【導讀】本ben文wen解jie釋shi三san種zhong主zhu要yao類lei型xing的de多duo諧xie振zhen蕩dang器qi電dian路lu以yi及ji如ru何he構gou建jian每mei種zhong電dian路lu。多duo諧xie振zhen蕩dang器qi電dian路lu一yi般ban由you兩liang個ge反fan相xiang放fang大da級ji組zu成cheng。兩liang個ge放fang大da器qi串chuan聯lian或huo級ji聯lian
，反fan饋kui路lu徑jing從cong第di二er放fang大da器qi的de輸shu出chu接jie回hui到dao第di一yi放fang大da器qi的de輸shu入ru。由you於yu每mei一yi級ji都dou將jiang信xin號hao反fan相xiang，因yin此ci環huan路lu整zheng體ti的de反fan饋kui是shi正zheng的de。

多諧振蕩器主要分為三種類型：非穩態
、單(dan)穩(wen)態(tai)和(he)雙(shuang)穩(wen)態(tai)。非(fei)穩(wen)態(tai)多(duo)諧(xie)振(zhen)蕩(dang)器(qi)使(shi)用(yong)電(dian)容(rong)耦(ou)合(he)兩(liang)個(ge)放(fang)大(da)器(qi)級(ji)並(bing)提(ti)供(gong)反(fan)饋(kui)路(lu)徑(jing)。電(dian)容(rong)會(hui)阻(zu)隔(ge)任(ren)何(he)從(cong)一(yi)級(ji)傳(chuan)送(song)到(dao)下(xia)一(yi)級(ji)的(de)直(zhi)流(liu)信(xin)號(hao)，因(yin)此(ci)非(fei)穩(wen)態(tai)多(duo)諧(xie)振(zhen)蕩(dang)器(qi)沒(mei)有(you)穩(wen)定(ding)的(de)直(zhi)流(liu)工(gong)作(zuo)點(dian)，是(shi)一(yi)個(ge)自(zi)由(you)運(yun)行(xing)的(de)振(zhen)蕩(dang)器(qi)。在(zai)單(dan)穩(wen)態(tai)多(duo)諧(xie)振(zhen)蕩(dang)器(qi)中(zhong)，從(cong)一(yi)級(ji)到(dao)另(ling)一(yi)級(ji)的(de)耦(ou)合(he)使(shi)用(yong)一(yi)個(ge)電(dian)容(rong)，而(er)第(di)二(er)個(ge)連(lian)接(jie)是(shi)通(tong)過(guo)直(zhi)流(liu)路(lu)徑(jing)。因(yin)此(ci)，單(dan)穩(wen)態(tai)多(duo)諧(xie)振(zhen)蕩(dang)器(qi)有(you)一(yi)個(ge)穩(wen)定(ding)的(de)直(zhi)流(liu)級(ji)。除(chu)了(le)施(shi)加(jia)觸(chu)發(fa)脈(mai)衝(chong)時(shi)之(zhi)外(wai)
，電(dian)路(lu)均(jun)保(bao)持(chi)這(zhe)種(zhong)單(dan)一(yi)的(de)穩(wen)定(ding)狀(zhuang)態(tai)。然(ran)後(hou)，狀(zhuang)態(tai)改(gai)變(bian)，持(chi)續(xu)時(shi)間(jian)為(wei)信(xin)號(hao)路(lu)徑(jing)的(de)交(jiao)流(liu)耦(ou)合(he)部(bu)分(fen)的(de)RC時(shi)間(jian)常(chang)數(shu)所(suo)設(she)置(zhi)的(de)預(yu)定(ding)時(shi)長(chang)。在(zai)雙(shuang)穩(wen)態(tai)多(duo)諧(xie)振(zhen)蕩(dang)器(qi)中(zhong)，兩(liang)條(tiao)耦(ou)合(he)路(lu)徑(jing)都(dou)是(shi)直(zhi)流(liu)耦(ou)合(he)，因(yin)此(ci)電(dian)路(lu)具(ju)有(you)兩(liang)種(zhong)不(bu)同(tong)的(de)穩(wen)定(ding)狀(zhuang)態(tai)，並(bing)且(qie)不(bu)使(shi)用(yong)電(dian)容(rong)。雙(shuang)穩(wen)態(tai)多(duo)諧(xie)振(zhen)蕩(dang)器(qi)也(ye)被(bei)稱(cheng)為(wei)觸(chu)發(fa)器(qi)
，在(zai)任(ren)一(yi)時(shi)間(jian)處(chu)於(yu)兩(liang)種(zhong)直(zhi)流(liu)穩(wen)定(ding)狀(zhuang)態(tai)中(zhong)的(de)一(yi)種(zhong)狀(zhuang)態(tai)。

