积分电路 波形_积分电路方波转三角波

振荡系统电路–无稳态电路多谐振荡器 　　自激多谐振荡器主要有下列几种电路：分立器件构成的自激多谐振荡器TTL 与非门基本自激多谐振荡器环形自激多谐振荡器石英晶体自激多谐振荡器 　　分立器件构成的自激多谐振荡器 　　图6-117 所示是无稳态电路。这种电路由于是振荡器，所以没有输入端，只有输出端，而且电路也没有稳定的状态，两管集电极能够输出矩形脉冲信号。电路中，VT1 和VT2 的集电极和基极通过电容交连，所以这是集- 基耦合无稳态电路。

图6-117　无稳态电路 　　1．电路分析 　　对这一电路工作原理的分析可以根据输出信号波形分成4 种情况进行。 　　（1）
期间电路分析。
时刻之前，直流工作电压+V= 0V，电路中无直流工作电压，电路的两个输出电压均为0V。 　　电源接通之后，设VT2 导通优先于VT1，这样R2 为VT2 基极提供基极电流，其集电极电压下降，这一下降的电压经C2 加到VT1 基极（C2 两端的电压不能发生突变），使VT1 基极电压下降，其集电极电压上升，这一上升的电压通过电容C1 加到了VT2 基极，使VT2 基极电流更大，显然这是正反馈过程。 　　截止，即在
时刻，VT1 截止、VT2 饱和。由于VT1 截止， 所以其集电极输出电压
为高电平。由于VT2 饱和，所以其集电极输出电压
为低电平。 　　（2）
期间电路分析。这一段时间内，VT1 一直处于截止状态，VT2 一直处于饱和状态。 　　由于
时间很短，电容C1 和C2 两端的电压是不能发生突变的，但在
时刻后，因VT2 饱和导通，构成了对电容C2 的充电回路，其充电回路是：+V→R3→C2→VT2 集电极→VT2 发射极→ 地端，如图6-118 所示，在C2上的充电电压为左正右负。

图6-118　充电回路示意图这一充电电压使VT1 基极电压升高，使VT1 存在从截止转为饱和导通的趋势。显然，对电容C2 的充电时间长短决定了VT2 集电极输出低电平的时间长短，即VT2 集电极输出低电平脉冲的宽度。 　　（3）
期间电路分析。从
时刻起，由于VT1 基极电流增大，通过电路中的正反馈，很快使VT1 饱和、VT2 截止。
时间很短，主要是电路的正反馈过程。 　　从
时刻起，由于VT1 饱和，其集电极输出电压
为低电平；由于VT2 截止，其集电极输出电压
为高电平。 　　（4） t3 ～ t4 期间电路分析。这期间内，VT1 一直处于饱和状态，VT2 一直处于截止状态。由于VT1 饱和，构成对电容C1 的充电回路，其充电回路是：+V→R2→C1→VT1 集电极→VT1 发射极→ 地端，如图6-119 所示。

图6-119　充电回路示意图 　　这一充电使C1 上的充电电压为右＋左－，其充电的时间长短决定了VT1 饱和的时间长短。由于C1 上的充电电压增大，使VT2 基极电压增大，导致VT2 基极电流增大，这时电路又开始了下一轮的正反馈过程。 　　2．振荡周期 　　当电路中的件参数对称时，即R1 =R4、R2=R3、C1=C2 和VT1、VT2 性能一致，这一电路的振荡周期T 由下式决定：

关于无稳态电路分析主要说明以下几点。（1）R2 和C1 时间常数大小决定了对电容C1 的充电速度，也就是决定了VT1 饱和、VT2 截止的时间长短。R3 和C2 时间常数决定了对电容C2 的充电速度，即决定了VT2 饱和、VT1 截止的时间长短。（2）无稳态电路也是一种振荡器，它输出的是矩形脉冲信号，电路中没有选频电路。这一电路的两个输出信号相位相反，图中
为高电平时
为低电平， 当
为低电平时
为高电平，两者为反相关系。（3）这一电路在电源接通后，电路中的VT1 和VT2 就是一只饱和、另一只截止的变化，没有稳定的状态，所以称为无稳态电路。这种电路的分析主要是正反馈过程和电容充电过程的分析。（4）电路中的R1 和R4 分别是VT1和VT2 的集电极负载电阻，它们的阻值大些，有利于三极管的饱和，对振荡的频率没有多大影响。R2 和C1、R3 和C2 决定了振荡频率的高低。 　　TTL 与非门简易自激多谐振荡器 　　图6-120（a）所示是由两个非门和电阻R1、电容C1 构成的简易自激多谐振荡器电路。电路中，
和
是两个输出信号。图6-120（b）所示是这一电路两个输出端的输出信号电压波形。

