波形發(fā)生器是可以使用振蕩器和脈沖電路產(chǎn)生正弦波，方波，三角波和鋸齒波的電子電路

在之前的教程中，我們詳細(xì)研究了三種不同類型的波形。基本晶體管多諧振蕩器電路，可用作張弛振蕩器，在其輸出端產(chǎn)生方波或矩形波，用作時鐘和定時信號。

但也可以構(gòu)造基本的波形發(fā)生器來自簡單集成電路或運(yùn)算放大器的電路，連接到電阻 - 電容（ RC ）儲能電路或石英晶體，以產(chǎn)生所需頻率的所需二進(jìn)制或方波輸出波形。

如果沒有數(shù)字再生開關(guān)電路的一些例子，這個波形生成教程將是不完整的，因?yàn)樗f明了用于產(chǎn)生方波的波形發(fā)生器的開關(guān)動作和操作。用作定時或順序波形。

我們知道，再生開關(guān)電路，如 Astable Multivibrators 是最常用的張弛振蕩器類型，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生恒定的方波輸出，使得它們非常適合用作數(shù)字在之前的教程中，我們詳細(xì)研究了三種不同類型的波形。基本晶體管多諧振蕩器電路，可用作張弛振蕩器，在其輸出端產(chǎn)生方波或矩形波，用作時鐘和定時信號。

但也可以構(gòu)造基本的波形發(fā)生器來自簡單集成電路或運(yùn)算放大器的電路，連接到電阻 - 電容（ RC ）儲能電路或石英晶體，以產(chǎn)生所需頻率的所需二進(jìn)制或方波輸出波形。

Astable多諧振蕩器可以產(chǎn)生出色的振蕩器，因?yàn)樗鼈円院愣ǖ闹貜?fù)頻率在兩個不穩(wěn)定狀態(tài)之間連續(xù)切換，從而產(chǎn)生連續(xù)的方波輸出從輸出開始，1：1標(biāo)記 - 空間比（“ON”和“OFF”相同），在本教程中，我們將看到一些不同的方法，我們可以使用標(biāo)準(zhǔn)TTL和CMOS邏輯電路以及一些額外的離散時序組件。

施密特波形發(fā)生器

簡單的波形發(fā)生器可以使用基本的施密特觸發(fā)器動作逆變器構(gòu)建，例如TTL 74LS14。到目前為止，這種方法是制作基本的非穩(wěn)態(tài)波形發(fā)生器的最簡單方法。當(dāng)用于產(chǎn)生時鐘或定時信號時，非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器必須產(chǎn)生穩(wěn)定的波形，在“高”和“低”狀態(tài)之間快速切換，沒有任何失真或噪聲，施密特反相器就是這樣做的。

我們知道施密特反相器的輸出狀態(tài)與其輸入狀態(tài)（非門原理）的輸出狀態(tài)相反或相反，并且它可以在不同的電壓電平下改變狀態(tài)，從而使其具有“滯后”。

施密特反相器使用施密特觸發(fā)器動作，當(dāng)輸入電壓信號在輸入端子周圍增加和減小時，該操作在上閾值電平和下閾值電平之間改變狀態(tài)。該上閾值電平“設(shè)置”輸出，下閾值電平“復(fù)位”輸出，其分別等于逆變器的邏輯“0”和邏輯“1”。考慮下面的電路。

施密特反相器波形發(fā)生器

這個簡單的波形發(fā)生器電路由一個TTL 74LS14施密特反相器邏輯門組成，其一個電容器， C 連接在其輸入端和地之間，（0v）和電路振蕩所需的正反饋由反饋電阻提供， R 。

那么它是如何運(yùn)作的？假設(shè)電容器板上的電荷低于施密特的0.8伏特下限閾值（數(shù)據(jù)表值）。因此，這使得逆變器的輸入處于邏輯“0”電平，從而產(chǎn)生邏輯“1”輸出電平（逆變器原理）。

電阻器 R 的一側(cè)是現(xiàn)在連接到邏輯“1”電平（+ 5V）輸出，而電阻器的另一端連接到電容器， C 處于邏輯“0”電平（0.8v或更低） 。電容器現(xiàn)在開始通過電阻器以正方向充電，其速率由組合的 RC 時間常數(shù)決定。

