自激多谐振荡器的电路仿真与应用

鹿 优

山东省电力学校 山东 泰安 271000

0 引言

自激多谐振荡器又称为无稳态振荡电路，这种类型的电路在没有外加触发信号的情况下能够连续的、周期性的自动产生矩形脉冲。所产生的矩形脉冲是由基波和多次谐波叠加构成，故将此类电路称为多谐振荡电路。此类电路在生产生活的许多领域中有着广泛的应用。无稳态电路存在多种形式，本文介绍的是以三极管和电容器为核心元器件的对称的自激多谐振荡器。这种电路没有稳定状态，由电容器的充电与放电来控制三极管的导通与截止，从而使电路在两个暂态之间自行“振荡”。

1 对称自激多谐振荡器的原理分析

对称自激多谐振荡器如图1所示，电路由直流电压源 E、三极管 BG1与 BG2、电容器 C1与 C2、发光二极管 LED1与 LED2、以及电阻 R1、R2、R3、R4构成。我们通过这个电路阐述对称自激多谐振荡器的原理。

对称自激多谐振荡器所谓“对称”，指的是在电路中：C1=C2，R1=R4，R2=R3，并且三极管 BG1与 BG2为同一类型的管子，整个电路看上去像“照镜子”一般，两边所选的器件型号相同。对称自激多谐振荡器自激振荡的实质是电容器C1与C2交替的充放电，这个过程控制了三极管BG1与BG2的导通与截止。由三极管BG1与BG2的工作状态决定了发光二极管LED1与LED2的状态。由于我们无法直接看出三极管饱和或截止的状态，所以选择“低频电路”，并在电路中加入两枚发光二极管对电路的两个暂态进行指示。

在电路通电的瞬间，三极管BG1与BG2分别通过电阻R3与R2获得正偏电压，两个三极管均趋于导通，此时，电容器C1通过电阻R1、三极管BG2充电，电容器C2通过电阻R4、三极管BG1充电。虽然电路是“对称”的，两个三极管为同一类型，但它们的特性仍然无法百分之百相同。假如三极管BG2的电流增益比三极管BG1的高，则会率先进入饱和状态。而当BG2饱和时，电容器C2则通过电阻R3和三极管BG2放电，由于“电容器两端的电压不能突变”［1］，此时电容器 C2与三极管 BG1的基极耦合的一侧产生“负跳脉冲”，促使三极管BG1迅速截止。电路由此进入了自激振荡的过程，两个暂态交替进行。正是由于相同类型的器件上微小的不同，使得“对称”的电路开始“振荡”。

1）暂态一：三极管BG2饱和导通，电容器C2开始放电（反向充电），三极管BG1截止，电容器C1开始充电。现象为LED2发光，LED1熄灭。

前一时刻，C1放电完成，放电结果使得C1与BG2基极耦合的极板电位提升至0.7V，导致BG2由截止状态转向饱和导通状态，BG2的饱和导通使前一时刻完成充电的C2的带正电的极板与电位零点接通（接地），因为“电容器两端的电压不能突变”，C2的负极板会产生“负跳脉冲”，电位瞬间突变为负值，由于C2的负极板与BG1的基极耦合，则BG1的基极受到负电位控制，使BG1由导通状态转向截止状态。 此时，C1继续经由电源 E、LED1、R1、C1、BG2构成的回路充电，使C1与R1相连的一极带正电，与BG2基极耦合的一极电位为零；C2开始经由电源 E、R3、C2、BG2构成的回路放电； 由于 BG2导通，由 E、LED2、R4、BG2构成回路，LED2发光。 暂态一可参见图1中的“点线”部分。

