多谐振荡器

多谐振荡器是连续在高和低两个不同状态之间操作的时序逻辑电路。

1、概述

单个时序逻辑电路可用于构建更复杂的电路，如多谐振荡器、计数器、移位寄存器、锁存器和存储器。

但是，这些类型的电路要以“顺序”方式操作，它们需要添加某种形式的时钟脉冲或定时信号以使其改变状态。时钟脉冲通常是由单个脉冲发生器电路（如多谐振荡器）产生的连续方形或矩形波形。

多谐振荡器电路在“高”状态和“低”状态之间振荡，产生连续输出。非稳态多谐振荡器通常具有均匀的50%占空比，即循环时间的50%输出为“高”，剩余的50%循环时间输出为“关”。换句话说，非稳态定时脉冲的占空比为1:1。

使用时钟信号进行同步的时序逻辑电路依赖于频率，因此依赖于时钟脉冲宽度来激活其开关动作。正如我们之前看到的基本触发器电路那样，时序电路也可以使用时钟信号的上升沿、下降沿或两个边沿来改变其开关状态。以下是与定时脉冲或波形相关的常用术语列表。

• 有效高电平 - 如果状态变化从“低”到“高”，则在时钟脉冲的上升沿或时钟宽度期间发生。

• 有效低电平 - 如果状态变化从“高”到“低”，则在时钟脉冲的下降沿发生。

• 时钟宽度 - 这是时钟信号的值等于逻辑“1”或高的时间。

• 时钟周期 - 这是在同一方向上连续过渡之间的时间，即两个上升沿或两个下降沿之间。

• 占空比 - 这是时钟宽度与时钟周期的比率。

• 时钟频率 - 时钟频率是时钟周期的倒数，频率=1/时钟周期。(ƒ = 1/T)

时钟脉冲生成电路可以是模拟和数字电路的组合，产生连续的脉冲序列（这些称为非稳态多谐振荡器）或特定持续时间的脉冲（这些称为单稳态多谐振荡器）。结合两个或更多多谐振荡器电路可以产生所需模式的脉冲（包括脉冲宽度、脉冲之间的时间和脉冲频率）。

时钟脉冲生成电路基本上有三种类型：

• 非稳态 - 一种自由运行的多谐振荡器，没有稳定状态，但会在两个状态之间连续切换，此操作会产生一系列固定已知频率的方波脉冲。
• 单稳态 - 一种单发多谐振荡器，只有一个稳定状态，一旦外部触发就返回到其第一个稳定状态。
• 双稳态 - 一种触发器，有两个稳定状态，产生一个单一脉冲，值要么为高电平，要么为低电平。

通过数字逻辑门的相互连接，可以产生非常简单的时钟信号（或脉冲）。由于与非门包含电流放大，它们还可以在单个电容器和电阻器的辅助下提供适当的时钟信号或定时脉冲，以提供所需的反馈和定时功能。
这些定时电路通常因其简单而常被使用，并且如果设计的逻辑电路有一些未使用的门，它们可以用来创建单稳态或非稳态振荡器，这也是很有用的。这种简单的RC振荡器网络有时被称为“松弛振荡器”。

2、单稳态多谐振荡器电路

单稳态多谐振荡器或“单发”脉冲发生器通常用于将短暂尖锐的脉冲转换为更宽的脉冲，用于计时应用。当施加适当的外部触发信号或启动脉冲T时，单稳态多谐振荡器产生单个输出脉冲，要么是“高”，要么是“低”。
这个触发脉冲信号启动一个计时周期，使单稳态的输出在计时周期开始时（t1）改变状态。输出保持在这种第二状态，直到计时周期结束（t2），这由定时电容CT和电阻RT决定的时间常数确定。

单稳态多谐振荡器现在保持在这种第二计时状态，直到RC时间常数结束，并自动“重置”或返回到其原始（稳定）状态。因此，单稳态电路只有一个稳定状态，即其空闲或静止状态。这种类型的电路更常见的名称简单地就是“触发器”，因为它可以像我们之前看到的，由两个交叉耦合的与非门（或或非门）制成。考虑下面的电路。

简单与非门单稳态电路

假设最初触发输入T通过电阻R1保持在逻辑电平“1”的高位，使得第一个与非门U1的输出为低位，逻辑电平“0”（与非门原理）。定时电阻RT连接到等于逻辑电平“0”的电压水平，这将导致电容器CT完全放电。因此U1的输出是低电平。由于定时电容器完全放电，结点V1也将等于“0”，导致第二个与非门U2（连接为反相NOT门）的输出为高电平（逻辑-1）。
第二个与非门（U2）的输出反馈到U1的一个输入，以提供必要的正反馈。由于结点V1和U1的输出都处于逻辑“0”，电流不会在定时电容CT中流动。这导致电路稳定，并将保持在这个稳定状态，直到应用了触发输入T。