當(dāng)電容器兩端的電荷達(dá)到1.6時施密特觸發(fā)器的電壓上限閾值（數(shù)據(jù)表值）施密特反相器的輸出迅速從邏輯電平“1”變?yōu)檫壿嬰娖健?”狀態(tài)，并且流過電阻器的電流改變方向。

此變化現(xiàn)在導(dǎo)致最初通過電阻器充電的電容器 R 開始通過同一電阻器自身放電，直到電容器板上的電荷達(dá)到0.8的下限閾值電平電壓和逆變器輸出再次切換狀態(tài)，只要電源電壓存在，循環(huán)就會一遍又一遍地重復(fù)。

因此電容器 C 不斷充電和放電在施密特逆變器的輸入上閾值電平和下閾值電平之間的每個周期期間，其自身在逆變器輸出處產(chǎn)生邏輯電平“1”或邏輯電平“0”。然而，由于TTL的輸入柵極特性，輸出波形不對稱，產(chǎn)生約33％或1/3的占空比，因?yàn)椤癏IGH”和“LOW”之間的標(biāo)記 - 空間比分別為1：2。

反饋電阻的值（ R ）也必須保持低至1kΩ以使電路正確振蕩，220R至470R是好的，通過改變電容器的值， C 來改變頻率。同樣在高頻電平時，輸出波形從方形波形變?yōu)樘菪尾ㄐ危驗(yàn)門TL柵極的輸入特性受到電容器的快速充電和放電的影響。因此，施密特波形發(fā)生器的振蕩頻率如下：

施密特波形頻率

電阻值介于： 100R至1kΩ之間，電容值介于： 1nF至1000uF 之間。這將產(chǎn)生1Hz至1MHz的頻率范圍（高頻產(chǎn)生波形失真）。

通常，標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯門由于其平均輸入和輸出特性而不能像波形發(fā)生器那樣工作得很好，輸出波形失真，所需反饋電阻值低，導(dǎo)致低頻運(yùn)行時產(chǎn)生較大的高值電容。

如果反饋電容的值太小，TTL振蕩器也不會振蕩。然而，我們還可以使用更好的CMOS邏輯技術(shù)制造Astable多諧振蕩器，該技術(shù)采用3V至15V電源供電，例如CMOS 40106B施密特反相器。

CMOS 40106是具有相同施密特觸發(fā)器的單輸入反相器作為TTL 74LS14，但具有非常好的抗噪性，高帶寬，高增益和出色的輸入/輸出特性，可產(chǎn)生更“平方”的輸出波形，如下所示。

CMOS施密特波形發(fā)生器

用于CMOS 40106的施密特波形發(fā)生器電路基本上與之前的TTL 74LS14逆變器相同，除了增加了10kΩ電阻，用于防止電容器損壞敏感MOSFET輸入晶體管，因?yàn)樗谳^高頻率下快速放電。

標(biāo)記 - 空間比率更均勻大約1：1匹配，反饋電阻值增加到100kΩ以下，導(dǎo)致更小和更小r定時電容， C 。振蕩頻率可能與:( 1 / 1.2RC ）不同，因?yàn)镃MOS輸入特性與TTL不同。電阻值介于：1kΩ和100kΩ之間，電容值介于： 1pF至100uF 之間。這將提供0.1Hz至100kHz之間的頻率范圍。

施密特反相器波形發(fā)生器也可以由連接的各種不同邏輯門構(gòu)成逆變器電路。基本的施密特非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器電路可以通過一些額外的元件輕松修改，以產(chǎn)生不同的輸出或頻率。例如，兩個反向波形或多個頻率，通過將固定反饋電阻更改為電位計，輸出頻率可以如下所示變化。

時鐘波形發(fā)生器

在上面的第一個電路中，施密特波形發(fā)生器的輸出中添加了一個額外的施密特反相器，以產(chǎn)生第二個波形，即反向或鏡像第一個產(chǎn)生兩個互補(bǔ)輸出波形的圖像，所以當(dāng)一個輸出為“高”時，另一個輸出為“低”。第二個施密特反相器也改善了反向輸出波形的形狀，但增加了一個小的“門延遲”，因此它與第一個不完全同步。

