背景知識(shí)

　　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(gè)反相放大級(jí)組成,。兩個(gè)放大器串聯(lián)或級(jí)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(jí)都將信號(hào)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(gè)放大器級(jí)并提供反饋路徑,。電容會(huì)阻隔任何從一級(jí)傳送到下一級(jí)的直流信號(hào)，因此非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器沒有穩(wěn)定的直流工作點(diǎn),，是一個(gè)自由運(yùn)行的振蕩器,。在單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器中，從一級(jí)到另一級(jí)的耦合使用一個(gè)電容,，而第二個(gè)連接是通過直流路徑,。因此，單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器有一個(gè)穩(wěn)定的直流級(jí),。

　　除了施加觸發(fā)脈沖時(shí)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(shí)間為信號(hào)路徑的交流耦合部分的RC時(shí)間常數(shù)所設(shè)置的預(yù)定時(shí)長(zhǎng)。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(shí)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(gè)實(shí)驗(yàn)的目的是構(gòu)建一個(gè)非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器,。兩個(gè)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,。

　　材料

　　▲ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

　　▲無焊試驗(yàn)板

　　▲跳線

　　▲兩個(gè)470 Ω電阻

　　▲兩個(gè)20 kΩ電阻

　　▲兩個(gè)小信號(hào)NPN晶體管（2N3904）

　　▲一個(gè)紅光LED

　　▲一個(gè)綠光LED

　　▲兩個(gè)47μF電容

　　說明

　　在無焊試驗(yàn)板上構(gòu)建圖1所示電路。請(qǐng)注意,，ADALM2000板沒有輸入,，只有電源。第一個(gè)反相放大器級(jí)由Q1,、R1和用作輸出負(fù)載的紅光LED組成,。

　　第二個(gè)反相放大器級(jí)由Q2、R2和用作負(fù)載的綠光LED組成,。C1將位于Q1集電極的第一級(jí)輸出耦合到位于Q2基極的第二級(jí)輸入,。類似地，C2將位于Q2集電極的第二級(jí)輸出耦合回位于Q1基極的第一級(jí)輸入,。

　　圖1.非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器

　　圖2.非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器試驗(yàn)板電路

　　試驗(yàn)板連接如圖2所示,。

　　程序步驟

　　只有在電路構(gòu)建完畢并檢查之后,，才能開啟V_P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(gè)LED同時(shí)亮起?，F(xiàn)在使用示波器通道測(cè)量輸出波形的頻率和周期。

　　圖3.使用47 μF電容時(shí)的非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器間隔

　　圖4.使用0.1 μF電容時(shí)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(gè)實(shí)驗(yàn)的目的是構(gòu)建一個(gè)單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器,。一個(gè)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(shí)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(dòng)學(xué)習(xí)模塊

　　▲無焊試驗(yàn)板

　　▲跳線

　　▲兩個(gè)470 Ω電阻

　　▲一個(gè)1 kΩ電阻

　　▲一個(gè)20 kΩ電阻

　　▲一個(gè)47 kΩ電阻

　　▲一個(gè)小信號(hào)二極管（1N914）

　　▲兩個(gè)小信號(hào)NPN晶體管（2N3904）

　　▲一個(gè)紅光LED

　　▲一個(gè)綠光LED

　　▲一個(gè)47 μF電容

　　說明

　　在無焊試驗(yàn)板上構(gòu)建圖5所示電路。從實(shí)驗(yàn)1中的電路出發(fā),，移除一個(gè)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

　　圖6.單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器試驗(yàn)板電路

　　試驗(yàn)板連接如圖6所示,。

　　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(diǎn)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(shí)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(gè)實(shí)驗(yàn)的目的是構(gòu)建一個(gè)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(dòng)學(xué)習(xí)模塊

　　▲無焊試驗(yàn)板

　　▲跳線

　　▲兩個(gè)470 Ω電阻

　　▲兩個(gè)1 kΩ電阻

　　▲兩個(gè)47 kΩ電阻

　　▲兩個(gè)小信號(hào)NPN晶體管（2N3904）

　　▲兩個(gè)小信號(hào)二極管（1N914）

　　▲一個(gè)紅光LED

　　▲一個(gè)綠光LED

　　說明

　　圖8.雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器

　　在無焊試驗(yàn)板上構(gòu)建圖8所示電路,。

　　硬件設(shè)置

　　圖9.雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器試驗(yàn)板電路

　　試驗(yàn)板連接如圖9所示。

　　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(diǎn)亮而綠光LED熄滅，或者綠光LED應(yīng)點(diǎn)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(gè)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(gè)實(shí)驗(yàn)的目的是使用實(shí)驗(yàn)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(dòng)學(xué)習(xí)模塊

