多谐振荡器电路图 多谐振荡器的工作原理和应用

一、多谐振荡器的定义

多谐振荡器，也称为多频振荡器或多频发生器，是一种能够产生多个频率的振荡器。它通过使用不同频率的谐振电路或振荡器回路，使得输出信号具有多个谐振频率。多谐振荡器广泛应用于各种电子设备中，如通信、无线电技术、音频处理等领域，特别是在调频调幅（FM/AM）广播中，多谐振荡器能够产生多个频率的载波信号，然后将音频信号调制到这些载波信号上，实现广播信号的传输。此外，多谐振荡器还常用作方波发生器，能够产生矩形波脉冲信号，作为脉冲信号源及时序电路中的时钟信号。

二、多谐振荡器的工作原理

多谐振荡器的工作原理基于电子元件的非线性特性和谐振电路的特性。以下将详细阐述多谐振荡器的工作原理，包括其初始状态、触发过程、振荡过程、稳定过程以及重复过程。

1. 初始状态

在多谐振荡器开始工作时，电路处于一个稳定状态。此时，电路中的电压和电流保持不变。在多谐振荡器的设计中，通常包含电感、电容和电阻等元件，这些元件共同构成了谐振电路或振荡器回路。

2. 触发过程

当电路中的某个条件发生变化时，如输入信号、外部干扰或电路内部元件的微小差异等，电路会从一个稳定状态切换到另一个稳定状态。这个过程称为触发过程。在多谐振荡器中，触发过程通常是由电路中的非线性元件（如晶体管、二极管等）的开关特性引起的。

3. 振荡过程

在触发过程中，电路中的电压和电流发生变化，产生正反馈。正反馈使得电路从一个稳定状态迅速切换到另一个稳定状态，形成振荡。在多谐振荡器中，这种振荡过程是通过谐振电路中的电感、电容和电阻等元件的相互作用实现的。当电路中的电流和电压达到特定条件时，谐振电路会发生共振现象，产生一个稳定的输出信号。

4. 稳定过程

在振荡过程中，电路中的电压和电流逐渐趋于稳定，最终达到另一个稳定状态。这个过程称为稳定过程。在多谐振荡器中，稳定过程的时间取决于电路中的元件参数（如电感、电容和电阻的值）以及外部条件（如电源电压、温度等）。

5. 重复过程

当电路达到另一个稳定状态后，触发过程再次发生，使电路再次从一个稳定状态切换到另一个稳定状态。这个过程不断重复，形成周期性的振荡信号。在多谐振荡器中，这种周期性的振荡信号就是其输出信号。由于多谐振荡器能够产生多个频率的振荡信号，因此其输出信号中包含了多个谐振频率。

三、多谐振荡器的具体实现方式

多谐振荡器可以通过多种方式实现，包括使用分立元件（如晶体管、二极管、电阻、电容等）和集成电路（如555定时器、运放等）。以下以两种常见的实现方式为例进行说明。

1. 分立元件构成的多谐振荡器

分立元件构成的多谐振荡器通常包含两个或更多的晶体管作为开关元件，通过阻容耦合实现正反馈和振荡。在工作时，两个晶体管交替导通和截止，形成方波输出。这种多谐振荡器的频率和波形可以通过调整电路中的电阻、电容和晶体管等元件的参数来改变。

2. 集成电路构成的多谐振荡器

集成电路构成的多谐振荡器通常采用专门的振荡器芯片（如555定时器）来实现。555定时器是一种集成电路定时器芯片，具有多个引脚和内部电路结构，可以方便地构成多谐振荡器。在构成多谐振荡器时，只需要将555定时器的特定引脚与外部电阻、电容等元件相连即可。通过调整外部电阻和电容的值，可以改变多谐振荡器的频率和波形。

四、多谐振荡器的应用

多谐振荡器广泛应用于各种电子设备中，以下是一些典型的应用场景：

1. 音频振荡器 ：用于产生音频信号，广泛应用于音响设备、通信设备等。
2. 时钟振荡器 ：用于产生时钟信号，广泛应用于计算机、手机、数字电路等。
3. 信号发生器 ：用于产生各种类型的信号，如正弦波、方波、三角波等，广泛应用于测试仪器、通信设备等。
4. 频率合成器 ：用于产生可调频率的信号，广泛应用于无线通信、雷达、导航等。
5. 相位锁定环 ：用于锁定输入信号的频率和相位，广泛应用于通信设备、导航设备等。

五、多谐振荡器在温控报警电路中的应用

下图是利用多谐振荡器构成的简易温控报警电路，图中ICEO是三极管T基极开路时，由集电区穿过基区流向发射区的反向饱和电流，称作穿透电流。ICEO是三极管的热稳定性参数之一，常温下，硅管的ICEO比锗管的ICEO要小；温度升高，ICEO增大，且锗管的ICEO随温度升高增大较快。选用晶体管时一般希望ICEO尽量小，但本电路采用穿透电流大，且对温度变化敏感的锗管，利用其ICEO控制555定时器复位端4管脚的电压。

