多諧振蕩器電路圖解析及其工作原理與廣泛應(yīng)用

多諧振蕩器，也稱(chēng)為多頻振蕩器或多頻發(fā)生器，是一種能夠產(chǎn)生多個(gè)頻率的振蕩器。它通過(guò)使用不同頻率的諧振電路或振蕩器回路，使得輸出信號(hào)具有多個(gè)諧振頻率。多諧振蕩器廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，如通信、無(wú)線電技術(shù)、音頻處理等領(lǐng)域，特別是在調(diào)頻調(diào)幅(FM/AM)廣播中，多諧振蕩器能夠產(chǎn)生多個(gè)頻率的載波信號(hào)，然后將音頻信號(hào)調(diào)制到這些載波信號(hào)上，實(shí)現(xiàn)廣播信號(hào)的傳輸。此外，多諧振蕩器還常用作方波發(fā)生器，能夠產(chǎn)生矩形波脈沖信號(hào)，作為脈沖信號(hào)源及時(shí)序電路中的時(shí)鐘信號(hào)。

一、多諧振蕩器的工作原理

多諧振蕩器的工作原理基于電子元件的非線性特性和諧振電路的特性。以下將詳細(xì)闡述多諧振蕩器的工作原理，包括其初始狀態(tài)、觸發(fā)過(guò)程、振蕩過(guò)程、穩(wěn)定過(guò)程以及重復(fù)過(guò)程。

1. 初始狀態(tài)

在多諧振蕩器開(kāi)始工作時(shí)，電路處于一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)，電路中的電壓和電流保持不變。在多諧振蕩器的設(shè)計(jì)中，通常包含電感、電容和電阻等元件，這些元件共同構(gòu)成了諧振電路或振蕩器回路。

2. 觸發(fā)過(guò)程

當(dāng)電路中的某個(gè)條件發(fā)生變化時(shí)，如輸入信號(hào)、外部干擾或電路內(nèi)部元件的微小差異等，電路會(huì)從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)切換到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為觸發(fā)過(guò)程。在多諧振蕩器中，觸發(fā)過(guò)程通常是由電路中的非線性元件(如晶體管、二極管等)的開(kāi)關(guān)特性引起的。

3. 振蕩過(guò)程

在觸發(fā)過(guò)程中，電路中的電壓和電流發(fā)生變化，產(chǎn)生正反饋。正反饋使得電路從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)迅速切換到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，形成振蕩。在多諧振蕩器中，這種振蕩過(guò)程是通過(guò)諧振電路中的電感、電容和電阻等元件的相互作用實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電路中的電流和電壓達(dá)到特定條件時(shí)，諧振電路會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的輸出信號(hào)。

4. 穩(wěn)定過(guò)程

在振蕩過(guò)程中，電路中的電壓和電流逐漸趨于穩(wěn)定，最終達(dá)到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為穩(wěn)定過(guò)程。在多諧振蕩器中，穩(wěn)定過(guò)程的時(shí)間取決于電路中的元件參數(shù)(如電感、電容和電阻的值)以及外部條件(如電源電壓、溫度等)。

5. 重復(fù)過(guò)程

當(dāng)電路達(dá)到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)后，觸發(fā)過(guò)程再次發(fā)生，使電路再次從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)切換到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。這個(gè)過(guò)程不斷重復(fù)，形成周期性的振蕩信號(hào)。在多諧振蕩器中，這種周期性的振蕩信號(hào)就是其輸出信號(hào)。由于多諧振蕩器能夠產(chǎn)生多個(gè)頻率的振蕩信號(hào)，因此其輸出信號(hào)中包含了多個(gè)諧振頻率。

二、多諧振蕩器的具體實(shí)現(xiàn)方式

多諧振蕩器可以通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)，包括使用分立元件(如晶體管、二極管、電阻、電容等)和集成電路(如555定時(shí)器、運(yùn)放等)。以下以?xún)煞N常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)方式為例進(jìn)行說(shuō)明。

1. 分立元件構(gòu)成的多諧振蕩器

分立元件構(gòu)成的多諧振蕩器通常包含兩個(gè)或更多的晶體管作為開(kāi)關(guān)元件，通過(guò)阻容耦合實(shí)現(xiàn)正反饋和振蕩。在工作時(shí)，兩個(gè)晶體管交替導(dǎo)通和截止，形成方波輸出。這種多諧振蕩器的頻率和波形可以通過(guò)調(diào)整電路中的電阻、電容和晶體管等元件的參數(shù)來(lái)改變。