如果现在通过外部或按钮操作将负脉冲应用到与非门U1的触发输入，U1的输出将变为高电平，逻辑“1”（与非门原理）。

由于电容器上的电压不能瞬间改变（电容器充电原理），这将导致结点V1和U2的输入变为高电平，进而使与非门U2的输出状态变为逻辑-0。即使移除触发输入脉冲T，电路现在将保持在这种第二计时状态。这被称为亚稳态。
电容器上的电压现在将开始增加，因为电容器CT开始从U1的高输出充电，其时间常数由电阻/电容组合决定。这个充电过程持续进行，直到充电电流无法保持U2的输入和因此结点V1为高电平。

当这种情况发生时，U2的输出再次变高，逻辑-1，这反过来又导致U1的输出变低，电容器在电阻器RT的影响下向U1的输出放电。电路现在已经切换回其原始稳定状态。
因此，对于每个负向触发脉冲，单稳态多谐振荡器电路产生一个低向输出脉冲。输出时间段的长度由电容/电阻组合（RC网络）决定，并给出为电路的时间常数T = 0.69RC，单位为秒。由于与非门的输入阻抗非常高，可以实现大的定时周期。
除了上述的与非门单稳态类型电路外，还可以使用NOT门、NAND门和NOR门构建简单的单稳态定时电路，它们从触发脉冲的上升沿开始计时序列，如下所示。

3、NOT门单稳态多谐振荡器

NOT门单稳态多谐振荡器

与上述的与非门电路一样，最初触发输入T处于逻辑电平“1”的高电平，使得第一个NOT门U1的输出处于逻辑电平“0”的低电平。定时电阻RT和电容器CT并联连接到第二个NOT门U2的输入。由于U2的输入为低电平，其输出Q将为高电平。
当逻辑电平“0”脉冲应用于第一个NOT门的触发输入T时，它改变状态并产生逻辑电平“1”的输出。二极管D1将这个逻辑-1电压级别传递给RC定时网络。电容器CT上的电压迅速增加到这个新的电压级别，这也连接到第二个NOT门的输入。这反过来在Q处输出逻辑“0”，只要应用于电路的触发输入T保持低位，电路就保持在这种亚稳态。

当触发信号再次返回高位时，第一个NOT门的输出变为逻辑“0”低位（NOT门原理），完全充电的电容器开始通过与之并联的电阻器放电。当电容器上的电压降至第二个NOT门输入的较低阈值以下时，其输出再次切换，在Q处产生逻辑电平“1”。二极管D1阻止定时电容器通过第一个NOT门的输出反向放电。

因此，NOT门单稳态多谐振荡器的时间常数给出为T = 0.8RC + 触发，单位为秒。

单稳态多谐振荡器的一个主要缺点是，应用下一个触发脉冲T之间的时间必须大于电路的RC时间常数。

4、非稳态多谐振荡器电路

非稳态多谐振荡器是非稳态多谐振荡器中最常用的类型。非稳态多谐振荡器是一个自由运行的振荡器，没有永久的“中间”或“稳定”状态，而是不断从一种状态（低位）转变到另一种状态（高位），然后再返回。这种从“高位”到“低位”和“低位”到“高位”的连续切换动作产生一个连续且稳定的方波输出，该输出在两个逻辑电平之间突然切换，非常适合计时和时钟脉冲应用。
与上述单稳态多谐振荡器电路一样，计时周期由电阻-电容器RC网络的RC时间常数决定。然后，通过简单地改变电路中电阻器和电容器的值，可以改变输出频率。

