單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器

線上影片連結補充教材555Timercircuittutorial11-1正弦波產生電路振盪電路（oscillator）（又稱為波形產生電路）的功能是將電路中的直流電能轉換為交流電能，以產生各種交流信號波形，如正弦波、方波、脈波、三角波、鋸齒掃描波及階梯波等，如圖11-1所示。因為實際應用以正弦波、方波、脈波及三角波的應用最多，所以本章節(jié)將探討此類波形產生電路，至於其他波形，則請參閱相關書籍說明。11-1正弦波產生電路

11-1正弦波產生電路

圖11-2(a)為正弦波振盪電路的組成方塊圖。11-1正弦波產生電路

11-1正弦波產生電路

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11-1正弦波產生電路

11-1正弦波產生電路

例題11-111-1正弦波產生電路圖11-5為回授網路採RC

回授式的韋恩電橋振盪器（Wien-bridgeoscillator），由回授網路，即頻率選擇網路（frequency-selectivenetwork），利用基本電學分壓定理，可得回授因數：11-1正弦波產生電路

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例題11-211-1正弦波產生電路

例題11-311-1正弦波產生電路

11-1正弦波產生電路11-1正弦波產生電路

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例題11-411-1正弦波產生電路

例題11-511-1正弦波產生電路

例題11-611-1正弦波產生電路

11-1正弦波產生電路

採RC

回授式網路的韋恩電橋振盪電路與相移振盪電路，因電阻會消耗能量，所以最高振盪頻率大約在數百kHz左右，為得到更高之振盪頻率，則回授網路應改用LC

回授式，如考畢子振盪電路與哈特萊振盪電路。11-1正弦波產生電路

考畢子振盪電路111-1正弦波產生電路

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例題11-711-1正弦波產生電路

11-1正弦波產生電路

哈特萊振盪電路211-1正弦波產生電路

11-1正弦波產生電路

11-1正弦波產生電路

例題11-811-1正弦波產生電路

11-1正弦波產生電路

LC

回授式的高頻振盪電路常因電感、電容元件特性的改變，造成振盪頻率不穩(wěn)定，而目前能提供最穩(wěn)定與最高精準度的振盪元件為石英晶體振盪器，其結構符號、振盪原理及特性說明如下：11-1正弦波產生電路石英晶體（簡稱晶體）基本上為二氧化矽的結晶體，若將一塊切割好的石英晶體（外觀像是一片很薄的玻璃片）兩邊塗上導電銀薄膜並各銲上一根導線，再加以金屬外殼封裝，即構成石英晶體振盪器，如圖11-9分別為石英晶體封裝後之外觀、內部物理結構及電路符號。

石英晶體振盪器的物理結構與電路符號111-1正弦波產生電路

11-1正弦波產生電路石英晶體的振盪原理是，利用壓電效應（piezoelectriceffect），使晶體產生共振現象。當在石英晶體的兩端加上電場時，晶體會產生機械變形，相反地，若在石英晶體的兩端施以壓力時，晶體則會在其對應方向產生電場，這種物理現象稱為壓電效應，如圖11-10所示。

石英晶體的壓電效應211-1正弦波產生電路利用石英晶體的壓電效應，在晶體的兩端加上交流電壓時，晶體即會產生機械振動，同時晶體的振動又會產生交變的電壓，當外加交流電壓頻率與晶體機械共振頻率相同時，即產生壓電共振特性，此時機械的振動與交流電壓幅度都會達到最大，這種現象稱為壓電諧振，其與基本電學所學的LC

諧振現象非常相似。石英晶體的諧振頻率與晶體從石英結晶塊切下來時的切割方式、方向、形狀及尺寸大小皆有關。11-1正弦波產生電路圖11-11(a)為石英晶體的等效電路，其中：1.並聯電容Cp

為晶體不振動時之等效平板電容值，其值約為數pF～數十pF。2.電阻R

等效於晶體振動時，因摩擦而造成的損耗，其值約為100

。3.電感L

等效於晶體振動慣性，其值約為數十mH～數百mH。

石英晶體的等效電路與振盪頻率311-1正弦波產生電路4.串聯電容Cs

等效於晶體振動彈性，其值約為0.0002pF～0.1pF。11-1正弦波產生電路

11-1正弦波產生電路

11-1正弦波產生電路圖11-12(a)為基本石英晶體振盪電路，電路中的電容C可微調輸出振盪頻率。若將考畢子振盪電路內的電感改用諧振時具有電感性的石英晶體，稱為皮耳斯（Pierce）振盪電路，如圖11-12(b)所示。實用的石英晶體振盪電路，其振盪頻率主要與晶體的諧振頻率有關，與外接的電路元件無關。