图1 对称自激多谐振荡器

2）暂态二：三极管BG1饱和导通，电容器C1开始放电（反向充电），三极管BG2截止，电容器C2开始充电。现象为LED1发光，LED2熄灭。

暂态一中电容器C2的不断放电使C2与BG2集电极相连的极板电位为零，C2与BG1基极耦合的极板电位由“负跳脉冲”的幅值不断升高，当越过零点，上升至0.7V时，BG1的基极电位也跟随上升至0.7V，导致BG1由截止状态转向饱和导通状态。BG1的导通结束了C1的充电过程，并使C1带正电的极板通过BG1与电位零点相连（接地），此极板的电位瞬间为零，但是因为“电容器两端的电压不能突变”，C1的另一极板瞬间会产生 “负跳脉冲”，使电位突变为负值，由于该极板与BG2基极耦合，BG2的基极受到负电位控制，使BG2由饱和导通状态转向截止状态。此时，C2继续经由电源E、LED2、R4、C2、BG1构成的回路充电， 使 C2与 R4相连的一极带正电，与BG1基极耦合的一极电位为零；C1开始经由电源 E、R2、C1、BG1构成的回路放电； 由于BG1导通， 由 E、LED1、R1、BG1构成回路，LED1发光。暂态二可参见图1中的“虚线”部分。

综上所述，由于电容器的充放电控制了三极管的工作状态，两个电容器交替的充放电造就了电路中的两个暂态，这就是自激多谐振荡器自激振荡的本质。

2 对称自激多谐振荡器的仿真实现

电子电路的实现分为三步：电路设计、电路安装、通电调试。在电子电路中，元器件的选取大多数情况下并不是唯一的，即元器件的某一参数的取值只要处于一定范围之内，电路的工作状态就能符合要求。所以在电路设计之初，要依照电路的原理以及欲实现的功能对各元器件的参数进行估值，以此为依据遴选器件型号，使电路的性能满足基本要求。

2.1 电路参数的估值

依据对称自激多谐振荡器的原理，以实现电路的功能为目的，在搭建电路之前，对电路参数进行估值计算。

假设选取三极管的放大倍数β=50，型号BF469。直流电压源输出电压E=10V。在此电路中，三极管的工作状态为截止和饱和导通两个，并没有工作在放大状态，三极管充当了开关的角色，所以这种电路又叫做开关电路。如图1当三极管BG1工作在饱和状态时，直流电压源的电压全部加在电阻R1两端，所以BG1集电极电流为：IC＝E／R1。 由于集电极上带有一枚发光二极管，其最低工作电流为5mA，则令集电极电流IC=10mA。

则电阻 R1取值；（忽略发光管的管压降）

三极管BG1的集电极电流IC与基极电流IB的关系：IC＝βIB；

由于电容的放电时间常数 τ=RC［2］，所以电容不易过大，可选纳法级电容。则选取电容器 C1=100nF。根据对称无稳态振荡电路的特点得出：

以上为估值过程，这套参数用以建立对称无稳态电路，实现电路的基本功能。

2.2 电路设计的仿真

电路仿真是得到电路中各项参数的一种简捷方法，同时也可以通过搭建的虚拟电路迅速查找电路设计中的问题，而且不需要对实际器件进行安装从而节省时间。依照上述电路参数的估值，使用一款功能强大的电路仿真软件Multisim10对电路进行仿真分析。

按照对称自激多谐振荡器的原理图进行接线，并根据估值对电路中的各个器件进行赋值，由于Multisim10要求所有的仿真电路均需要设置电位零点（参考点），故选取直流电压源的负极为电位零点。电路连接完毕，按下运行开关，电路上电，观察到两枚发光二极管交替闪烁。电路参见图2。

图2 仿真电路图

现在使用示波器观察电路中关键节点的波形，如图2所示。放置两台示波器，两台示波器分别针对电路中的两枚三极管，示波器XSC1的A通道连接三极管BG1的集电极，B通道连接BG1的基极；示波器XSC2的A通道连接三极管BG2的集电极，B通道连接BG2的基极。电路上电后，观察示波器的波形，如图2所示，两枚三极管的集电极波形均为矩形脉冲，而且时间上交替出现；基极波形均为电容器的放电过程，在此可以非常明确的观察到我们在原理中提到的“负跳脉冲”，正是它将三极管截止，使得相应的集电极电位迅速提升，形成脉冲的上升沿。图2中时间轴比例为5ms/Div，通道A、B的比例均为5V/Div。

