性能使其在几个关键应用中具有不可估量的价值：

• 幅度比较器： 它可以用来比较输入电压与其内置的UTP和LTP水平。
• 平方电路： 它擅长将正弦波或其他模拟波形转换为干净的方波。
• 脉冲调节： 它广泛用于清除噪声脉冲、锐化缓慢上升沿以及将劣化的数字信号恢复到完美的逻辑电平。
• 在探索了产生方波和矩形波的电路之后，我们将在下一个模块中将重点转移到同样重要的波形类别：线性斜坡或锯齿波，它们对于视觉显示系统至关重要。

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