多谐振荡器的设计

1、内蒙古民族大学本科毕业论文编号：099050241008本 科 毕 业 论 文题 目： 多谐振荡器的设计 学 院： 物理与电子信息学院 专 业： 电子信息科学与技术 年级： 2009级1班 姓 名： 张健 指导教师： 包常明 完成日期： 2012-5-16 15目 录中文摘要及关键词1英文摘要及关键词 2引 言 3一、多谐振荡器的组成结构及原理 31.1多谐振荡器的结构特点 31.2多谐振荡器电路中的反馈 41.3多谐振荡器电路中的放大环节61.4多谐振荡器电路中的稳幅环节 61.5多谐振荡器的工作原理 6二、多谐振荡器电路的设计 92.1分立元件设计的电路 92.2电路器件参数设置92.3电

2、路板图的印刷制作 102.4多谐振荡器电路的安装 11三、多谐振荡器电路的调试及检测 113.1多谐振荡器电路的调试 113.2多谐振荡器电路的检测 11四、结束语 12参考文献 13致 谢 14简 历15摘 要多谐振荡器是一种不用外加触发信号，就能自动的周期性变换，产生一定幅值和宽度的矩形波的自激振荡器，又称矩形波发生器。“多谐”指的是输出的矩形波中不仅含有基波成分，还包括丰富的多次谐波。它是通过深度正反馈，运用阻容耦合让两个电子元器件交替的导通或截止，从而产生自激振荡，输出方波的振荡器，其常作为矩形波发生器使用。在运行过程当中，由于多谐振荡器只存在两个暂稳态（饱和或截止）而没有稳定状态，所

3、以电路就在这两个暂稳态之间自动地交替翻转，又称为无稳态电路。故常被用作脉冲信号源及时序电路中的时钟信号使用。而文中介绍的多谐振荡器主要是使用分立元件（放大器）设计的。关键词：多谐振荡器；正/负反馈；放大器abstractmultivibrator is a need for any external trigger signal can be periodically automatically flip to produce amplitude and width of the rectangular wave of self-excited oscillator, also known a

4、s square wave generator. the meaning of harmony is outside the rectangle boji bo ingredients, rich in high-order harmonic components. it is through the depth of positive feedback, application of resistive and capacitive coupling of the turn of the conduction cut-off of two electronic devices, thereb

5、y creating a self-oscillating output square wave oscillator, often used as a square wave generator. at runtime, because the multivibrator exist only two temporary steady-state and steady state, the circuit automatically in between these two temporary steady state alternate, resulting in a rectangula

6、r wave pulse signal, often as a pulse signal the clock signal source and timing circuit.frequently used in the simulation of digital systems multivibrator. multivibrator need for external trigger signal can be generated on the rectangular wave of a certain frequency and a certain width, the output w

7、aveforms for the circuit of the clock signal source. ttl or cmos gate circuit of the multivibrator is frequently used in the actual application process,this article describes the multivibrator is to use discrete components (amplifier) design.key word: multivibrator;positive / negative;feedback;ampli

8、fier引 言随着电子产业的发展,各种稳定的波形发生器成为不可缺少的一部分,而矩形波是其中很重要的一种波形，并且在各个行业都比较常用。多谐振荡器是一种能产生矩形脉冲波形的一种自激振荡器，在没有外加触发信号的情况下接通电源后，它能连续性地，周期性地自行产生矩形脉冲波，如果说刚开始是低电压状态，那么在低电压停留一段时间以后将自动变成高电压状态，在高电压停留一段时间后又将自动跳入低电压状态，就这样重复着，输出矩形波。多谐振荡器常作为脉冲信号源。产生的脉冲波有基波和高次谐波分量组成，因此称为多谐振荡器。又由于其没有稳定的工作状态，由电容的充电与放电来控制三级管的导通与截止，由此进行正常工作，故多谐振荡