　　▲無焊試驗(yàn)板

　　▲跳線

　　▲三個(gè)1 kΩ電阻

　　▲一個(gè)100 kΩ電阻

　　▲兩個(gè)200 kΩ電阻

　　▲兩個(gè)47 kΩ電阻

　　▲三個(gè)小信號(hào)NPN晶體管（2N3904）

　　▲兩個(gè)小信號(hào)二極管（1N914）

　　▲兩個(gè)39 pF電容

　　▲兩個(gè)100 pF電容

　　說明

　　在無焊試驗(yàn)板上構(gòu)建圖12所示的D型觸發(fā)器電路,。請(qǐng)注意，與圖8相比,，兩個(gè)二極管的極性相反,。此實(shí)驗(yàn)將在高得多的頻率下進(jìn)行，因此LED已被移除,，改用簡(jiǎn)單的1 kΩ負(fù)載電阻,。

　　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(hào)和單個(gè)時(shí)鐘脈沖來實(shí)現(xiàn)的：根據(jù)D輸入相對(duì)于當(dāng)前狀態(tài)的狀態(tài)，在時(shí)鐘脈沖的負(fù)沿或下降沿,，ON晶體管將斷開,，OFF晶體管將導(dǎo)通。真D信號(hào)和互補(bǔ)DB信號(hào)（Q3,、R7反相級(jí)的輸出）用于偏置二極管D1和D2,，以將時(shí)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(gè)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(shí)，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(shí)鐘輸入上的負(fù)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(fù)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(jiǎn)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€(gè)負(fù)向時(shí)鐘脈沖到達(dá)之后,。

　　圖12.D型觸發(fā)器

　　硬件設(shè)置

　　圖13.D型觸發(fā)器試驗(yàn)板電路

　　試驗(yàn)板連接如圖13所示。

　　程序步驟

　　AWG1輸出應(yīng)連接到圖12中標(biāo)記的時(shí)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(shí)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(gè)AWG輸出配置為同步運(yùn)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(gè)方波，其與時(shí)鐘輸入信號(hào)的下降沿對(duì)齊,。更改AWG2（D輸入信號(hào)）的相位,，同時(shí)觀察此對(duì)齊。這會(huì)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(gè)類似的方波信號(hào)，但它相對(duì)于Q輸出超前,。換言之,，Q輸出延遲到時(shí)鐘信號(hào)的下降沿為止。

　　圖14.Q和時(shí)鐘信號(hào)圖

　　圖15.Q和D信號(hào)圖

　　2分頻觸發(fā)器

　　目標(biāo)

　　第五個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的是修改實(shí)驗(yàn)4中的D型觸發(fā)器，以構(gòu)建一個(gè)將輸入信號(hào)的頻率除以2的電路,。

　　材料

　　▲ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

　　▲無焊試驗(yàn)板

　　▲跳線

　　▲兩個(gè)1 kΩ電阻

　　▲兩個(gè)200 kΩ電阻

　　▲兩個(gè)47 kΩ電阻

　　▲兩個(gè)小信號(hào)NPN晶體管（2N3904）

　　▲兩個(gè)小信號(hào)二極管（1N914）

　　▲兩個(gè)39 pF電容

　　▲兩個(gè)100 pF電容

　　說明

　　修改實(shí)驗(yàn)4中的D型觸發(fā)器,，在無焊試驗(yàn)板上構(gòu)建圖16所示的2分頻電路。

　　兩種狀態(tài)之間的切換是通過施加單個(gè)時(shí)鐘脈沖來實(shí)現(xiàn)的,；在該時(shí)鐘脈沖的負(fù)沿或下降沿,，這會(huì)導(dǎo)致ON晶體管斷開，OFF晶體管導(dǎo)通,。依次向每個(gè)基極施加脈沖,，該電路將順序切換，這是通過單個(gè)輸入時(shí)鐘脈沖來實(shí)現(xiàn)的——該時(shí)鐘脈沖用于偏置兩個(gè)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(gè)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(fù)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(fù)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(jiǎn)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?/p>

　　電路現(xiàn)在處于第二穩(wěn)定狀態(tài),，等待另一個(gè)負(fù)向時(shí)鐘脈沖,。

　　由于Q2的集電極電壓（Q輸出節(jié)點(diǎn)）會(huì)隨著每個(gè)時(shí)鐘脈沖改變狀態(tài)，因此每出現(xiàn)兩個(gè)時(shí)鐘輸入脈沖,，輸出端就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)脈沖,。因此，它可以用作二分頻電路,。

　　圖16.2分頻電路

　　硬件設(shè)置

　　圖17.2分頻觸發(fā)器試驗(yàn)板電路

　　試驗(yàn)板連接如圖17所示,。

　　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(shí)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(gè)方波,，其頻率是AWG1信號(hào)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(gè)類似的方波信號(hào),，但它相對(duì)于Q輸出反相。

　　圖18.時(shí)鐘和Q輸出圖

　　圖19.時(shí)鐘和QB輸出圖

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