非穩態多諧振蕩器

目標

第一個實驗的目的是構建一個非穩態多諧振蕩器。兩個相同的電阻電容網絡決定振蕩發生的頻率。放大器件（晶體管）以共發射極配置連接，如圖1所示。

圖1. 非穩態多諧振蕩器

材料

●   ADALM2000 主動學習模塊

●   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

在無焊試驗板上構建圖1所示電路。請注意，ADALM2000板沒有輸入，隻有電源。第一個反相放大器級由Q1、R1和用作輸出負載的紅光LED組成。第二個反相放大器級由Q2、R2和用作負載的綠光LED組成。C1將位於Q1集電極的第一級輸出耦合到位於Q2基極的第二級輸入。類似地
，C2將位於Q2集電極的第二級輸出耦合回位於Q1基極的第一級輸入。

硬件設置

試驗板連接如圖2所示。

圖2. 非穩態多諧振蕩器試驗板電路

程序步驟

隻有在電路構建完畢並檢查之後，才能開啟VP電源。紅光和綠光LED應以大約1秒的間隔交替閃爍。您還可以使用示波器通道監視輸出波形（Q和Q-bar）。

由於電容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。電路現在應該以快得多的速度振蕩，兩個LED同時亮起。現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電容時的非穩態多諧振蕩器間隔

圖4. 使用0.1 μF電容時的非穩態多諧振蕩器間隔

單穩態多諧振蕩器

目標

第二個實驗的目的是構建一個單穩態多諧振蕩器。一個電阻電容網絡決定單穩態多諧振蕩器輸出的持續時間。放大器件（晶體管）以共發射極配置連接，如圖2所示。

材料

●   ADALM2000主動學習模塊

●   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

在無焊試驗板上構建圖5所示電路。從實驗1中的電路出發，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。務必將C2替換為原來的47 μF電容。

圖5. 單穩態多諧振蕩器

硬件設置

試驗板連接如圖6所示。

圖6. 單穩態多諧振蕩器試驗板電路

程序步驟

隻有在電路構建完畢並檢查之後，才能開啟VP電源。紅光LED應亮起，綠光LED應熄滅。用一段電線將觸發器輸入（R5端）短暫觸碰VP
，然後立即鬆開。紅光LED應熄滅
，綠光LED點亮約一秒鍾
，然後返回穩定狀態，紅光LED亮起
，綠光LED熄滅。多試幾次。

圖7. 觸發時的單穩態多諧振蕩器行為

雙穩態多諧振蕩器（或觸發器）

目標

第三個實驗的目的是構建一個雙穩態多諧振蕩器。放大器件（晶體管）以共發射極配置連接，如圖8所示。

材料

●   ADALM2000主動學習模塊

●   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

在無焊試驗板上構建圖8所示電路。

圖8. 雙穩態多諧振蕩器

硬件設置

試驗板連接如圖9所示。

圖9. 雙穩態多諧振蕩器試驗板電路

程序步驟

隻有在電路構建完畢並檢查之後，才能開啟VP電源。紅光LED應點亮而綠光LED熄滅，或者綠光LED應點亮而紅光LED熄滅。用一段電線將SET或RESET輸入（R5端或R6端）短暫觸碰VP
，然後立即鬆開。LED應改變狀態或來回切換

，具體取決於哪個輸入觸碰到VP。多試幾次。

圖10. 觸發SET引腳的雙穩態多諧振蕩器行為

圖11. 觸發RESET引腳的雙穩態多諧振蕩器行為

D型觸發器

目標

第四個實驗的目的是使用實驗3中的雙穩態或SET-RESET觸發器來構建所謂的D型觸發器。

材料

●   ADALM2000主動學習模塊

●   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

在無焊試驗板上構建圖12所示的D型觸發器電路。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行
，因此LED已被移除，改用簡單的1 kΩ負載電阻。

圖12. D型觸發器

觸發器兩種狀態之間的切換是通過施加D（數據）信號和單個時鍾脈衝來實現的：根據D輸入相對於當前狀態的狀態，在時鍾脈衝的負沿或下降沿，ON晶體管將斷開，OFF晶體管將導通。真D信號和互補DB信號（Q3、R7反相級的輸出）用於偏置二極管D1和D2，以將時鍾脈衝引導至正確的基極，這相當於圖8中的SET和RESET輸入。