石英晶體振盪電路的應用411-1正弦波產生電路

11-1正弦波產生電路

例題11-911-1正弦波產生電路

11-2多諧振盪器多諧振盪電路（multivibrator）可產生方波信號與脈波信號，此類信號常應用於控制電路中。多諧振盪器屬於弛張振盪器（relaxationoscillator），其振盪原理是利用電容充放電的特性，改變輸出（Hi，Lo）狀態(tài)，此與正弦波振盪電路利用諧振原理產生振盪的方式不同。11-2多諧振盪器多諧振盪器依功能區(qū)分，可分為三類：1.雙穩(wěn)態(tài)多諧振盪器（bistablemultivibrator）：此種振盪器具有兩個穩(wěn)定的輸出狀態(tài)，即Hi狀態(tài)或Lo狀態(tài)。若欲改變原來狀態(tài)至另一狀態(tài)時，需要輸入觸發(fā)信號，且改變狀態(tài)後不會自動回復原狀態(tài)，具有記憶性，除非再加入另一觸發(fā)信號才會再改變狀態(tài)，其功能可應用於正反器或記憶性電路。2.無（不、非）穩(wěn)態(tài)多諧振盪器（astablemultivibrator）：此種振盪器不需要輸入任何觸發(fā)信號，即能自發(fā)振盪出週期性的方波信號，其功能可應用於時脈（clock）產生電路。11-2多諧振盪器3.單穩(wěn)態(tài)多諧振盪器（monostablemultivibrator）：此種振盪器在加入觸發(fā)信號後，可改變原狀態(tài)至另一暫時狀態(tài)，且經過一段時間後，會自動回復到未觸發(fā)前之原狀態(tài)，其功能可產生脈波信號應用於定時控制電路。11-2多諧振盪器

11-2多諧振盪器

11-2多諧振盪器

11-2多諧振盪器

11-2多諧振盪器

11-2多諧振盪器

11-2多諧振盪器

11-2多諧振盪器

11-2多諧振盪器

11-2多諧振盪器

11-2多諧振盪器

11-2多諧振盪器

11-2多諧振盪器

例題11-1011-2多諧振盪器

11-2多諧振盪器

11-2多諧振盪器

11-2多諧振盪器

11-2多諧振盪器

例題11-1111-3施密特觸發(fā)器

在第10章運算放大器的討論中，我們已瞭解運算放大器在未接負回授網路時，其功能為比較器特性，即：11-3施密特觸發(fā)器

11-3施密特觸發(fā)器相較於一般比較器的比較參考電壓只有一個狀態(tài)值，本小節(jié)將介紹的施密特觸發(fā)器屬於進階比較器應用電路，其比較參考電壓有兩個狀態(tài)電壓值，分別由輸出的正負飽和值電壓經正回授網路產生。輸出經由回授網路接至非反相輸入端即為正回授網路。施密特觸發(fā)器依輸入信號端的不同，可分為反相施密特觸發(fā)器與非反相施密特觸發(fā)器，分述如下。11-3施密特觸發(fā)器

11-3施密特觸發(fā)器

11-3施密特觸發(fā)器

11-3施密特觸發(fā)器

11-3施密特觸發(fā)器

11-3施密特觸發(fā)器綜合以上分析比較，可知上臨界電壓與下臨界電壓為對稱相等（即VUT

=?VLT），其完整電路及輸入－輸出轉移特性曲線，如圖11-18(c)所示。因為反相施密特觸發(fā)器之轉移特性曲線為封閉性的遲滯效應（hysteresiseffect），所以稱為遲滯曲線，且曲線變化方向為順時針旋轉，其中VH

定義為遲滯電壓又稱遲滯寬度，其值為：11-3施密特觸發(fā)器

11-3施密特觸發(fā)器

11-3施密特觸發(fā)器當輸入Vs

為一弦波信號或其他非方波信號時，若輸入信號電壓大小可超過上或下臨界電壓（VUT

或VLT）時，其輸出信號為方波，故施密特觸發(fā)器又稱波形整形電路，其功能特性可應用於方波產生電路。11-3施密特觸發(fā)器

例題11-1211-3施密特觸發(fā)器

11-3施密特觸發(fā)器

11-3施密特觸發(fā)器

若將反相施密特觸發(fā)器之正回授接地端與OPA反相輸入信號端互換，即形成非反相施密特觸發(fā)器，如圖11-19(a)、(b)所示，其工作原理說明如下：11-3施密特觸發(fā)器

11-3施密特觸發(fā)器

11-3施密特觸發(fā)器

11-3施密特觸發(fā)器其上臨界電壓：圖11-20(b)為輸出負飽和時，其等效電路與輸入－輸出轉移特性曲線。綜合以上分析比較，可知上臨界電壓與下臨界電壓為對稱相等（即VUT=?VLT），其完整電路及輸入－輸出轉移特性曲線如圖11-20(c)所示。非反相施密特觸發(fā)器之轉移特性曲線，其遲滯曲線變化方向為逆時針旋轉。11-3施密特觸發(fā)器