9、器又称为无稳态电路。多谐振荡器有时候也用集成器件，它通常通过集成逻辑门或其他中规模集成电路连接而成，它也可以用一些触发器或集成555定时器来实现。无稳态电路有多种形式，本文介绍的是以三级管和电容为核心元器件所组成的对称式多谐振荡器。一、多谐振荡器的组成结构及原理多谐振荡器是一种在没有外加触发信号的情况下，能产生矩形脉冲波的，且是自动的产生连续性、周期性的矩形脉冲波，由基波和高次谐波叠加而成。下面我将从多谐振荡器的结构、工作原理以及多谐振荡器产生的波形的指标等方面开始分析设计。1.1 多谐振荡器的结构特点1.1.1 组成多谐振荡器的原理框图电路组成框图如图1所示，多谐振荡器分别由正/负反馈网络、

10、放大器、稳幅环节及电源等三部分组成。由框图可知多谐振荡器主要有以上三部分。正/负反馈网络放大器稳幅环节图1 多谐振荡器组成框图figure 1 multivibrator composition diagram1.1.2 组成多谐振荡器的电路的特点多谐振荡器电路如图2所示，电路由直流电源，电容器，三极管以及电阻构成。从电路结构上看，由r c耦合放大器组成，其中每一级的输出耦合到另一级的输入。vt1和vt2的基极和集电极又通过电容耦合。通电后由于电路参数的不同以及反馈的存在，使两支三极管中一支处于截止状态，另一支处于饱和状态，电路出现第一个暂稳态，此后交替翻转，每次只有一级是导通的。假设vt2截

11、止，vt1饱和，那么在vt1与vt2循环往复的过程中便可产生矩形脉冲波信号，由三极管的基级输出。图2 多谐振荡器原理图figure 2 schematic multivibrator1.2 多谐振荡器电路中的反馈环节由于反馈环节是振荡器电路中比较重要的一个部分，同时判断反馈的类型是研究放大电路的基础。所以我将从反馈环节开始介绍多谐振荡器的组成。1.2.1 多谐振荡器中反馈的概念在电子电路中，将输出量（输出电压或输出电流）的一部分或全部通过一定的电路形式作用到输入回路，用来影响其输入量（放大电路的输入电压或输入电流）的措施称为反馈。反馈大致有交直流、正负反馈之分，再分有并联反馈、串联反馈、电压反

12、馈、电流反馈四种不同类型。反馈的目的就是为了改善整个系统的运行状况及效果，应用中主要是交流的。在电路中不同类型的反馈起着不同的作用。1.2.2 反馈类型的判断反馈类型的判断方法与具体步骤：（1）判断是否存在反馈。方法：如果放大路中存在着连接着输出回路和输入回路的通路，并且由此影响着放大电路的净输入量，则表明电路中引入了反馈，否则便没有反馈；（2）判断是交流反馈还是直流反馈。方法：画出反馈放大器的直流通路和交流通路：如果反馈在直流通路中出现，而没有在交流通路中出现，则是直流反馈；如果反馈存在于交流通路中，而不存在于直流通路中，则为交流、直流都存在的反馈。具体判断的时候主要依据反馈网络中有无电容。

13、如果反馈网络中没有电容元件，判断有交流反馈与直流反馈共存，如果有电容元件的存在，要通过电容元件对交流、直流信号的影响来判定；（3）判断是正反馈还是负反馈。方法：采用瞬时极性法来判断正负反馈。规定输入信号在某一时刻对地的瞬时极性，并以此为依据，然后逐级判断放大电路中相关各点电位的瞬时极性和各相关支路电流的瞬时流向，进而推出输出信号的瞬时极性或方向，再推出反馈信号的极性，选取包含输入信号、反馈信号、净输入信号这三个量的电路回路进行比较综合，如果反馈信号使放大器净输入量增大，为正反馈，反之为负反馈；（4）判断是并联反馈还是串联反馈。方法：如果反馈信号的输入端并联与信号源称为并联反馈；如果反馈信号的输

