背景知識
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,。
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(fù)載的紅光LED組成,。
第二個反相放大器級由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,。
圖1.非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器
圖2.非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器試驗板電路
試驗板連接如圖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
圖6.單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器試驗板電路
試驗板連接如圖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
圖8.雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器
在無焊試驗板上構(gòu)建圖8所示電路,。
硬件設(shè)置
圖9.雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器試驗板電路
試驗板連接如圖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(jìn)行,，因此LED已被移除,，改用簡單的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(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(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(fù)向時鐘脈沖到達(dá)之后,。
圖12.D型觸發(fā)器
硬件設(shè)置
圖13.D型觸發(fā)器試驗板電路
試驗板連接如圖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,。
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(fù)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(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)生得非常快速,。
電路現(xiàn)在處于第二穩(wěn)定狀態(tài),，等待另一個負(fù)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,。
圖16.2分頻電路
硬件設(shè)置
圖17.2分頻觸發(fā)器試驗板電路
試驗板連接如圖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
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