与非门非稳态多谐振荡器

非稳态多谐振荡器电路使用两个CMOS NOT门，如CD4069或74HC04六反相器IC，或者像我们下面的简单电路中那样，使用一对CMOS NAND门，如CD4011或74LS132以及一个RC定时网络。这两个NAND门连接为反相NOT门。
假设最初NAND门U2的输出处于逻辑电平“1”的高电平，那么输入必须是逻辑电平“0”的低电平（NAND门原理），第一个NAND门U1的输出也是如此。电容器C通过定时电阻R2连接在第二个NAND门U2的输出和其输入之间。电容器现在以由R2和C的时间常数确定的速率充电。
随着电容器C充电，电阻R2与电容器C之间的结点电压降低，该结点也通过稳定电阻R2连接到NAND门U1的输入，直到达到U1的较低阈值。此时，U1改变状态，U1的输出现在变为高电平。这种变化导致NAND门U2也改变状态，因为其输入已从逻辑“0”变为逻辑“1”，导致NAND门U2的输出变低。
电容器C现在变得反向偏置，因此开始通过U1的输入放电。电容器C再次按照之前由R2和C的时间常数确定的方向充电，直到达到NAND门U1的较高阈值。这导致U1改变状态，周期再次重复。
然后，NAND门非稳态多谐振荡器的时间常数给出为$T=2.2RC$，单位为秒，输出频率给出为$ƒ=1/T$。
例如：如果电阻$R_2=10k\Omega$且电容器$C=45nF$，则电路的振荡频率将给出为：

那么输出频率计算为1kHz，这相当于一个1ms的时间常数。因此，输出波形看起来是这样的：

5、双稳态多谐振荡器电路

双稳态多谐振荡器电路基本上是我们在之前的教程中看到的SR触发器的变体，增加了一个反相器或NOT门以提供必要的切换功能。与触发器一样，双稳态多谐振荡器的两个状态都是稳定的，电路将无限期地保持在任一稳定状态。这种类型的多谐振荡器电路“仅在”施加适当的外部触发脉冲T时从一个状态切换到另一个状态，因此要完成一个完整的“设置-重置”周期需要两个触发脉冲。这种类型的电路也被称为“双稳态锁存器”、“翻转锁存器”或简称为“T锁存器”。

与非门双稳态多谐振荡器

制作双稳态锁存器的最简单方法是将一对施密特与非门锁连接起来，形成一个SR锁存器，如上图所示。两个与非门U2和U3形成双稳态，由输入与非门U1触发。这个U1与非门可以被省略，替换为一个简单的拨动开关，制成一个我们在之前的SR触发器教程中看到的开关去抖动电路。
当输入脉冲变为“低”时，双稳态锁存器进入其“设置”状态，输出处于逻辑电平“1”，直到输入变为“高”，导致双稳态锁存器进入其“重置”状态，输出处于逻辑电平“0”。双稳态多谐振荡器的输出将保持在这种“重置”状态，直到应用另一个输入脉冲，整个序列将再次开始。

因此，双稳态锁存器或“翻转锁存器”是一个双态设备，其中两种状态要么是高（逻辑“1”），要么是低（逻辑“0”），都是稳定的。
双稳态多谐振荡器有许多应用，如分频器、计数器或用作计算机存储器中的存储设备，但它们最好用于锁存器和计数器等电路中。

6、555定时器电路

使用标准常用的波形发生器IC可以轻松制作简单的单稳态或非稳态多谐振荡器，这些IC专门设计用于创建定时和振荡器电路。通过将一些无源元件连接到其输入引脚，就可以简单地构建松弛振荡器，最常用的波形发生器类型IC是经典的555定时器。

555定时器是一款非常通用的低成本定时IC，可以产生非常精确的定时周期，具有良好的稳定性，大约在1%左右，其定时周期可以从几微秒到许多小时不等，定时周期由连接到单个正电源（4.5至16伏之间）的单个RC网络控制。
NE555定时器及其后续产品，如ICM7555、CMOS LM1455、DUAL NE556等，在555振荡器教程和其他优秀的电子网站中有介绍，因此这里仅作为参考包含在内，作为一个时钟脉冲发生器。下面展示了连接为非稳态多谐振荡器的555。

NE555非稳态多谐振荡器

在这里，555定时器被连接成一个基本的非稳态多谐振荡器，产生连续的输出波形。引脚2和6连接在一起，使其在每个定时周期都会自我重新触发，从而充当一个非稳态振荡器。电容器C1通过电阻器R1和电阻器R2充电，但只通过电阻器R2放电，因为R2的另一侧连接到放电端子，即引脚7。然后，t1和t2的定时周期给定为：

电容器C1上的电压范围从Vcc的1/3到大约2/3 Vcc，这取决于RC定时周期。这种类型的电路非常稳定，因为它从单个供电轨运行，导致振荡频率与电源电压Vcc无关。

在接下来的关于时序逻辑电路的文章中，我们将研究另一种称为数据锁存器的时钟控制触发器。数据锁存器是由标准门控SR触发器制成的非常有用时序电路，用于分频以产生各种纹波计数器、分频器和锁存器。