14、入端串联与信号源称为串联反馈。（5）判断是电压反馈还是电流反馈。方法：将输出电压的电平置为零，如果短路后反馈电压为零，就是电压反馈；反之，为电流反馈；1.2.3 反馈在电路中的作用1.本文中多谐振荡器原理图中存在的反馈：三极管集电极输出信号的一部分与电容c1相连到三极管的基极的过程是正反馈。另一个三极管的集电极输出信号的一部分与电容c2相连到三极管的基极的过程也是一个正反馈。而且这个反馈信号是代替了放大电路的输入信号，使放大电路能正常工作，维持振荡电路稳定输出的。2.实际运用过程中反馈的作用：在电路的分析设计过程中反馈环节有着十分重要的作用。在进行电路设计时使用反馈虽然会对电路的参数产生影响，

15、但是其对电路性能的改善效果远大于其对电路的影响，与此同时反馈的使用也能帮助我们轻松地满足电路设计中的一些特殊要求。如负反馈在提高放大器的稳定性的同时，也使通频带得以扩展，非线性失真得以减小，噪声得以降低。并联负反馈能够减小输出电阻，将负载能力提高。串联负反馈能够增大放大器的输入电阻，降低前一级信号源的电流。电流负反馈能够稳定输出电流，电压负反馈能够稳定输出电压等。在实际的电路设计过程中，不同的反馈可以帮助我们完成各种不同的电路设计。1.3 多谐振荡器电路中的放大环节在多谐振荡器电路中，放大电路也是一个十分重要的部分。放大器的正常运行，确保了矩形脉冲波的平稳输出。在不同类型的电路中，针对需要往往

16、采用不同的连接方式及性能。连接方式的不同决定了放大电路的用途是不一样的。而本文的多谐振荡器采用的放大电路是通过采用三极管连接而构成的共射放大电路。采用共射放大电路主要是因为其有较大的电流、电压增益，并且电路功能易于实现，符合多谐振荡器的电路要求。如图2所示。1.4 多谐振荡器电路中的稳幅环节多谐振荡器电路中的电源部分为整个电路提供能量，保证了振荡器正常的输出矩形脉冲波。我的设计中使用的是5v直流电源。直流可以保证供电过程中周期，极性不会发生变化。当振荡在一定程度上稳定时，根据三极管非线性实现，而不用另加稳幅，电路脉冲幅度是一定的，以后在这个数值下来回变换。在电源两端并联电容是为了把电源中杂波过

17、滤掉，从而避免杂波对振荡器的影响。1.5 多谐振荡器的工作原理1.5.1 电路的工作原理从输出波形中任选一时间段，各时间点（t0、t1、t2、t3、t4）已标注于图2所示波形中。下面我将从四个时间段逐段分析多谐振荡器电路的工作原理。(1)t0-t1期间：t0时刻之前，即没有接电源时+=0v，电路中不存在工作电压，电路的两个输出端电压均为0v。接通电源的瞬间，三极管vt1与vt2分别通过电阻获得的正偏电压，两个三极管均趋于导通，vt1、vt2的导通程度会存在差异，假设vt2导通稍微快一点，这时vt2的基极电流由rb2提供，将vcc加到电路，由于两只三极管都是正向偏置的故他们处于导通状态，此外，还

18、为藕合电容器c1和c2充电。充电的路线是由接地处到三级管基极，又通过电容器而至vcc电源。还有些充电电流是经过ra和rb的，从而通过正电压加在基极上，使晶体管导电量更大，其集电极电压下降，这个下降的电压通过电容c2加载到vt1的基极，使vt1的基极电压减小，集电极电压变大。这个变大的电压经过电容c1加到vt2的基极，从而使vt2的基极电流增大。这一过程为正反馈过程。由于有正反馈的存在，vt2很快进入饱和状态，而vt1则进入截止状态，即在t0时刻，vt1截止、vt2饱和。因此vt1的集电极输出高电平，vt2的集电极输出低电平。(2)t1-t2期间：在这个时间段内，vt1保持截止状态，vt2保持饱

