ADALM2000活动：BJT多谐振荡器

本文解释三种主要类型的多谐振荡器威廉希尔官方网站 以及如何构建每种威廉希尔官方网站 。多谐振荡器威廉希尔官方网站 一般由两个反相放大级组成。两个放大器串联或级联，反馈路径从第二放大器的输出接回到第一放大器的输入。由于每一级都将信号反相，因此环路整体的反馈是正的。

多谐振荡器主要分为三种类型：非稳态、单稳态和双稳态。非稳态多谐振荡器使用电容耦合两个放大器级并提供反馈路径。电容会阻隔任何从一级传送到下一级的直流信号，因此非稳态多谐振荡器没有稳定的直流工作点，是一个自由运行的振荡器。在单稳态多谐振荡器中，从一级到另一级的耦合使用一个电容，而第二个连接是通过直流路径。因此，单稳态多谐振荡器有一个稳定的直流级。除了施加触发脉冲时之外，威廉希尔官方网站 均保持这种单一的稳定状态。然后，状态改变，持续时间为信号路径的交流耦合部分的RC时间常数所设置的预定时长。在双稳态多谐振荡器中，两条耦合路径都是直流耦合，因此威廉希尔官方网站 具有两种不同的稳定状态，并且不使用电容。双稳态多谐振荡器也被称为触发器，在任一时间处于两种直流稳定状态中的一种状态。

非稳态多谐振荡器

目标

第一个实验的目的是构建一个非稳态多谐振荡器。两个相同的电阻电容网络决定振荡发生的频率。放大器件（晶体管）以共发射极配置连接，如图1所示。

图1. 非稳态多谐振荡器

材料

ADALM2000 主动学习模块

无焊试验板

跳线

两个470 Ω电阻

两个20 kΩ电阻

两个小信号NPN晶体管(2N3904)

一个红光LED

一个绿光LED

两个47μF电容

说明

在无焊试验板上构建图1所示威廉希尔官方网站 。请注意，ADALM2000板没有输入，只有电源。第一个反相放大器级由Q1、R1和用作输出负载的红光LED组成。第二个反相放大器级由Q2、R2和用作负载的绿光LED组成。C1将位于Q1集电极的第一级输出耦合到位于Q2基极的第二级输入。类似地，C2将位于Q2集电极的第二级输出耦合回位于Q1基极的第一级输入。

硬件设置

试验板连接如图2所示。

图2. 非稳态多谐振荡器试验板威廉希尔官方网站

程序步骤

只有在威廉希尔官方网站 构建完毕并检查之后，才能开启VP电源。红光和绿光LED应以大约1秒的间隔交替闪烁。您还可以使用示波器通道监视输出波形（Q和Q-bar）。

由于电容C1和C2的值较大，因此振荡频率非常慢。将C1和C2替换为0.1 μF电容。威廉希尔官方网站 现在应该以快得多的速度振荡，两个LED同时亮起。现在使用示波器通道测量输出波形的频率和周期。

图3. 使用47 μF电容时的非稳态多谐振荡器间隔

图4. 使用0.1 μF电容时的非稳态多谐振荡器间隔

单稳态多谐振荡器

目标

第二个实验的目的是构建一个单稳态多谐振荡器。一个电阻电容网络决定单稳态多谐振荡器输出的持续时间。放大器件（晶体管）以共发射极配置连接，如图2所示。

材料

ADALM2000主动学习模块

无焊试验板

跳线

两个470 Ω电阻

一个1 kΩ电阻

一个20 kΩ电阻

一个47 kΩ电阻

一个小信号二极管(1N914)

两个小信号NPN晶体管(2N3904)

一个红光LED

一个绿光LED

一个47 μF电容

说明

在无焊试验板上构建图5所示威廉希尔官方网站 。从实验1中的威廉希尔官方网站 出发，移除一个20 kΩ电阻（旧R3），将电容C1替换为47 kΩ电阻（新R3）。在Q2的基极上添加二极管D1和电阻R5，如图所示。务必将C2替换为原来的47 μF电容。

