ADALM2000實驗：BJT多諧振蕩器

背景知識

本文解釋三種主要類型的多諧振蕩器電路以及如何構(gòu)建每種電路。多諧振蕩器電路一般由兩個反相放大級組成。兩個放大器串聯(lián)或級聯(lián)，反饋路徑從第二放大器的輸出接回到第一放大器的輸入。由于每一級都將信號反相，因此環(huán)路整體的反饋是正的。

多諧振蕩器主要分為三種類型：非穩(wěn)態(tài)、單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)。非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器使用電容耦合兩個放大器級并提供反饋路徑。電容會阻隔任何從一級傳送到下一級的直流信號，因此非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器沒有穩(wěn)定的直流工作點，是一個自由運行的振蕩器。在單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器中，從一級到另一級的耦合使用一個電容，而第二個連接是通過直流路徑。因此，單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器有一個穩(wěn)定的直流級。

除了施加觸發(fā)脈沖時之外，電路均保持這種單一的穩(wěn)定狀態(tài)。然后，狀態(tài)改變，持續(xù)時間為信號路徑的交流耦合部分的RC時間常數(shù)所設(shè)置的預(yù)定時長。在雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器中，兩條耦合路徑都是直流耦合，因此電路具有兩種不同的穩(wěn)定狀態(tài)，并且不使用電容。雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器也被稱為觸發(fā)器，在任一時間處于兩種直流穩(wěn)定狀態(tài)中的一種狀態(tài)。

非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器

目標(biāo)

第一個實驗的目的是構(gòu)建一個非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。兩個相同的電阻電容網(wǎng)絡(luò)決定振蕩發(fā)生的頻率。放大器件（晶體管）以共發(fā)射極配置連接，如圖1所示。

圖1. 非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器

材料

●   ADALM2000 主動學(xué)習(xí)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(gòu)建圖1所示電路。請注意，ADALM2000板沒有輸入，只有電源。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將位于Q1集電極的第一級輸出耦合到位于Q2基極的第二級輸入。類似地，C2將位于Q2集電極的第二級輸出耦合回位于Q1基極的第一級輸入。

硬件設(shè)置

試驗板連接如圖2所示。

圖2. 非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器試驗板電路

程序步驟

只有在電路構(gòu)建完畢并檢查之后，才能開啟VP電源。紅光和綠光LED應(yīng)以大約1秒的間隔交替閃爍。您還可以使用示波器通道監(jiān)視輸出波形（Q和Q-bar）。

由于電容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(xiàn)在應(yīng)該以快得多的速度振蕩，兩個LED同時亮起?，F(xiàn)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(wěn)態(tài)多諧振蕩器間隔

圖4. 使用0.1 μF電容時的非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器間隔

單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器

目標(biāo)

第二個實驗的目的是構(gòu)建一個單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。一個電阻電容網(wǎng)絡(luò)決定單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器輸出的持續(xù)時間。放大器件（晶體管）以共發(fā)射極配置連接，如圖2所示。

材料

●   ADALM2000主動學(xué)習(xí)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(gòu)建圖5所示電路。從實驗1中的電路出發(fā)，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(wù)必將C2替換為原來的47 μF電容。

圖5. 單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器

硬件設(shè)置

試驗板連接如圖6所示。

圖6. 單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器試驗板電路

程序步驟

只有在電路構(gòu)建完畢并檢查之后，才能開啟VP電源。紅光LED應(yīng)亮起，綠光LED應(yīng)熄滅。用一段電線將觸發(fā)器輸入（R5端）短暫觸碰VP，然后立即松開。紅光LED應(yīng)熄滅，綠光LED點亮約一秒鐘，然后返回穩(wěn)定狀態(tài)，紅光LED亮起，綠光LED熄滅。多試幾次。

圖7. 觸發(fā)時的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器行為

雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器（或觸發(fā)器）

目標(biāo)

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

材料

●   ADALM2000主動學(xué)習(xí)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(gòu)建圖8所示電路。

圖8. 雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器

硬件設(shè)置

試驗板連接如圖9所示。

圖9. 雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器試驗板電路

程序步驟

只有在電路構(gòu)建完畢并檢查之后，才能開啟VP電源。紅光LED應(yīng)點亮而綠光LED熄滅，或者綠光LED應(yīng)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，然后立即松開。LED應(yīng)改變狀態(tài)或來回切換，具體取決于哪個輸入觸碰到VP。多試幾次。

圖10. 觸發(fā)SET引腳的雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器行為

圖11. 觸發(fā)RESET引腳的雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器行為

D型觸發(fā)器

目標(biāo)

第四個實驗的目的是使用實驗3中的雙穩(wěn)態(tài)或SET-RESET觸發(fā)器來構(gòu)建所謂的D型觸發(fā)器。

材料

●   ADALM2000主動學(xué)習(xí)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(gòu)建圖12所示的D型觸發(fā)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(fā)器

觸發(fā)器兩種狀態(tài)之間的切換是通過施加D（數(shù)據(jù)）信號和單個時鐘脈沖來實現(xiàn)的：根據(jù)D輸入相對于當(dāng)前狀態(tài)的狀態(tài)，在時鐘脈沖的負沿或下降沿，ON晶體管將斷開，OFF晶體管將導(dǎo)通。真D信號和互補DB信號（Q3、R7反相級的輸出）用于偏置二極管D1和D2，以將時鐘脈沖引導(dǎo)至正確的基極，這相當(dāng)于圖8中的SET和RESET輸入。