19、和状态，为第一个暂稳态。在t0-t1这个很短的时间内，电容c1和c2两端的电压是没有时间反应变化的。但是在t1时刻之后，由于vt2饱和导通，这样就形成了一个对电容c2充电的回路。这个充电电压提高了vt1的基极电压，使vt1出现了转向饱和导通的偏向。很明显，vt2集电极输出低电平的时间（脉冲宽度）由c2充电时间的长短决定。(3)t2-t3期间：从t2时刻起，在vt1基极电流增大的过程中，通过电路的正反馈，vt1迅速进入饱和，vt2截止。t3时刻后，vt1由于处于饱和状态其集电极输出低电平，vt2由于截止其集电极输出高电平。(4)t3-t4期间：在这个时间段内，vt1保持饱和状态，vt2保持截止状

20、态，为第二个暂稳态。由于vt1保持截止，则构成了对电容c1的充电回路。vt1饱和时间的长短就是由c1充电时间长短决定的。c1的充电过程其两端增大的电压致使vt2的基极电压增大，进而使vt2的基极电流增大，就这样电路又进入了新的正反馈过程。一级导通时间的长短，取决于另一级截止的时间。也就是取决于c1，ra和c2，rb的时间常数rc。时间常数越小转换作用也就越快，因此多谐振荡器的输出频率就越高。就上述的电路来说，如果两个rc网络的时间常数相同，两个晶体管的导通和截止周期是相等的，那么可称之为对称的自微多谐振荡器。电路就在这不断的循环往复的过程中形成了自激振荡。多谐振荡器中各点的波形如图3所示。图3

21、 多谐振荡器中各点波形figure 3 multivibrator various points in the waveform1.5.2 电路的性能参数1.振荡周期：当电路中的元件参数对称时，即ra1=ra2=ra、rb1=rb2=rb、c1=c2=c以及vt1、vt2性能一致时，这一电路的振荡周期由下式决定：t=t1+t2=0.7(rb1c2+rb2c1)=1.4rbc 2.振荡频率：f =3.脉冲波形的技术指标（1）脉冲周期t ：周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲之间的时间间隔，也用单位时间内脉冲重复的次数。（2）脉冲宽度tw ：从脉冲前沿上升到0.5vm处开始，到脉冲后沿下降到0.5

22、vm为止的一段时间。（3）脉冲幅度vm ：脉冲电压的最大变化幅度，即最大值与最小值的距离。（4）上升时间tr ：脉冲前沿从0.1vm上升到0.9vm所经过的时间。（5）下降时间tf ：脉冲后沿从0.9vm下降到0.1vm所经过的时间。（6）占空比q：脉冲宽度与脉冲周期的比值。以上技术指标在波形中的位置如图4所示。图4 描述矩形脉冲特性的指标figure 4 describes the characteristics of rectangular pulse indicators二、多谐振荡器电路的设计2.1 分立元件设计的电路通过以上的原理分析，首先设计实验电路图，我的多谐振荡器是使用分立元件

23、设计的。其中，直流电源为供电器件用5v，反馈网络用电容c1和c2组成，放大器由三极管vt1和vt2组成，rb1c2和rb2c1组成选频网络，用电容c3滤波，加在电源两端，rlcl为输出端负载。根据上文分析，设计一个实际的多谐振荡器电路，电路如下所示。图5 多谐振荡器实验图figure 5 experimental figure multivibrator 2.2 电路元件参数设置（1）v1直流电源为5v。（2）ra1、ra2为放大电路的部分，与三极管的集电极相连，阻值为、功率为1/16w、误差为5%的色环电阻。（3）rb1、rb2为放大电路部分，与三极管的基极电阻相连，阻值120、功率1/16

24、w、误差为5%的色环电阻。（4）电阻rl为负载，是阻值20、功率1/16w、误差为5%的色环电阻。（5）电容c1、c2为正反馈，是容量200nf、耐压值10v、误差为5%的瓷片电容。（6）电容c3用作滤波，是容量10f、耐压值10v、误差为5%的电解电容。（7）电容cl为负载，是容量20nf、耐压值10v、误差为5%的瓷片电容。（8）vt1 、vt2 为多谐振荡器中的放大管，是两支2n3904三极管，其放大系数 =100，噪声系数nf 10db。2.3 电路板图的印刷制作通过protel 99 se软件设计电路板,也叫pcb板。它是由绝缘材料做出来的，平常我们在表面看到的是铜箔，根据线路的需要