图5. 单稳态多谐振荡器

硬件设置

试验板连接如图6所示。

图6. 单稳态多谐振荡器试验板威廉希尔官方网站

程序步骤

只有在威廉希尔官方网站 构建完毕并检查之后，才能开启VP电源。红光LED应亮起，绿光LED应熄灭。用一段电线将触发器输入（R5端）短暂触碰VP，然后立即松开。红光LED应熄灭，绿光LED点亮约一秒钟，然后返回稳定状态，红光LED亮起，绿光LED熄灭。多试几次。

图7. 触发时的单稳态多谐振荡器行为

双稳态多谐振荡器（或触发器）

目标

第三个实验的目的是构建一个双稳态多谐振荡器。放大器件（晶体管）以共发射极配置连接，如图8所示。

材料

ADALM2000主动学习模块

无焊试验板

跳线

两个470 Ω电阻

两个1 kΩ电阻

两个47 kΩ电阻

两个小信号NPN晶体管(2N3904)

两个小信号二极管(1N914)

一个红光LED

一个绿光LED

说明

在无焊试验板上构建图8所示威廉希尔官方网站 。

图8. 双稳态多谐振荡器

硬件设置

试验板连接如图9所示。

图9. 双稳态多谐振荡器试验板威廉希尔官方网站

程序步骤

只有在威廉希尔官方网站 构建完毕并检查之后，才能开启VP电源。红光LED应点亮而绿光LED熄灭，或者绿光LED应点亮而红光LED熄灭。用一段电线将SET或RESET输入（R5端或R6端）短暂触碰VP，然后立即松开。LED应改变状态或来回切换，具体取决于哪个输入触碰到VP。多试几次。

图11. 触发RESET引脚的双稳态多谐振荡器行为

D型触发器

目标

第四个实验的目的是使用实验3中的双稳态或SET-RESET触发器来构建所谓的D型触发器。

材料

ADALM2000主动学习模块

无焊试验板

跳线

三个1 kΩ电阻

一个100 kΩ电阻

两个200 kΩ电阻

两个47 kΩ电阻

三个小信号NPN晶体管(2N3904)

两个小信号二极管(1N914)

两个39 pF电容

两个100 pF电容

说明

在无焊试验板上构建图12所示的D型触发器威廉希尔官方网站 。请注意，与图8相比，两个二极管的极性相反。此实验将在高得多的频率下进行，因此LED已被移除，改用简单的1 kΩ负载电阻。

图12. D型触发器

触发器两种状态之间的切换是通过施加D（数据）信号和单个时钟脉冲来实现的：根据D输入相对于当前状态的状态，在时钟脉冲的负沿或下降沿，ON晶体管将断开，OFF晶体管将导通。真D信号和互补DB信号（Q3、R7反相级的输出）用于偏置二极管D1和D2，以将时钟脉冲引导至正确的基极，这相当于图8中的SET和RESET输入。

为了说明威廉希尔官方网站 如何工作，我们假设威廉希尔官方网站 处于两个稳定状态之一，QB输出低电平（Q1的集电极电压为0 V），Q输出高电平（Q2的集电极电压为5 V高电平）。当D输入为低电平（DB为高电平）时，D1的阴极（通过R6）具有低电压，其阳极（通过R4）具有高电压（导通晶体管Q1的VBE），使其正向偏置。D2的阴极（通过R5）具有高电压（来自DB），其阳极（通过R3）具有低电压（关断晶体管Q2的VBE），使其反向偏置。

由于D1正向偏置，所以时钟输入上的负向脉冲（通过C1和C2耦合）被引导至Q1的基极，但由于D2反向偏置，所以负向脉冲被Q2的基极阻隔。通过C3和R3并联组合的交叉耦合连接使Q1关断，并使Q2导通。由于我们之前在简单双稳态多谐振荡器中看到的正反馈效应，这种情况发生得非常快速。威廉希尔官方网站 现在处于另一种稳定状态，Q输出高电平，QB输出低电平。威廉希尔官方网站 将保持在该状态，直到D输入变为高电平并且另一个负向时钟脉冲到达之后。