為了說明電路如何工作，我們假設(shè)電路處于兩個穩(wěn)定狀態(tài)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(dāng)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(dǎo)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(guān)斷晶體管Q2的VBE），使其反向偏置。

由于D1正向偏置，所以時鐘輸入上的負向脈沖（通過C1和C2耦合）被引導(dǎo)至Q1的基極，但由于D2反向偏置，所以負向脈沖被Q2的基極阻隔。通過C3和R3并聯(lián)組合的交叉耦合連接使Q1關(guān)斷，并使Q2導(dǎo)通。由于我們之前在簡單雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器中看到的正反饋效應(yīng)，這種情況發(fā)生得非?？焖?。電路現(xiàn)在處于另一種穩(wěn)定狀態(tài)，Q輸出高電平，QB輸出低電平。電路將保持在該狀態(tài)，直到D輸入變?yōu)楦唠娖讲⑶伊硪粋€負向時鐘脈沖到達之后。

硬件設(shè)置

試驗板連接如圖13所示。

圖13. D型觸發(fā)器試驗板電路

程序步驟

AWG1輸出應(yīng)連接到圖12中標(biāo)記的時鐘輸入。AWG2輸出應(yīng)連接到D輸入。示波器通道1輸入應(yīng)連接到時鐘輸入。示波器通道2應(yīng)連接到圖12中觸發(fā)器的Q輸出。AWG1和AWG2均應(yīng)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(shè)置為10 kHz，將AWG2的頻率設(shè)置為5 kHz。將AWG2的相位設(shè)置為45度。務(wù)必將兩個AWG輸出配置為同步運行。

只有在電路構(gòu)建完畢并檢查之后，才能開啟VP電源并使能AWG輸出。應(yīng)能在Q輸出上觀察到一個方波，其與時鐘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(yīng)能看到一個類似的方波信號，但它相對于Q輸出超前。換言之，Q輸出延遲到時鐘信號的下降沿為止。

圖14. Q和時鐘信號圖

圖15. Q和D信號圖

2分頻觸發(fā)器

目標(biāo)

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

材料

●   ADALM2000主動學(xué)習(xí)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(fā)器，在無焊試驗板上構(gòu)建圖16所示的2分頻電路。

圖16. 2分頻電路

兩種狀態(tài)之間的切換是通過施加單個時鐘脈沖來實現(xiàn)的；在該時鐘脈沖的負沿或下降沿，這會導(dǎo)致ON晶體管斷開，OFF晶體管導(dǎo)通。依次向每個基極施加脈沖，該電路將順序切換，這是通過單個輸入時鐘脈沖來實現(xiàn)的——該時鐘脈沖用于偏置兩個二極管，根據(jù)觸發(fā)器的當(dāng)前狀態(tài)將脈沖引導(dǎo)至正確的基極。

為了說明電路如何工作，我們假設(shè)電路處于兩個穩(wěn)定狀態(tài)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(dǎo)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(guān)斷晶體管Q2的VBE），使其反向偏置。

由于D1正向偏置，所以外部負向脈沖（通過C1和C2耦合）被引導(dǎo)至Q1的基極，但由于D2反向偏置，所以負向脈沖被Q2的基極阻隔。通過C3和R3并聯(lián)組合的交叉耦合連接使Q1關(guān)斷，并使Q2導(dǎo)通。由于我們之前在簡單雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器中看到的正反饋效應(yīng)，這種情況發(fā)生得非?？焖?。

電路現(xiàn)在處于第二穩(wěn)定狀態(tài)，等待另一個負向時鐘脈沖。

由于Q2的集電極電壓（Q輸出節(jié)點）會隨著每個時鐘脈沖改變狀態(tài)，因此每出現(xiàn)兩個時鐘輸入脈沖，輸出端就會出現(xiàn)一個脈沖。因此，它可以用作二分頻電路。

硬件設(shè)置

試驗板連接如圖17所示。

圖17. 2分頻觸發(fā)器試驗板電路

程序步驟

AWG1輸出和示波器通道1輸入均應(yīng)連接到圖16中標(biāo)記的時鐘輸入。示波器通道2應(yīng)連接到圖16中觸發(fā)器的Q輸出。AWG1應(yīng)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(shè)置為10 kHz。

只有在電路構(gòu)建完畢并檢查之后，才能開啟VP電源并使能AWG1輸出。應(yīng)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(yīng)能看到一個類似的方波信號，但它相對于Q輸出反相。

圖18. 時鐘和Q輸出圖

圖19. 時鐘和QB輸出圖

問題

對于圖1所示電路，增加或減少兩個電容的值會產(chǎn)生什么影響？

您可以在 學(xué)子專區(qū) 論壇上找到答案。

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關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。

關(guān)于作者

Doug Mercer于1977年畢業(yè)于倫斯勒理工學(xué)院(RPI)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。自1977年加入ADI公司以來，他直接或間接貢獻了30多款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，并擁有13項專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉(zhuǎn)型，并繼續(xù)以名譽研究員身份擔(dān)任ADI顧問，為“主動學(xué)習(xí)計劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。 

Antoniu Miclaus現(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，從事ADI教學(xué)項目工作，同時為Circuits from the Lab?、QA自動化和流程管理開發(fā)嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他目前是貝碧思鮑耶大學(xué)軟件工程碩士項目的理學(xué)碩士生，擁有克盧日-納波卡科技大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。