图6-120　TTL 与非门简易自激多谐振荡器电路及波形图 　　1．电路分析 　　设电源接通后，非门A 输入端的电压较低，使非门A 输出高电平，即此时
为高电平。这一高电平加到非门B 的输入端，非门B 输出低电平，即
为低电平，此时电路进入一个暂稳态，如图6-120（b）所示波形。 　　由于
为高电平， 而
为低电平，这样
通过电阻R1 对电容C1 充电，其充电回路是：非门A 输出端→R1→C1→ 非门B 输出端，如图6-121 所示。这一充电使C1 充到左正右负的电压。

图6-121　C1 充电回路示意图 　　随着上述充电的进行，使非门A 输入端的电压上升，当非门A 输入端的电压上升到一定程度时，电路开始翻转，使非门A 输出低电平，即
为低电平。这一低电平加到非门B 的输入端，使非门B 输出高电平，即
为高电平，这时电路进入另一个暂稳态，如图6-120（b）所示波形。 　　2．电路翻转分析 　　由于在这一暂稳态时，输出端
电压高于非门A 输入端电压，这样电容C1 先通过R1放电（原先C1 上充到左正右负电压），C1 上的电荷放完后，输出端
电压开始对电容C1 进行反向充电，其充电回路是：非门B 输出端→C1→ 非门A 输入端，如图6-122 所示。这一充电使电容C1 充到右正左负的电压。

图6-122　C1 充电回路示意图 　　随着充电的进行，使非门A 输入端的电压下降，当这一输入电压下降到一定程度后，电路再次开始翻转，进入
为高电平、
为低电平的暂稳状态。从上述电路分析可知，采用TTL 门电路构成的无稳态电路与分立器件构成的无稳态电路具有相同的电路特性。关于这一电路工作原理还要说明下列几点。（1）对这种电路的分析方法主要是对非门电路的翻转分析，以及对电容C1 的充电、放电回路分析。（2）上述电路从接通电源到电路进入振荡状态是通过电路的正反馈回路实现的，这一正反馈回路是：非门输入端电压↑→非门A 输出端电压↓→非门B 输出端↑→非门A 输入端电压↑（通过电容C1，C1 两端电压不能突变）。（3）上述电路中，通过适当调整电阻R1 的阻值大小可以保证电路起振，一般电阻R1 的阻值为100 ～ 1000Ω。（4）在电路工作频率不高时，上述电路的振荡周期T ≈ 2.3RC（R 为电路中R1的阻值，C 为电路中C1 的容量）。如果电路的工作频率很高时，振荡周期要考虑到两个非门A 和B 的延迟时间，所以振荡周期T 还会长一些。 　　石英晶体自激多谐振荡器 　　图6-123 所示是石英晶体自激多谐振荡器电路。从电路中可看出，这一电路与上面介绍的基本电路结构相同，只是在电容回路中串联了一只石英晶体X1。