此外，振蕩器電路的輸出頻率可以通過將固定電阻 R 更改為電位計來改變，但仍需要一個較小的反饋電阻，以防止電位器在其最小值0Ω時將輸出短路。 SPAN>。

我們也可以使用第一個電路的兩個互補(bǔ)輸出 Q 和 Q 來交替使用如圖所示，通過將它們的輸出直接連接到兩個開關(guān)晶體管的基極來閃爍兩組燈或LED。

這樣，一個或多個LED與開關(guān)晶體管的集電極串聯(lián)連接在一起，導(dǎo)致交替當(dāng)每個晶體管依次切換為“ON”時，每組LED閃爍。

使用這種類型的電路時，記得計算一個合適的串聯(lián)電阻， R 來限制對于您正在使用的電壓，LED電流低于20mA（紅色LED）。

為了產(chǎn)生幾赫茲的極低頻輸出以閃爍LED，施密特波形發(fā)生器使用高值定時電容器

一種替代解決方案是使用較小值的電容器來產(chǎn)生更高的頻率，比如說1kHz或10kHz，然后將此主時鐘頻率分頻為單個較小的頻率，直到達(dá)到所需的低頻值，上面的第二個電路就是這樣。

上面的下面的電路顯示正在使用的振蕩器驅(qū)動紋波計數(shù)器的時鐘輸入。紋波計數(shù)器基本上是多個2分頻，D型觸發(fā)器級聯(lián)在一起形成單個N分頻計數(shù)器，其中N等于計數(shù)器位計數(shù)，如CMOS 4024 7位紋波計數(shù)器或CMOS 4040 12位紋波計數(shù)器。

施密特非穩(wěn)態(tài)時鐘脈沖電路產(chǎn)生的固定時鐘頻率分為多個不同的子頻率，如?÷2 ，?÷4，?÷8，?÷256 等，直到所使用的紋波計數(shù)器的最大“除以n”值。使用“觸發(fā)器”，“二進(jìn)制計數(shù)器”或“紋波計數(shù)器”將主固定時鐘頻率劃分為不同的子頻率的過程稱為頻率分割，我們可以使用它來從中獲取多個頻率值。單個波形發(fā)生器。

NAND門波形發(fā)生器

施密特波形發(fā)生器也可以使用連接的標(biāo)準(zhǔn)CMOS邏輯NAND門來產(chǎn)生逆變器電路。這里，兩個 NAND 門連接在一起，產(chǎn)生另一種 RC 張弛振蕩器電路，它將產(chǎn)生如下所示的方波形輸出波形。

NAND門波形發(fā)生器

在這種波形發(fā)生器電路中， RC 網(wǎng)絡(luò)由電阻器 R1 和電容器 C 組成，此 RC 網(wǎng)絡(luò)由第一個 NAND的輸出控制門。此 R1C 網(wǎng)絡(luò)的輸出通過電阻器 R2 反饋到第一個 NAND 門的輸入端，當(dāng)電容器兩端的充電電壓反饋時達(dá)到第一個 NAND 門的上限閾值， NAND 門改變狀態(tài)，導(dǎo)致第二個 NAND 門跟隨它，從而改變狀態(tài)和產(chǎn)生輸出電平的變化。

R1C 網(wǎng)絡(luò)上的電壓現(xiàn)在反轉(zhuǎn)，電容開始通過電阻放電，直到達(dá)到第一個電壓的下閾值電平。 NAND 門使兩個門再次改變狀態(tài)。與上面的上述施密特波形發(fā)生器電路一樣，振蕩頻率由 R1C 時間常數(shù)決定，時間常數(shù)為： 1 / 2.2R1C 。通常 R2 的值為電阻 R1 的10倍。

當(dāng)需要高穩(wěn)定性或保證自啟動時，CMOS波形發(fā)生器可以使用三個反相 NAND 門或任何三個邏輯逆變器來制作，如下所示連接在一起產(chǎn)生一個有時被稱為“三環(huán)”的電路波形發(fā)生器。振蕩頻率由 R1C 時間常數(shù)再次確定，與上面的兩個門振蕩器相同，并且當(dāng) 1 / 2.2R1C > R2 的值是電阻值的10倍， R1 。

