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多谐振荡器

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多谐振荡器电路是一种矩形波产生电路。这种电路不需要外加触发信号,便能连续地,周期性地自行产生矩形脉冲。该脉冲是由基波和多次谐波构成,因此称为多谐振荡器电路。又因为其没有稳定的工作状态,多谐振荡器也称为无稳态电路。具体地说,如果一开始多谐振荡器处于0状态,那么它在0状态停留一段时间后将自动转入1状态,在1状态停留一段时间后又将自动转入0状态,如此周而复始,输出矩形波。常用作脉冲信号源及时序电路中的时钟信号。

多谐振荡器电路结构

  • 电路如下图:

    1. 把双稳态触发器电路的两支电阻耦合支路改为耦合支路。那么,电路就没有稳定状态,而成为无稳电路。

    2. 开机:由于电路参数的微小差异,正反馈使一支管子饱和另一支截止,出现一个暂稳态。设BG1饱和,BG2截止。

多谐振荡器工作原理

  • 1. 正反馈: BG1饱和瞬间,VC1由+EC突变到接近于零,迫使BG2的基极电位VB2瞬间下降到接近-EC,于是BG2可靠截止。

    2. 第一个暂稳态:

    C1放电

    C2充电

    3. 翻转:当VB2随着C1放电而升高到+0.5V时,BG2载始导通,通过正反馈使BG1截 止,BG2饱和。

    4. 第二个暂稳态:

    C2放电

    C1充电

    5. 不断循环往复,便形成了自激振荡。

    6. 振荡周期: T=T1+T2=0.7(RB2*C1+RB1*C2)=1.4RB*C

    7. 振荡频率: F=1/T=0.7/RB*C

    8. 波形的改善: 可以同单稳态电路,采用校正二极管电路。

门电路构成的多谐振荡器的仿真方法

  • 在数字系统的仿真过程中经常用到多谐振荡器。多谐振荡器不需要外加触发信号便能自行产生一定频率和一定宽度的矩形波,这一输出波形用于电路中的时钟信号源。实际应用过程中经常用到TTL或CMOS门电路构成的多谐振荡器,可是我们发现:直接应用OrCADCapturePSpice元件库中的门电路元件进行仿真时,可以发现结果总是失败的,不能产生正确的输出波形。如果采用其他电路仿真软件,比如Multisim和Protel,同样不能正确仿真。这是因为这些软件中数字器件的模型与模拟器件的模型不同,在仿真过程中处理两种器件的算法是截然不同的。通常说来电路设计人员必须将电路分为模拟部分和数字部分,分别进行仿真,但在很难分离电路的情况下,则应采用数模混合的仿真,这时必须使用模拟/数字接口。对于门电路多谐振荡器电路的仿真,如果采用数字电路仿真,由于数字仿真时是分析逻辑电子,所以无法仿真出门电路振荡器的输出波形。在实践经验的基础上,本文提出了将门电路多谐振荡器转变为模拟电路进行仿真的方法,并进一步提出了构造由模拟子电路模型构成新元件,然后再对新元件构成的电路进行仿真的方法。

    2 采用TTL电路构成门电路实现对多谐振荡器的仿真

    根据门电路多谐振荡器的原理,将电路中用到的数字电路元件与非门模型用模拟电路元件构成的电路代替。具体的电路如图所示。

    图中虚线框中的部分为被分立元件代替的与非门。从图中可见两个与非门相同。Q3和Q9构成一个多发射极三极管,Q5,R2,R7,是中间级起到放大作用,R3,Q1,Dl,Q7构成输出级实现反相作用。具体的仿真步骤如下。

    首先在OrcadCapture中创建可以进行PSpice仿真的工程项目;其次在Schematic文件夹中新建Page页并在该页中画出图1所示的多谐振荡器电路,Q2N2222D1N3910在DIODE中,V1在source库中,Vcc在place powerCAPSYM库中,地0在place powerSOURCE库中,电阻在ANALOG库中;再次进行电气规则检查,若存在ERC检查发生错误,则应该根据报告的错误信息,对电路进行检查和修改直到修正完所有的错误;最后新建SimulationProfile,设置好相关的参数并进行仿真。在本例中相关参数的设置为:timedomain(transientanalysis)仿真,仿真的时间到0.2 ms,从0ms开始存储数据。

    3 建立新元件实现对多谐振荡器的仿真

    直接采用模拟电路元件构成门电路可以实现对多谐振荡器的仿真。该方法原理简单,但实际应用中较为烦琐,原因是需要重复画很多相同的电路,而且还占用了很大的图纸空间,这对于仿真含多谐振荡器的电路更是如此。如何有效的解决这个问题,是一个难点。在研究OrCADCapture Pspice的基础上发现创建新元件进行电路仿真是一个有效的方法。对于本例创建新元件的具体步骤如下:

    第1步:打开PSpiceModelEditor。modelEditor可以用来决定许多标准元件的模型参数比如说双极形晶体管,也可以用来创建子电路模型比如说运算放大器。在这里将用MODEL Editor首先创建一个新的库文件,起名为mylib.lib,用于创建新元件的电路模型。

    第2步:在出现的modellist窗口中新建一个model起名为nand。创建nandmodel时应当注意从子电路模型中拷贝。

    第3步:采用PSpice语言建立子电路模型。在这里将为与非门建立子电路模型。具体的电路如图2所示。为方便编写程序已为电路标上了相应的节点号n1至n8,a,b,c为与非门的输入输出端,VCC和gnd为晶体管组合的多谐振荡器的原理,可以构成超小形磁心控制的直流-直流变换器,图(a)所示为其基本电路,这里,晶体管要采用双极型晶体管,磁心要采用钴基非晶形磁心。电路中,VT1为主开关晶体管,采用电流反馈工作方式; VT2为控制晶体管,它以误差电压uC作为电源,采用电压反馈工作方式保持其导通状态。

    图(b)所示为变换器工作时磁心内的磁通变化情况。VT2导通时,磁通φSR随着Uc对时间的积分从饱和值开始下降,降到P点时在外加时钟脉冲Up作用下VT2截止,VT1导通(也可以不用外加时钟脉冲,由VT2和VT1自身进行换流)。VT1导通时,磁通φSR随着电流反馈产生的UBE1对时间积分而上升,若升到磁通饱和状态,则VT1和YT2进行换流,即VT1截止,VT2导通,磁通再次下降。电路中,主开关晶体管的截止是饱和磁心的电感与基极-发射极间电容形成的谐振引起的,存贮时间与截止时间非常短,因此,开关损耗小,开关频率有可能达到兆赫以上。

    (a)直流-直流变换器基本电路;(b)磁通变化情况

    图 直流-直流变换器与磁通变化情况

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