多谐振荡电路频率计算方法

一、实验目的

(1)掌握使用门电路构成脉冲信号产生电路的基本方法。

(2)掌握影响输出脉冲波形参数的定时元件数值的计算方法。

(3)了解石英晶体稳频的原理和使用石英晶体构成振荡器的方法。

二、实验仪器

(1)数字逻辑电路实验箱

(2)双踪示波器，频率计，数字万用表，脉冲源

(3)芯片74LS00、74LS04各一个，晶振4MHz一个

(4)470Ω电阻一个，1kΩ电阻两个，0．01μF、100μF、0．1μF电容各一个，5600p F电容两个

三、实验原理

多谐振荡器是一种自激振荡电路，该电路在接通电源后无需外接触发信号就能产生一定频率和幅值的矩形脉冲或方波。由于多谐振荡器在工作过程中不存在稳定状态，故又称为无稳态电路。与非门作为一个开关倒相器件，可用以构成各种脉冲波形的产生电路。电路的基本工作原理是利用电容的充放电，当输入电压达到与非门的阀值电压VT时，门的输出状态即发生变化。因此，电路输出的脉冲波形参数直接取决于电路中阻容元件的数值。

1．非对称型多谐振荡器

如图2－18－1所示，非门G3用于输出波形整形。

非对称型多谐振荡器的输出波形是不对称的，我们用tw1、tw2、T分别表示充电时间、放电时间、脉冲周期。当用TTL与非门组成时，它们为

tw1=RC，tw2=RC，T=2．2RC

调节R与C的值，可改变输出信号的振荡频率，通常用改变C实现输出频率的粗调，改变电位器R实现输出频率的细调。

图2－18－1 非对称型多谐振荡器

图2－18－2 对称型多谐振荡器

2．对称型多谐振荡器

如图2－18－2所示，设刚开始t=0时接通电源，电容尚未充电，此时电路的状态为第一暂稳态。随着时间的增长，电容不断充电，VA不断增大，直到阀值电压VT时，电路发生下述正反馈过程:

而后，电容充满电后开始放电，电路又发生下述正反馈过程:

其中，当G1截止G2导通的瞬间，电路为第二暂稳态。如此，电路将不停地在两个暂稳态之间往复振荡。

由于电路完全对称，电容器的充放电时间常数相同，故输出为对称的方波。改变R和C的值，可改变输出信号的振荡频率。如输出端加一非门，可实现输出波形整形。

一般取R≤1kΩ，当R=1kΩ，C=100p F～100μF时，f=n Hz～n MHz，脉冲宽度tw1=tw2=0．7RC，T=1．4RC。

3．带RC电路的环形振荡器

电路如图2－18－3所示。其中G4用于整形，以改善输出波形，R为限流电阻，一般取100Ω，电位器RW要求不大于1kΩ。电路利用电容C充放电过程，控制D点电压VD，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

图2－18－3 带RC电路的环形振荡器

调节R和C的值，可改变输出信号的振荡频率。

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VT的时刻。在VT附近电容器的充放电速度已经很缓慢，而且VT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。

4．石英晶体振荡器

石英晶体的选频特性非常好，它有一个极为稳定的串联谐振频率，而且等效品质因素很高。只有频率等于串联谐振频率的信号最容易通过，而其他频率的信号均会被晶体所衰减。

当要求多谐振荡器的工作频率稳定性很高时，上述几种多谐振荡器的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2－18－4所示为使用TTL器件和常用的晶体构成稳频多谐振荡器。

图2－18－4 稳频多谐振荡器

四、实验内容

1．非对称型多谐振荡器

(1)按图2－18－1所示连线，构成多谐振荡器，其中电阻R取10kΩ的电位器，电容C取0．01μF。

(2)用示波器观察VO点的输出波形及电容C两端的电压波形。

(3)调节电位器R的阻值，观察输出VO波形的变化，测量输出的上、下限频率。

(4)用一只100μF电容器跨接在74LS00的14脚与7脚的最近处，观察输出波形的变化情况及电源上纹波信号的变化情况。

2．对称型多谐振荡器

按图2－18－2所示接线，取R=1kΩ，C=0．047μF，用示波器观察输出波形，记录实验结果。

3．带RC电路的环形振荡器

(1)按图2－18－3所示接线，取限流电阻R为510Ω，RW为1kΩ的电位器，C=0.1μF。

(2)将RW调到最大时，用示波器观察A、B、D、E及VO各点电压的波形，测量VO的周期T和负脉冲宽度值(电容C的充电时间)，并与理论计算值比较。

(3)改变RW值，观察输出信号VO波形的变化情况。

4．石英晶体振荡器

按图2－18－4所示接线，选用4MHz晶振，非门选用74LS00或74LS04，用示波器观测输出波形，用频率计测量输出信号频率，并记录实验结果。