為了說明電路如何工作
，我們假設電路處於兩個穩定狀態之一
，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（關斷晶體管Q2的VBE），使其反向偏置。

由於D1正向偏置，所以時鍾輸入上的負向脈衝（通過C1和C2耦合）被引導至Q1的基極，但由於D2反向偏置，所以負向脈衝被Q2的基極阻隔。通過C3和R3並聯組合的交叉耦合連接使Q1關斷，並使Q2導通。由於我們之前在簡單雙穩態多諧振蕩器中看到的正反饋效應，這種情況發生得非常快速。電路現在處於另一種穩定狀態，Q輸出高電平，QB輸出低電平。電路將保持在該狀態
，直到D輸入變為高電平並且另一個負向時鍾脈衝到達之後。

硬件設置

試驗板連接如圖13所示。

圖13. D型觸發器試驗板電路

程序步驟

AWG1輸出應連接到圖12中標記的時鍾輸入。AWG2輸出應連接到D輸入。示波器通道1輸入應連接到時鍾輸入。示波器通道2應連接到圖12中觸發器的Q輸出。AWG1和AWG2均應配置為具有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的頻率設置為10 kHz
，將AWG2的頻率設置為5 kHz。將AWG2的相位設置為45度。務必將兩個AWG輸出配置為同步運行。

隻有在電路構建完畢並檢查之後
，才能開啟VP電源並使能AWG輸出。應能在Q輸出上觀察到一個方波，其與時鍾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。應能看到一個類似的方波信號

，但它相對於Q輸出超前。換言之
，Q輸出延遲到時鍾信號的下降沿為止。

圖14. Q和時鍾信號圖

圖15. Q和D信號圖

2分頻觸發器

目標

第五個實驗的目的是修改實驗4中的D型觸發器
，以構建一個將輸入信號的頻率除以2的電路。

材料

●   ADALM2000主動學習模塊

●   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型觸發器，在無焊試驗板上構建圖16所示的2分頻電路。

圖16. 2分頻電路

兩種狀態之間的切換是通過施加單個時鍾脈衝來實現的；在該時鍾脈衝的負沿或下降沿，這會導致ON晶體管斷開，OFF晶體管導通。依次向每個基極施加脈衝
，該電路將順序切換，這是通過單個輸入時鍾脈衝來實現的——該時鍾脈衝用於偏置兩個二極管，根據觸發器的當前狀態將脈衝引導至正確的基極。

為了說明電路如何工作，我們假設電路處於兩個穩定狀態之一，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（關斷晶體管Q2的VBE）
，使其反向偏置。

由於D1正向偏置
，所以外部負向脈衝（通過C1和C2耦合）被引導至Q1的基極，但由於D2反向偏置
，所以負向脈衝被Q2的基極阻隔。通過C3和R3並聯組合的交叉耦合連接使Q1關斷，並使Q2導通。由於我們之前在簡單雙穩態多諧振蕩器中看到的正反饋效應，這種情況發生得非常快速。

電路現在處於第二穩定狀態
，等待另一個負向時鍾脈衝。

由於Q2的集電極電壓（Q輸出節點）會隨著每個時鍾脈衝改變狀態，因此每出現兩個時鍾輸入脈衝

，輸出端就會出現一個脈衝。因此，它可以用作二分頻電路。

硬件設置

試驗板連接如圖17所示。

圖17. 2分頻觸發器試驗板電路

程序步驟

AWG1輸出和示波器通道1輸入均應連接到圖16中標記的時鍾輸入。示波器通道2應連接到圖16中觸發器的Q輸出。AWG1應配置為具有5 V幅度峰峰值和2.5 V偏移（0 V至5 V擺幅）的方波。將頻率設置為10 kHz。

隻有在電路構建完畢並檢查之後，才能開啟VP電源並使能AWG1輸出。應能在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。應能看到一個類似的方波信號
，但它相對於Q輸出反相。

圖18. 時鍾和Q輸出圖

圖19. 時鍾和QB輸出圖

問題

對於圖1所示電路
，增加或減少兩個電容的值會產生什麼影響？

您可以在 學子專區 論壇上找到答案。

來源：ADI

作者：Doug Mercer 和 Antoniu Miclaus

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