由于在本电路中，作为激励的是直流电压源，而响应则是三极管集电极上的矩形脉冲，这就为此电路提供了较为广阔的应用空间。

3 对称自激多谐振荡器的应用浅析

对称自激多谐振荡器是一种无需触发信号的脉冲信号发生电路，而脉冲信号发生器在军事、工业、民用等领域中有着广阔的应用前景。例如汽车转向灯、间歇式报警器、需要脉冲信号作为时序的单片机等芯片组。

3.1 脉冲信号发生器的设计

本文原理部分介绍的这种自激多谐振荡器是以三极管和电容器为核心。以此电路为基础，可以设计一款实用的脉冲信号发生器。在这里需要注意两方面的问题。

第一，在介绍原理和仿真时，电路中被放置了两枚发光二极管，它们的任务是指示电路的两种暂态，但是经过仿真分析测得这两枚发光二极管的存在会对脉冲信号产生影响，由于发光管上有压降，一方面削减了脉冲信号的幅值；另一方面影响了脉冲信号的周期与频率。所以在应用过程中可以将发光二极管去掉。

第二，图2电路中三极管的集电极虽然输出是矩形脉冲，但仍无法使用。一方面，由于电容器的充电，脉冲上升沿倾斜，应当予以整形；另一方面，此时的集电极无带负载能力，负载的加入会严重影响波形。针对这些问题，应当对电路进行整形和隔离。如图3所示，在对称自激多谐振荡器的输出端后面放置带有加速电容的反相器。反相器会将原有的脉冲波形倒置，加速电容可以对脉冲进行整形，此时的脉冲上升沿、下降沿均陡直。于反相器的后面放置射极跟随器，其作用是使电路有了带负载的能力，用示波器观察电路的输出端，如图3所示，脉冲的品质有较大提高。

3.2 脉冲周期与频率的计算

在实际应用中，对产生脉冲的周期与频率要求差别较大，例如某些芯片需要高频的时序信号，报警器的扩音器使用低频的脉冲信号。只有找出电路参数与脉冲频率的关系，才能在具体问题时准确的选择电路参数。

图3 整形电路图

对称自激多谐振荡器的频率问题可以通过一阶电路暂态分析的三要素法推出。三要素法：

UC（0+）为电容器两端电压的初始值；UC（∞）为电容器两端电压的稳态值；UC（t）为电容器两端电压在t时刻的值。

由于电路是对称的，只需计算电容器与三极管基极耦合的一极其“负跳脉冲”由负的幅值上升至0.7V的时间，即高电平维持的时间，则整个周期就是这个时间的两倍。设由“负跳脉冲”的幅值上升至0.7V的时间为t1，所以有：

UC（0+）=-E+0.7V；UC（∞）=E；UC（t1）=0.7V。当E≫0.7 时，以上三值约等于:UC（0+）=-E；UC（∞）=E；UC（t1）=0V。将这三个要素带入变形公式可得：

所以推得周期T为：T＝2t1=1.386RC；频率f为：

现在用示波器观察图3电路中 “对称无稳态多谐振荡电路”部分的三极管基极与集电极的波形，如图4所示，将时间轴比例设置为2ms/Div，通道A、B的比例均为5V/Div。利用推得的公式计算周期为：

图4中利用示波器本身的时间差功能可以观察到脉冲周期为6.937ms。到此推得的公式得到验证。

图4 验证结果

4 结束语

自激多谐振荡器是一种性能优越的脉冲信号源，本文围绕对称自激多谐振荡器进行了多方面的论述，在电路的原理方面，我们应当透过现象看本质，真正控制三极管使电路自激振荡的是电容的充放电；在电路的仿真方面，电路的估值是搭建电路的重点，通过对电路的仿真，我们能够轻易掌握电路的许多数据；在电路的应用方面，将原理电路进一步扩展，最终成为脉冲信号发生器，并利用一阶电路的分析方法推出脉冲信号周期与频率的计算方式。

［1］陆文雄.电路原理［M］.上海：同济大学出版社，2003.

［2］童诗白.模拟电子技术基础［M］.北京：高等教育出版社，2000.