图中555定时器与R1、R2和C组成多谐振荡器，其复位端4脚RD通过R3接地。常温下，锗管穿透电流ICEO较小，一般在10～50μΑ，在3上产生的电压较低，则555复位端4脚RD的电压较低，则555处于复位状态，多谐振荡器停振。当温度升高或有火警时，ICEO增大，在R3上产生的电压升高，使555复位端4脚RD为高电平，多谐振荡器开始振荡，扬声器发出报警声。

温控报警电路不同的晶体管，其ICEO值相差较大，故需改变R3的阻值来调节控温点。方法是先把测温元件T置于要求报警的温度下，调节R3使电路刚发出报警声。报警的音调取决于多谐振荡器的振荡频率，由元件R1、R2和C决定，改变这些元件值，可改变音调，但要求R1大于1kΩ。

六、多谐振荡器的特性分析

1. 频率稳定性

多谐振荡器的频率稳定性是其性能的重要指标之一。频率稳定性受到多种因素的影响，包括电路元件的精度、温度变化、电源电压波动等。为了提高频率稳定性，通常需要采用高精度的元件、温度补偿电路以及稳压电源等措施。

2. 波形质量

多谐振荡器输出的波形质量也是其性能的重要方面。理想的波形应为标准的矩形波或正弦波，但实际输出往往受到电路非线性和寄生参数的影响，导致波形失真。为了改善波形质量，可以采用低失真元件、优化电路布局和布线以及增加滤波电路等方法。

3. 功耗

功耗是多谐振荡器设计中需要考虑的重要因素。低功耗设计有助于延长设备的使用时间，减少能源消耗。在多谐振荡器的设计中，可以通过选择低功耗元件、优化电路结构和采用节能技术等手段来降低功耗。

4. 抗干扰能力

多谐振荡器在工作过程中可能受到来自外部或内部的干扰，如电磁干扰、电源噪声等。这些干扰可能导致输出信号的不稳定或失真。为了提高抗干扰能力，可以采用屏蔽、滤波、接地等技术手段来抑制干扰信号。

七、多谐振荡器电路图

1、可调自激多谐振荡器电路图

本例是一个带有RC延迟电路的非门环形自激多谐振荡器实验电路，电路原理图见图所示。

振荡电路由4069芯片非门电路及定时电路元件RP1、C1等组成，并由U1输出矩形波信号。RI为保护电阻，避免定时电容C1反向放点瞬时电流可能造成U1门电路的损坏。

U1作为振荡器的开关环节，C1、RP1定时电路产生延时正反馈信号，去控制开关环节周期性的开通和关闭，此外，微调R1的阻值可以调节振荡器输出波形的占空比。U1的作用是整形，以便使振荡器输出波形较好的矩形波。发光二极管LED1和LED2显示 U1输出端电位的高低。振荡器输出端波形每秒钟周期性变化的次数叫做频率，用f表示，它的单位是赫兹(HZ)，振荡器输出波形完成一次周期性变化所需的时间叫做周期，用T表示，单位是秒(s)。 频率和周期是互为倒数的关系：f＝1/T。

在实际电路中，我们可以把改变定时电容C1的值来作为振荡频率的粗调，把调整定时电阻RP1作为频率的精调。
接通电源后，发光二极管LED1和LED2交替闪亮，调整可变电阻RP1，就可以连续调整振荡频率。

2、占空比独立可调的555多谐振荡器电路图

如图所示，一般的555多谐振荡器，充放电时间的调节会相互影响。本电路采用镜像电流源的形式，使电容C的充电回路和放电回路独立分开，且保证充、放电的线性。当刚通电时，输出呈高电平，VT5、VT2、VT1导通，C通过VT1恒流充电，当充至2/3VDD阈值电平时，555复位，3脚转呈低电平，VT5截止。C通过VT3、IC内部的放电管放电，当放至1/3VDD时，555置位。周而复始，形成振荡。

3、随光照强度变调的555多谐振荡器电路图

如图所示，本振荡器由555、R1、R3、C1和光敏三极管VT组成无稳态多谐式。振荡频率

光敏三极管VT的内阻随光照的变化而变化，当光照强时，呈低阻；光照弱时，呈高阻。因而，振荡频率也随光照的强弱而变化，频率范围可达1Hz～6．5kHz。本振荡器可用作盲人探路、天明报晓等场合。

八、总结

多谐振荡器作为一种重要的电子元件，在通信、无线电技术、音频处理等领域发挥着重要作用。其工作原理基于电子元件的非线性特性和谐振电路的特性，通过正反馈机制实现周期性的振荡。多谐振荡器的设计需要考虑多种因素，包括频率稳定性、波形质量、功耗和抗干扰能力等。随着电子技术的不断发展，多谐振荡器将不断更新和演进，向集成化、数字化、高频化和智能化方向发展。