电子线路 RC环形多谐振荡器 实验报告

RC环形多谐振荡器

                   

                   

1.       实验目的
  通过搭建RC环形多谐振荡电路，并通过模拟示波器观察、测量方波的性能特性，理解振荡器的振荡原理以及矩形脉冲的性能指标。

2.  实验器材
面包板，直流电源，保护电阻，电容、导线若干

3.  实验原理
  利用逻辑门电路的传输延迟时间，将奇数个与非门首尾相接，就可以构成一个基本环形振荡器。以三个“非”门为例，如图1所示。设某一时刻电路的输出端vO3为1，经过1个传输延迟时间tpd后 vO1为0，经过2个传输延迟时间tpd后 vO2为1，经过3个传输延迟时间tpd后 vO3为0。如此自动反复，于是在输出端得到连续的方波，且周期为6tpd。这种电路简单，但由于门电路的传输延迟时间很短，因此这种振荡器的振荡频率极高且不可调，所以实际中用处不大。

图表 1基本环形振荡器原理

RC 环形多谐振荡器是在图表1中电路中加入RC 环路，如图2所示。它不但增大了环路延迟时间，降低了振荡频率，而且通过改变RC 的数值可以调节振荡频率。其中R是限流电阻，阻值不大。由于加入RC 环路电路的振荡周期大大增加，逻辑门电路的传输延迟时间同其相比可忽略。


           
                            图表 2  RC环形振荡器实验电路

矩形脉冲的性能指标：

（1）脉冲周期T——周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲间的时间间隔。 

（2）脉冲幅度Um——脉冲电压最大变化的幅值。

（3）脉冲宽度Tw——从脉冲前沿0.5Um始，到脉冲后沿0.5Um止的一段时间。

（4）上升时间tr ——脉冲从0.1Um上升到0.9Um所需的时间。

（5）下降时间tf ——脉冲从0.9Um下降到0.1Um所需的时间。

（6）占空比：高电平所占周期的时间比率。

4.       实验内容
按照图表1所示电路图连好电路，将模拟

示波器分别与电路中的各测量点相连接，

测出VI1、V01、VI3的电压值在电路震荡中的变化，如图表3：             

4.1分析：

（1）第一个暂稳状态（t1～t2）

设在t1时 vI1（ vO3）由0上跳到1，则 vO1（vI2）由1下跳到0、 vO2由0上跳到1。根据电容C 的电压不能跃变的特点知必定引起一个RC电路的暂态过程。
　　首先，vI3必定跟随vI2下跳。这个负跳变（因为R很小之故，可近似认为就是G3门的输入电压）保持vO3为1。其次，由于vO2为高电平、vO1为低电平，故有电流通过电阻R 对电容C 进行充电，并使vI3逐渐上升。在t2时           图表 3   RC多谐环形振荡器各点波形图

vI3上升到门电路的阈值电压VT，使vO3（vI1）由1下跳到0，则vO1（vI2）由0上跳到1，vO2由1下跳到0。                                    

（2）第二个暂稳状态（t2～t3）
　　首先，和第一个暂稳状态相似，各门电路的状态发生上述翻转后，由于电容电压不能跃变之故，vI3必定跟随vI2上跳。这个正跳变保持vO3为0。
　　其次，由于vO2为低电平、vO1为高电平，电容C 经R 及G2门开始放电，并使vI3逐渐下降。在t3时vI3下降到VT，使vO（vI1）又由0上跳到1，开始重复第一个暂稳状态。
　　由于电容C 的充、放电在自动地进行，故在输出端vO3得到连续的方波。

4.2实验中测得的数据：

（1）脉冲周期测量值为1.28ms
由实验室给得的：C=1uF, R=560Ω
可以得到周期的理论值为：
              

（2）电压幅值为4.0v

（3）脉冲宽度为0.44ms

（4）上升及下降时间为：0.06ms

（5）占空比为：35.9%

（6）阀值电平为：1.4V

5.       实验总结
  本次实验通过RC环形振荡器体会了利用延迟时间和电容的自动充放电得到连续的振荡波形。并且了解了矩形脉冲的性能指标。

  实验中利用模拟示波器测得的数据比较粗略，所以即使测得了实验值，也算出了理论值，没有对脉冲周期进行误差分析。

 

 

  
 

 

第二篇：电子线路RC环形振荡器的运用(实现间隔发声)