25、，最后我们看到是经过处理的网状的，然后将元件的封装安排在合适的位置，然后布线。设计好的电路板图如图6所示。之后将设计好的板图打印在转印纸上，然后采用高温静电复印技术把图复印在敷铜板上，待冷却后，再用三氯化铁溶液进行腐蚀。腐蚀完毕后，及时用水冲洗干净。在印制板的相应位置钻孔，然后用细砂纸将覆盖在铜箔表面的墨迹擦干净，最后涂上酒精松香溶液，等待酒精挥发完毕。这样电路板图就印刷好了。图6 印制板图figure 6 board chart2.4 多谐振荡器电路的安装首先将所选用的元器件，准备所用的测试工具(万用表)，焊接工具（电烙铁，锡箔）等，全部进行检验后，确保元器件能够正常使用。然后将元器件按照之

26、前的设计方案，逐个插配在印刷好的电路板上，之后进行焊接。焊接时一定要注意电阻、电容尽量采用卧式焊接，焊接点一定要牢靠，同时注意焊接过程中的漏焊，虚焊，以及短路等细节问题。为了防止电路板的腐蚀，助焊剂需采用中性材料。完成上面的内容，多谐振荡器的电路就安装好了，下面我将对安装好的多谐振荡器的电路进行检测和调试。三、多谐振荡器电路的调试及检测3.1 多谐振荡器电路的调试调试之前需做好的准备工作：首先根据多谐振荡电路图逐个对应检查焊接好的电路板每个器件的位置，观察是否有漏焊、错焊的元件；检查每个焊点，排除虚焊现象；检查各元件之间的走线，确保走线之间没有相互接触，防止短路，烧坏电路板。调试开始前做好以上

27、工作。首先检测vcc的电压是否为5v，确保无误后继续往下调试。需要测量的内容是vt1、vt2放大电路的静态工作电压，并与所设计电路的对应的理论值进行比较，如果数值相差太大，则需要对电路进行检查、调整，确保静态工作点满足设计要求的。将振荡器空载运行二十分钟左右，观察各部分是否存在异常。如果没有问题，就在输出端接入一个发光二极管，观察二极管的亮度变化，同时观察着其他元件，如有异常，需及时断电检查。确保无误后应继续空载运行二十分钟左右，不出问题的话继续进行下面的性能检测。3.2 多谐振荡器电路的检测3.2.1电路输出波形的检测33.50ms将示波器与多谐振荡器电路的输出端相连，检测输出的波形。多谐振

28、荡器电路的输出波形如图7所示。图7 多谐振荡器的输出波形figure 7 multivibrator output waveform从图7可以看出，输出的波形还是比较接近方波的，是一个比较理想的波形。然而为什么会出现这种波形呢？出现这种波形主要是因为振荡过程中的两个状态（饱和状态和截止状态），这两个状态的交互过程并不是瞬变的，而是缓慢交替的。因此没有处理的输出信号只能接近方波，而不是真正的方波。想要得到比较理想的方波，只有在输出端接入合适的滤波电路才能实现。3.2.2实验数据的检测实验数据检测值：周期t=33.50ms，f =29.85hz，脉冲幅度vm=4.90v，上升时间tr =0.753

29、ms，下降时间tf =0.694ms。实验数据理论值：t=1.4rbc= 1.412020010-6=33.60ms，f=29.17hz。实验数据误差：t =0.30%，f =2.33%。实验数据在误差允许的范围内。综上所述，实验输出波形与实验所得数据都是比较理想的，符合设计要求，此次设计圆满结束。四、结束语经过一个多月的努力，在包老师的指导和同学们的帮助下，我的毕业论文设计终于得以完成。在毕业论文的设计过程中，我得到了很多宝贵的经验。首先设计论文是对以前所学知识的巩固的过程，虽然大学四年学习了很多知识，但那都是理论的，且都是片面的，具体的，没有从各方面把这些联系起来，制作一个完整的作品。从选题时对多谐振荡器概念的朦朦胧胧，到最后对所设计内容有深刻的认识，起码对研究制作电子作品的一个完