硬件设置

试验板连接如图13所示。

图13. D型触发器试验板威廉希尔官方网站

程序步骤

AWG1输出应连接到图12中标记的时钟输入。AWG2输出应连接到D输入。示波器通道1输入应连接到时钟输入。示波器通道2应连接到图12中触发器的Q输出。AWG1和AWG2均应配置为具有5 V幅度峰峰值和2.5 V偏移（0 V至5 V摆幅）的方波。将AWG1的频率设置为10 kHz，将AWG2的频率设置为5 kHz。将AWG2的相位设置为45度。务必将两个AWG输出配置为同步运行。

只有在威廉希尔官方网站 构建完毕并检查之后，才能开启VP电源并使能AWG输出。应能在Q输出上观察到一个方波，其与时钟输入信号的下降沿对齐。更改AWG2（D输入信号）的相位，同时观察此对齐。这会随着D输入的相位变化而变化吗？将通道1示波器输入移至D输入。应能看到一个类似的方波信号，但它相对于Q输出超前。换言之，Q输出延迟到时钟信号的下降沿为止。

图15. Q和D信号图

2分频触发器

目标

第五个实验的目的是修改实验4中的D型触发器，以构建一个将输入信号的频率除以2的威廉希尔官方网站 。

材料

ADALM2000主动学习模块

无焊试验板

跳线

两个1 kΩ电阻

两个200 kΩ电阻

两个47 kΩ电阻

两个小信号NPN晶体管(2N3904)

两个小信号二极管(1N914)

两个39 pF电容

两个100 pF电容

说明

修改实验4中的D型触发器，在无焊试验板上构建图16所示的2分频威廉希尔官方网站 。

图16. 2分频威廉希尔官方网站

两种状态之间的切换是通过施加单个时钟脉冲来实现的；在该时钟脉冲的负沿或下降沿，这会导致ON晶体管断开，OFF晶体管导通。依次向每个基极施加脉冲，该威廉希尔官方网站 将顺序切换，这是通过单个输入时钟脉冲来实现的——该时钟脉冲用于偏置两个二极管，根据触发器的当前状态将脉冲引导至正确的基极。

为了说明威廉希尔官方网站 如何工作，我们假设威廉希尔官方网站 处于两个稳定状态之一，Q1的集电极电压为低电平(0 V)，Q2的集电极电压为高电平(5 V)。D1的阴极（通过R6）具有低电压，其阳极（通过R4）具有高电压（导通晶体管Q1的VBE），使其正向偏置。D2的阴极（通过R5）具有高电压，其阳极（通过R3）具有低电压（关断晶体管Q2的VBE），使其反向偏置。

由于D1正向偏置，所以外部负向脉冲（通过C1和C2耦合）被引导至Q1的基极，但由于D2反向偏置，所以负向脉冲被Q2的基极阻隔。通过C3和R3并联组合的交叉耦合连接使Q1关断，并使Q2导通。由于我们之前在简单双稳态多谐振荡器中看到的正反馈效应，这种情况发生得非常快速。

威廉希尔官方网站 现在处于第二稳定状态，等待另一个负向时钟脉冲。

由于Q2的集电极电压（Q输出节点）会随着每个时钟脉冲改变状态，因此每出现两个时钟输入脉冲，输出端就会出现一个脉冲。因此，它可以用作二分频威廉希尔官方网站 。

硬件设置

试验板连接如图17所示。

图17. 2分频触发器试验板威廉希尔官方网站

程序步骤

AWG1输出和示波器通道1输入均应连接到图16中标记的时钟输入。示波器通道2应连接到图16中触发器的Q输出。AWG1应配置为具有5 V幅度峰峰值和2.5 V偏移（0 V至5 V摆幅）的方波。将频率设置为10 kHz。

只有在威廉希尔官方网站 构建完毕并检查之后，才能开启VP电源并使能AWG1输出。应能在Q输出上观察到一个方波，其频率是AWG1信号频率的一半。将通道2示波器输入移至QB输出。应能看到一个类似的方波信号，但它相对于Q输出反相。

图19. 时钟和QB输出图

审核编辑：郭婷