RC环形多谐振荡器的功能运用

1.   实验目的

利用RC环形多谐振荡电路，实现与非门对电路断续的控制，并深入理解振荡器的原理及运用。

2.   实验器材

面包板  74LS00  直流电源（5V） 示波器  信号发生器  保护电阻（约560Ω） 小电阻（约8Ω） 电容  导线若干

3.   实验原理

将数个CMOS与非门集成电路的输出输入端首尾相连，然后将最初的一个首端与最末的尾端相连，组成一个“环”状电路，利用这种方式组成振荡器，即环形振荡器，值得注意的是组成环形振荡器的与非门个数必须是奇数的，而且至少要由三个与非门组成，在本实验中就运用三个与非门组成环形振荡电路。由于只由与非门组成的环形振荡电路延迟时间很短，因此这种振荡器的振荡频率极高且不可调，所以实际中用处不大，因此在实际电路中，为了方便的地改变环形振荡器的频率，在电路中引入了电阻与电容，利用他们在电路中的时间延迟来改变环形振荡器的震荡频率，即组成RC环形多谐震荡器。环形多谐振荡器可以在输出端输出具有一定特征的矩形脉冲，如下图1，图2所示，在本实验中主要运用RC环形多谐振荡器实现与非门对电路断续的控制，实验中用到的电容C=1uF，电阻 R=560Ω，振荡周期T，

 

4.   实验内容

1)   搭建RC环形多谐振荡器，并加负载

搭建由奇数个与非门构建的RC环形多振荡器，电路图如图1所示，产生的矩形脉冲信号如图2所示，在RC环形多谐振荡器输出端加负载小电阻R=8Ω，通过示波器观察发现振荡器停振，即V03无信号输出，实验电路图如图3。

 

其中：f代表RC环形振荡器，R为阻值为8Ω的小电阻，观测V03的信号输出变化

实验现象：实验中发现在加入小电阻作为负载后，振荡器的振荡信号消失，

原因：根据总线驱动和接收数据的原理可知，当一个驱动器工作时，其他驱动器必须要处在高阻状态下，而接受器既可以处在接收状态下也可以处在高阻状态下，而在该实验中作为接收器的小电阻阻值较小（只有8Ω）导致电路导通，即电荷通过阻值较小的小电阻接地，发生漏电现象较为严重，使振荡电路停振。

2)   恢复振荡器

在电路图3中加入一个与非门，通过与非门使小电阻与振荡器连接。

实验现象：实验中发现在震荡器输出端连接与非门后，振荡器恢复振荡，即：V03有矩形脉冲输出，并且V04也有矩形脉冲输出，但矩形脉冲信号幅度较小。

原因分析：G4号门电路作为负载接在驱动器后，G4可看作高电阻，其输入端对驱动器变化无影响。由于小电阻作为负载接在G4后，小电阻会产生一个低电压，影响G4的输出端变化，所以会看到幅度较小的矩形脉冲。

3)   实现间隔发声

在恢复振荡器振荡的电路中通过信号发生器给G4与振荡器连接的引脚加峰峰值为5V，频率为1HZ的方波信号。利用示波器观测小电阻上的电压信号。实验电路图如下图所示。

        

 

实验现象：每间隔一秒有信号的跳变，一秒内为基线，下一秒变为信号，即在示波器上实现间隔发声信号的产生.

实验分析：在G4与非门中，用到的引脚分别为输入端12,13，输出端11，在12号输出端上添加了振荡器产生的振荡信号和信号源产生的低频的方波信号，实现了对信号断续时的控制。实验原理如下图所示，

根据表1与非门的真值表知，只需保证13号引脚始终为高电压，即‘1’，则输出电压将会根据12号引脚的电压改变而改变，在12号引脚上添加振荡信号与方波信号将会如图5所示，在方波信号为高电压‘1’时，输出信号为低电压‘0’，如图中1区域所示，在方波信号为低电压‘0’时，输出信号将随振荡器信号改变而改变，如图中2区域所示。如此周而复始。 则示波器扫描到的信号显示为信号与基线交替出现。

5.   实验总结

CMOS与非门的应用十分广泛，在本实验中，我们在充分掌握了RC环形振荡器的基础上，更进一步理解了振荡器的作为驱动器的驱动原理，分析了不同负载时振荡器的工作情况，并在实验中实现了与非门对电路断续的控制，实现了间隔发声的信号产生，且在最后分析了其产生的原理，对CMOS的运用有了更进一步的了解。

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