什么是多谐振荡器？关于“非稳态/张弛”振荡器的形象类比

一、多谐振荡器

与前文所述的LC振荡器不同，多谐振荡器（Multivibrator）产生的振荡波形不限于正弦波，还能是方波、锯齿波、三角波、脉冲波等等波形……

多谐振荡器的应用非常广泛，譬如，驾车时打开一闪一闪的转向灯，就是由多谐振荡器实现的：

从振荡的状态来说，多谐振荡器可以分为三个类别：

图2-多谐振荡器的类别（Multivibrator）

• 非稳态多谐振荡器（Astable Multivibrator）：不需要输入信号来触发（自激）。对于输出信号，有两种状态，但不管哪个状态都不稳定，总是从一个状态转变到另一个状态，一张一弛，所以又称为“弛张振荡器”（Relaxation Oscillator）。
• 单稳态多谐振荡器（Monostable Multivibrator）：需要输入信号来触发。触发后，输出信号处于非稳态，但持续一段时间后还是会回到稳态。这种电路可以用于延时、消除抖动等。
• 双稳态多谐振荡器（Bistable Multivibrator）：需要输入信号来触发。触发后，输出信号由一个稳态转变到另一个稳态。这种电路是Memory的基础，有待日后分析。

以下，主要介绍非稳态多谐振荡器（弛张振荡器）。

二、关于“非稳态/张弛”振荡器的形象类比

对于“非稳态/张弛”振荡器，我们可以用“跷跷板与水桶”的例子来做个类比：

图3-跷跷板与水桶

• 初始的时候，跷跷板左边是重物M，右侧是水桶；水桶为空，故而跷跷板向左倾斜；
• 然后是一个持续给水桶灌水的过程；
• 随着水桶里的水增多，在某个时刻，水桶重量大于重物M；跷跷板向右倾斜，水桶打翻；
• 水桶打翻后，水桶重量再次小于重物M，跷跷板向左倾斜，回归到初始状态，周而复始；

上述跷跷板的左倾和右倾，代表两个状态，系统在这两个状态中徘徊，无法稳定在其中一个。不过这是一个机械设备构成的系统，要落实到电子世界里，如何实现呢？

图4-非稳态/弛张振荡器的工作方式类比

可以想到：代替“水桶”的是电容，“灌水”就是充电，“重物M”是个参考电压，而“跷跷板”由比较器（运放）来实现！

三、基于运放的“非稳态/张弛”振荡器

我们构建电路图如下：

图5-基于运放的非稳态/张弛振荡器电路图

运放的输入两端是a和b，a是由运放输出分压获得，b连接电容。运放的输出端是c。

图6-输出信号与电容时序图

运放的输出在﹢V0和﹣V0两个状态中切换变换，这是因为：

• 当a大于b，运放输出高电平，即c为高；
• 由于c为高，c通过电阻对电容进行充电，随着电容充电，b电压上升；
• 当b大于a，运放输出低电平，即c为低；
• 由于c为低，电容通过电阻进行放电，随着电容放电，b电压下降，并重新回到第1步；

振荡频率有涉及公式计算，在此不列出，但可想而知与电容、电阻的值有关系。

四、基于三极管的“非稳态/张弛”振荡器

基于三极管的非稳态/张弛振荡器设计非常巧妙，它由两路R、C、三极管构成，其中，一路C会控制另一路上三极管的导通与截止：

图7-基于三极管的非稳态/张弛振荡器电路图

两个三极管的集电极作为输出——Out1和Out2，两个输出端信号互为反相，实现两个状态之间振荡。如果Out1和Out2分别接两个LED，两个LED就会交替闪烁：

图8-TR1和TR2三极管的集电极输出信号波形

工作原理有几个要点如下：

• 三极管工作于导通和截止状态，导通时集电极接近0V，截止时集电极接近VCC；
• 电容两端电压不能突变，假设电容左-右两端电压压差为D，如果右端为0V，则左端为(0+D)V，如果右端瞬间由0V变为-10V，则左端电压就是(-10+D)V。

现在假设TR1截止，TR2导通：

• VCC经过R1、C1、TR2基极、TR2发射极，向C1从左至右充电；同时，VCC通过R3、C2、TR2集电极、TR2发射极，向C2从左至右充电；
• 当C2从左至右大于0.6V，TR1导通，TR1集电极为0V，这使得C1左端为0V，由于之前C1是从左至右充电，即左端电压大于右端，现在左端为0V，意味着右端为负，这会瞬间关闭TR2基极-发射极回路，使得TR2截止；
• 系统进入TR1导通，TR2截止的状态，并周而复始。

我们看TR1三极管，能看到基极能出现负电压，这源于“电容两端电压不能突变”的原则：

图9-TR1三极管的基极和集电极信号波形

振荡频率计算公式也不列出了，各位可以查一下课本资料。

最后我们来看一下仿真效果和实验效果：

图10-基于三极管的非稳态/张弛振荡器仿真效果

图11-基于三极管的非稳态/张弛振荡器实验效果

五、小结

今天介绍的是一种简单的非稳态多谐振荡器，它可以产生方波，但如果需要精确的控制时序脉冲，需要通过一颗非常经典的IC来实现——555计时器（555 Timer）。