穩(wěn)定的NAND門波形發(fā)生器

增加額外的 NAND 門可確保即使電容值非常低，振蕩器也會啟動。此外，波形發(fā)生器的穩(wěn)定性得到極大改善，因?yàn)樗拈撝涤|發(fā)電平幾乎是電源電壓的一半，因此不易受電源變化的影響。

穩(wěn)定量主要取決于振蕩頻率，一般來說，頻率越低，振蕩器越穩(wěn)定。

這種波形發(fā)生器的工作量接近一半或50％在電源電壓中，所得到的輸出波形具有非常接近50％的占空比，1：1的標(biāo)記空間比。三柵極波形發(fā)生器比上述兩個柵極振蕩器具有許多優(yōu)點(diǎn)，但其一大缺點(diǎn)是它使用額外的邏輯門。

環(huán)型波形發(fā)生器

我們已經(jīng)看到以上波形發(fā)生器可以使用TTL和更好的CMOS邏輯技術(shù)制造，其中 RC 網(wǎng)絡(luò)在連接一個，兩個或偶數(shù)時在電路內(nèi)產(chǎn)生時間延遲三個邏輯門形成一個簡單的RC弛豫振蕩器。但是我們也可以使用Logic NOT Gates或換句話說 Inverters 來制作波形發(fā)生器，而不需要連接任何其他無源元件。

通過將任何ODD連接在一起

b> NOT 門的編號（3,5,7,9等）形成“環(huán)”電路，使環(huán)的輸出直接連接到電路環(huán)的輸入端當(dāng)邏輯電平“1”不斷圍繞網(wǎng)絡(luò)旋轉(zhuǎn)時，將繼續(xù)振蕩，產(chǎn)生的輸出頻率由所使用的逆變器的傳播延遲決定。

環(huán)形波形發(fā)生器

振蕩頻率取決于所使用的 Inverters 的總傳播延遲在環(huán)內(nèi)并且其本身由柵極技術(shù)的類型決定，即逆變器的TTL，CMOS，BiCMOS。傳播延遲或傳播時間是信號從到達(dá)輸入端的邏輯“0”直接通過逆變器所需的總時間（通常以納秒為單位），產(chǎn)生邏輯“1”

對于這種類型的環(huán)形波形發(fā)生器電路，電源電壓，溫度和負(fù)載電容的變化都會影響邏輯門的傳播延遲。通常，平均傳播延遲時間將在制造商數(shù)據(jù)表中給出，使用的數(shù)字邏輯門類型的振蕩頻率如下：

其中：?是振蕩頻率， n 是使用的門數(shù)， Tp 是每個門的傳播延遲。

例如，假設(shè)一個簡單的波形發(fā)生器電路有5個單獨(dú)的逆變器串聯(lián)連接在一起形成環(huán)振蕩器，每個逆變器的傳播延遲以 8ns 給出。那么振蕩的頻率將給出如下：

當(dāng)然，這實(shí)際上并不是一個實(shí)際的振蕩器它的不穩(wěn)定性和非常高的振蕩頻率，10兆赫茲取決于所使用的邏輯門技術(shù)的類型，在我們的簡單例子中它被計算為12.5MHz !!通過改變環(huán)內(nèi)使用的 Inverters 的數(shù)量，可以稍微“調(diào)整”環(huán)形振蕩器輸出頻率，但使用更穩(wěn)定的 RC 波形發(fā)生器要好得多我們在上面討論過的。

然而，它確實(shí)表明邏輯門可以連接在一起產(chǎn)生基于邏輯的波形發(fā)生器和設(shè)計糟糕的數(shù)字電路，有許多門，信號路徑和反饋回路已知無意間振蕩。

通過逆變器電路上的 RC 網(wǎng)絡(luò)，可以精確控制振蕩頻率，從而產(chǎn)生更實(shí)用的非穩(wěn)態(tài)振蕩振蕩器用于許多通用電子應(yīng)用的電路。