2. 集成電路構(gòu)成的多諧振蕩器

集成電路構(gòu)成的多諧振蕩器通常采用專(zhuān)門(mén)的振蕩器芯片(如555定時(shí)器)來(lái)實(shí)現(xiàn)。555定時(shí)器是一種集成電路定時(shí)器芯片，具有多個(gè)引腳和內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，可以方便地構(gòu)成多諧振蕩器。在構(gòu)成多諧振蕩器時(shí)，只需要將555定時(shí)器的特定引腳與外部電阻、電容等元件相連即可。通過(guò)調(diào)整外部電阻和電容的值，可以改變多諧振蕩器的頻率和波形。

三、多諧振蕩器的應(yīng)用

多諧振蕩器廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，以下是一些典型的應(yīng)用場(chǎng)景：

音頻振蕩器 ：用于產(chǎn)生音頻信號(hào)，廣泛應(yīng)用于音響設(shè)備、通信設(shè)備等。

時(shí)鐘振蕩器 ：用于產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、手機(jī)、數(shù)字電路等。

信號(hào)發(fā)生器 ：用于產(chǎn)生各種類(lèi)型的信號(hào)，如正弦波、方波、三角波等，廣泛應(yīng)用于測(cè)試儀器、通信設(shè)備等。

頻率合成器 ：用于產(chǎn)生可調(diào)頻率的信號(hào)，廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信、雷達(dá)、導(dǎo)航等。

相位鎖定環(huán) ：用于鎖定輸入信號(hào)的頻率和相位，廣泛應(yīng)用于通信設(shè)備、導(dǎo)航設(shè)備等。

四、多諧振蕩器在溫控報(bào)警電路中的應(yīng)用

下圖是利用多諧振蕩器構(gòu)成的簡(jiǎn)易溫控報(bào)警電路，圖中ICEO是三極管T基極開(kāi)路時(shí)，由集電區(qū)穿過(guò)基區(qū)流向發(fā)射區(qū)的反向飽和電流，稱(chēng)作穿透電流。ICEO是三極管的熱穩(wěn)定性參數(shù)之一，常溫下，硅管的ICEO比鍺管的ICEO要小;溫度升高，ICEO增大，且鍺管的ICEO隨溫度升高增大較快。選用晶體管時(shí)一般希望ICEO盡量小，但本電路采用穿透電流大，且對(duì)溫度變化敏感的鍺管，利用其ICEO控制555定時(shí)器復(fù)位端4管腳的電壓。

圖中555定時(shí)器與R1、R2和C組成多諧振蕩器，其復(fù)位端4腳RD通過(guò)R3接地。常溫下，鍺管穿透電流ICEO較小，一般在10～50μΑ，在3上產(chǎn)生的電壓較低，則555復(fù)位端4腳RD的電壓較低，則555處于復(fù)位狀態(tài)，多諧振蕩器停振。當(dāng)溫度升高或有火警時(shí)，ICEO增大，在R3上產(chǎn)生的電壓升高，使555復(fù)位端4腳RD為高電平，多諧振蕩器開(kāi)始振蕩，揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警聲。

溫控報(bào)警電路不同的晶體管，其ICEO值相差較大，故需改變R3的阻值來(lái)調(diào)節(jié)控溫點(diǎn)。方法是先把測(cè)溫元件T置于要求報(bào)警的溫度下，調(diào)節(jié)R3使電路剛發(fā)出報(bào)警聲。報(bào)警的音調(diào)取決于多諧振蕩器的振蕩頻率，由元件R1、R2和C決定，改變這些元件值，可改變音調(diào)，但要求R1大于1kΩ。

五、多諧振蕩器的特性分析

1. 頻率穩(wěn)定性

多諧振蕩器的頻率穩(wěn)定性是其性能的重要指標(biāo)之一。頻率穩(wěn)定性受到多種因素的影響，包括電路元件的精度、溫度變化、電源電壓波動(dòng)等。為了提高頻率穩(wěn)定性，通常需要采用高精度的元件、溫度補(bǔ)償電路以及穩(wěn)壓電源等措施。

2. 波形質(zhì)量

多諧振蕩器輸出的波形質(zhì)量也是其性能的重要方面。理想的波形應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)的矩形波或正弦波，但實(shí)際輸出往往受到電路非線性和寄生參數(shù)的影響，導(dǎo)致波形失真。為了改善波形質(zhì)量，可以采用低失真元件、優(yōu)化電路布局和布線以及增加濾波電路等方法。