11-3施密特觸發(fā)器

11-3施密特觸發(fā)器

11-3施密特觸發(fā)器

例題11-1311-3施密特觸發(fā)器

11-3施密特觸發(fā)器

11-3施密特觸發(fā)器若將反相施密特觸發(fā)器中的正回授接地端，改接一個偏壓VR時，即為加偏壓之反相施密特觸發(fā)器，如圖11-21(a)所示，其工作原理說明如下：

加偏壓之反相施密特觸發(fā)器111-3施密特觸發(fā)器

11-3施密特觸發(fā)器

11-3施密特觸發(fā)器

11-3施密特觸發(fā)器

11-3施密特觸發(fā)器

例題11-1411-3施密特觸發(fā)器

11-3施密特觸發(fā)器若將非反相施密特觸發(fā)器中的OPA反相輸入端接地，改接一個偏壓VR

時，即成為加偏壓之非反相施密特觸發(fā)器，如圖11-22(a)所示，其工作原理說明如下：

加偏壓之非反相施密特觸發(fā)器211-3施密特觸發(fā)器

11-3施密特觸發(fā)器

11-3施密特觸發(fā)器

11-3施密特觸發(fā)器

11-3施密特觸發(fā)器

11-3施密特觸發(fā)器

例題11-1511-3施密特觸發(fā)器

11-4方波產生電路在11-2小節(jié)裡已介紹過可產生方波（無穩(wěn)態(tài)）和脈波（單穩(wěn)態(tài)）之電晶體多諧振盪電路，本小節(jié)將探討應用OPA施密特觸發(fā)振盪之方波產生電路與脈波產生電路。圖11-23(a)為利用OPA施密特觸發(fā)振盪之方波產生電路（無穩(wěn)態(tài)多諧振盪電路），圖中輸出信號藉由充放電迴路，回授至反相施密特觸發(fā)電路的輸入端，進而改變輸出狀態(tài)。圖11-23(b)為電容電壓VC

對應輸出電壓Vo之波形圖，其工作原理說明如下：11-4方波產生電路

11-4方波產生電路

11-4方波產生電路

11-4方波產生電路

11-4方波產生電路

11-4方波產生電路例題11-1611-4方波產生電路

11-4方波產生電路將OPA方波產生電路之電容並接一個二極體，而且在OPA非反相輸入端並接上一個可以觸發(fā)接地信號的開關SW，即形成OPA脈波產生電路，如圖11-24(a)所示，圖11-24(b)為其電容電壓VC

對應輸出電壓Vo

之波形，工作原理說明如下：11-4方波產生電路

11-4方波產生電路

11-4方波產生電路

11-4方波產生電路

11-4方波產生電路

例題11-1711-5三角波產生電路

應用非反相施密特觸發(fā)器結合積分器產生之三角波產生電路，簡稱為施密特－積分三角波產生電路，如圖11-25(a)所示。圖11-25(b)為Vo1

對應Vo2之波形，工作原理說明如下：11-5三角波產生電路

11-5三角波產生電路

11-5三角波產生電路

11-5三角波產生電路

11-5三角波產生電路

11-5三角波產生電路

11-5三角波產生電路

11-5三角波產生電路

例題11-1811-5三角波產生電路

11-5三角波產生電路圖11-26為加上雙向稽納截波電路作為限幅之施密特－積分三角波產生電路，其中電阻Rx

為稽納導通時之輸出限流電阻，其振盪週期同一般施密特－積分三角波產生電路，唯一不同的是輸出振幅改變?yōu)椋?1-5三角波產生電路

11-5三角波產生電路

例題11-1911-5三角波產生電路

11-6555計時器振盪電路

編號555的IC是一顆可用於計時／計數的通用IC，它常應用於產生方波與脈波信號，其內部構造如圖11-27所示，其組成元件的功能分別為：11-6555計時器振盪電路

11-6555計時器振盪電路

11-6555計時器振盪電路555IC的各接腳功能分別為：1.接地（ground,GND）腳。2.觸發(fā)（trigger,TR）信號輸入腳，即下比較器反相

輸入腳。3.輸出（output,OUT）腳，可輸出Hi=VCC

或Lo=0V。4.重置（reset,RST）電路腳，使輸出為0V。11-6555計時器振盪電路5.控制電壓（controlvoltage,CV）輸入腳，可改變上、下比較器之參考電位VUT、VLT，進而改變輸出振盪頻率，達到電壓控制振盪的功能。6.臨界（threshold,TH）信號輸入腳，即上比較器之非反相輸入腳。7.放電（discharge,DIS）迴路輸入腳。8.電源（VCC）腳，一般VCC

操作電壓約5V～15V。11-6555計時器振盪電路

圖11-28(a)係利用555計時器作為施密特觸發(fā)電路的接線圖，其中將臨界腳與觸發(fā)腳接在一起當作輸入信號端，以改變輸出Hi、Lo狀態(tài)，而接在控制電壓腳上的電容稱為反交連電容，其功能為濾除電源雜訊對參考電位VUT

及VLT

的影響，其值一般為0.01μF。