图6-123　石英晶体自激多谐振荡器电路 　　1．电路分析 　　关于该电路的起振和电路翻转过程与前面介绍的电路一样，这里对振荡频率作些说明。由晶振的等效电路可知，X1 等效成一个LC 串联谐振电路，设它的谐振频率是
。由LC 串联谐振电路特性可知，当该电路发生谐振时，其电路的阻抗最小，当信号频率为
时，X1 和C1 串联电路的阻抗为最小。 　　2．振荡理解方法 　　从电路中可看出，X1 和C1 串联在非门A和B 构成的正反馈回路中，当频率为
时，X1和C1 串联电路能够将最大的信号正反馈到非门A 的输入端，而对于频率高于或低于
的信号，由于X1 和C1 构成的串联谐振电路失谐，其阻抗增大，这样正反馈强度较低。所以，该电路能够振荡在频率为
的信号上，这一石英晶体自激多谐振荡器的振荡频率就是
，
主要由X1 特性决定。关于石英晶体自激多谐振荡器电路主要说明下列两点。（1）石英晶体自激多谐振荡器电路在数字系统电路中应用广泛，凡是需要脉冲信号源的电路都要用到这种振荡器电路，而在数字系统电路中脉冲源又是一种不可缺少的信号源。（2）大量采用石英晶体自激多谐振荡器电路的根本原因是石英晶体具有众多优点：一是振荡频率十分稳定，这是RC振荡器电路所不及的；二是很高的Q值；三是选频特性好。 　　定时器构成的多谐振荡器 　　定时器是一种应用十分广泛的集成电路，定时器可以用来构成脉冲信号产生电路和脉冲波形整形电路，例如，可以构成单稳态触发器电路、多谐振荡器电路、施密特触发器电路等。 　　图6-124（a）所示是采用常见的定时器集成电路555 构成的多谐振荡器电路。电路中，A1 是定时器集成电路555，内部电路中有两个电压比较器和一个RS 触发器，还有一只三极管和四只电阻器。集成电路A1 的③脚是该多谐振荡器电路的输出端，也是内部电路中RS触发器的Q 输出端。

图6-124　定时器构成的多谐振荡器电路 　　1．接通电源时电路分析 　　在刚接通电源时，由于电容C1 两端的电压不能突变， 使集成电路A1 的② 脚电压为0V。这一低电平加到电压比较器D 的同相输入端，电压比较器D 输出低电平，该低电平加到与非门B 的一个输入端，这样输出端Q 输出高电平，即多谐振荡器电路输出电压
为高电平，如图6-124（b）所示的输出电压
波形。 　　2．通电后电路分析 　　通电源之后，直流电压+V 通过电阻R1 和R2 对电容C1 充电，由于对电容C1 的充电要有一个过程，在C1 两端的电压没有充到一定程度时，电路保持输出电压
为高电平状态，如图6-124（b）所示波形，这是一个暂稳态。 　　随着对电容C1 的充电进行（C1 上的充电压极性为上正下负），当C1 上的电压达到一定程度后，集成电路A1 的⑥脚电压为高电平，该高电平加到内部电路中的电压比较器C 的反相输入端，使比较器C 输出低电平，该低电平加到与非门A 的一个输入端，使RS 触发器翻转，即Q 端输出低电平，即
为低电平，Q为高电平。从图6-124（b）所示波形中可以看出，此时
已从高电平翻转成低电平。 　　在Q为高电平后，该高电平经电阻R6 加到VT1 基极，使VT1 饱和导通。由于VT1 导通后集电极与发射极之间内阻很小，这样电容C1 上充到的上正下负电压开始放电，其放电回路是：C1 上端→ R2 →集成电路A1 的⑦脚→VT1 集电极→ VT1 发射极→地端→ C1 下端，如图6-125 所示。在C1 放电期间，多谐振荡器电路保持
为高电平这一暂稳态，如图6-124（b）所示波形中低电平段。

图6-125　放电回路示意图 　　随着电容C1 的放电，C1 上的电压在下降，当C1 上的电压下降到一定程度后，使集成电路A1 的②脚电压很低，即电压比较器D 的同相输入端电压较低，使电压比较器D 输出低电平。该低电平加到与非门B 的一个输入端，使RS 触发器再次翻转，翻转到Q 端为高电平的暂稳态，即Uo 为高电平。由于Q 为高电平，Q为低电平，使VT1 基极电压很小，VT1 截止，电容C1 停止放电，改变为+V 通过电阻R1 和R2 对C1 充电，这样电路进入第二个周期。这种多谐振荡器电路与其他多谐振荡器电路一样，有相同的振荡特性。这里还要说明下列几点。（1）在集成电路A1 的内部电路中，电阻R2、R3 和R4 构成分压电路，分别为电压比较器C 和D 提供基准电压。对于电压比较器C 而言，基准电压加到同相输入端。对电压比较器D 而言，基准电压加到反相输入端。（2）电压比较器的工作特性是：对电压比较器C 而言，当反相输入端的电压大于同相输入端上的基准电压时，电压比较器C输出低电平；对于电压比较器D而言，当同相输入端的电压大于反相输入端上的基准电压时，电压比较器D 输出高电平。