3. 功耗

功耗是多諧振蕩器設(shè)計(jì)中需要考慮的重要因素。低功耗設(shè)計(jì)有助于延長(zhǎng)設(shè)備的使用時(shí)間，減少能源消耗。在多諧振蕩器的設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)選擇低功耗元件、優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)和采用節(jié)能技術(shù)等手段來(lái)降低功耗。

4. 抗干擾能力

多諧振蕩器在工作過(guò)程中可能受到來(lái)自外部或內(nèi)部的干擾，如電磁干擾、電源噪聲等。這些干擾可能導(dǎo)致輸出信號(hào)的不穩(wěn)定或失真。為了提高抗干擾能力，可以采用屏蔽、濾波、接地等技術(shù)手段來(lái)抑制干擾信號(hào)。

六、多諧振蕩器電路圖

1、可調(diào)自激多諧振蕩器電路圖

本例是一個(gè)帶有RC延遲電路的非門(mén)環(huán)形自激多諧振蕩器實(shí)驗(yàn)電路，電路原理圖見(jiàn)圖所示。

振蕩電路由4069芯片非門(mén)電路及定時(shí)電路元件RP1、C1等組成，并由U1輸出矩形波信號(hào)。RI為保護(hù)電阻，避免定時(shí)電容C1反向放點(diǎn)瞬時(shí)電流可能造成U1門(mén)電路的損壞。

U1作為振蕩器的開(kāi)關(guān)環(huán)節(jié)，C1、RP1定時(shí)電路產(chǎn)生延時(shí)正反饋信號(hào)，去控制開(kāi)關(guān)環(huán)節(jié)周期性的開(kāi)通和關(guān)閉，此外，微調(diào)R1的阻值可以調(diào)節(jié)振蕩器輸出波形的占空比。U1的作用是整形，以便使振蕩器輸出波形較好的矩形波。發(fā)光二極管LED1和LED2顯示 U1輸出端電位的高低。振蕩器輸出端波形每秒鐘周期性變化的次數(shù)叫做頻率，用f表示，它的單位是赫茲(HZ)，振蕩器輸出波形完成一次周期性變化所需的時(shí)間叫做周期，用T表示，單位是秒(s)。 頻率和周期是互為倒數(shù)的關(guān)系：f=1/T。

在實(shí)際電路中，我們可以把改變定時(shí)電容C1的值來(lái)作為振蕩頻率的粗調(diào)，把調(diào)整定時(shí)電阻RP1作為頻率的精調(diào)。

接通電源后，發(fā)光二極管LED1和LED2交替閃亮，調(diào)整可變電阻RP1，就可以連續(xù)調(diào)整振蕩頻率。

2、占空比獨(dú)立可調(diào)的555多諧振蕩器電路圖

如圖所示，一般的555多諧振蕩器，充放電時(shí)間的調(diào)節(jié)會(huì)相互影響。本電路采用鏡像電流源的形式，使電容C的充電回路和放電回路獨(dú)立分開(kāi)，且保證充、放電的線性。當(dāng)剛通電時(shí)，輸出呈高電平，VT5、VT2、VT1導(dǎo)通，C通過(guò)VT1恒流充電，當(dāng)充至2/3VDD閾值電平時(shí)，555復(fù)位，3腳轉(zhuǎn)呈低電平，VT5截止。C通過(guò)VT3、IC內(nèi)部的放電管放電，當(dāng)放至1/3VDD時(shí)，555置位。周而復(fù)始，形成振蕩。

3、隨光照強(qiáng)度變調(diào)的555多諧振蕩器電路圖

如圖所示，本振蕩器由555、R1、R3、C1和光敏三極管VT組成無(wú)穩(wěn)態(tài)多諧式。振蕩頻率

光敏三極管VT的內(nèi)阻隨光照的變化而變化，當(dāng)光照強(qiáng)時(shí)，呈低阻;光照弱時(shí)，呈高阻。因而，振蕩頻率也隨光照的強(qiáng)弱而變化，頻率范圍可達(dá)1Hz～6.5kHz。本振蕩器可用作盲人探路、天明報(bào)曉等場(chǎng)合。

八、總結(jié)

多諧振蕩器作為一種重要的電子元件，在通信、無(wú)線電技術(shù)、音頻處理等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。其工作原理基于電子元件的非線性特性和諧振電路的特性，通過(guò)正反饋機(jī)制實(shí)現(xiàn)周期性的振蕩。多諧振蕩器的設(shè)計(jì)需要考慮多種因素，包括頻率穩(wěn)定性、波形質(zhì)量、功耗和抗干擾能力等。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，多諧振蕩器將不斷更新和演進(jìn)，向集成化、數(shù)字化、高頻化和智能化方向發(fā)展。