一種多功能多諧振蕩器的製作方法
2023-09-27 05:56:55 4
專利名稱：一種多功能多諧振蕩器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種多諧振蕩器，更具體是涉及一種由施密特觸發器和模擬開關構成的多功能多諧振蕩器。
通常，多諧振蕩器可分別由門電路，反相器，觸發器〔D觸發器，施密特觸發器，單穩態觸發器〕，定時器或滯回比較器等構成。但所組成的多諧振蕩器的用途比較單一，且輸出信號頻率的調節往往採用手動或壓控等調節電阻和電容的阻容值來達到。隨著對調節的線性性要求越來越高以及相應的控制環節的增多，振蕩器的結構就越複雜。
本實用新型的目的是提供一種結構簡單，性能優良，多功能，低功耗的多諧振蕩器，其輸出頻率的調節方法是多樣的和易行的。並且由此多諧振蕩器可簡捷地組成頻率段---頻率段和佔空比---頻率的線性變換器。這種變換器可用於數字電路的邏輯測試儀器中。
為了達到上述目的，本多諧振蕩器包括一個施密特觸發器和一個四模擬開關，其四個開關分別稱為開關1，開關2，開關3和開關4。開關2是一充放電電路中的充電電路的控制開關。當它開啟時，電源正端通過充電電阻對電容進行充電。開關4是放電電路的控制開關。當它開啟時，此電容通過放電電阻對地進行放電。開關1和開關3分別對開關2和開關4的開閉起控制作用。開關1和開關3的控制端分別接到施密特觸發器的輸出端及其反向輸出端。施密特觸發器的輸入端接到充電電阻，電容以及開關4的輸入端的共同連接點處。此電容的另一端接地。開關2的輸入端接電源正端。開關1和開關3的輸入端可以接電源正端也可以作為外接信號的引入端。
如將開關1和開關3的輸入端均接電源正端時，則構成單一的多諧振蕩器。
當以上振蕩器加電時，充放電電容上的電壓為零。施密特觸發器的高電平輸出端加到開關1的控制端，開關即打開。此時電源正端加到開關2的控制端。開關2即打開。電源正端通過充電電阻向電容進行充電。與此同時，施密特觸發器的低電平輸出端加到開關3的控制端。開關3為關閉狀態。放電電路被切斷。當電容上的電壓上升到施密特觸發器的正向閾值電壓時，施密特觸發器的輸出狀態將翻轉。加到開關1控制端的電壓變為低電平，開關即關閉，充電停止。而加到開關3的電壓變為高電平，開關即打開。此時電源正端加到開關4的控制端，開關4即打開。電容通過放電電阻向地進行放電。當電容上的電壓下降到施密特觸發器負向閾值電壓時，施密特觸發器的輸出狀態再次翻轉。放電過程結束，充電過程重新開始。如此周而復始，則在施密特觸發器的輸出端得到脈衝振蕩信號，其頻率為定時電容及充電電阻和放電電阻所組成的充電時間常數和放電時間常數所確定。而其佔空比為此二時間常數之比值所決定。本多諧振蕩器的最高工作頻率取決於模擬開關的最高開關速率和施密特觸發器的輸出轉換時間。為了保證振蕩器的正常工作，定時電容和電阻需選為精密型，特別是電容需選為漏電小的電容。
這裡需說明由施密特觸發器的輸出端及其反向的輸出端所提供給開關1和開關3控制端的信號實際上就是正反饋信號。這裡反饋信號是作為一開關的控制電壓信號。開關在控制電壓信號的作用下被打開後，外部恆壓源對電容充電或電容對地放電，達到電壓正反饋。
如果將開關1和開關3的輸入端不接電源正端而分別與其控制端相連，再分別接到施密特觸發器的輸出端和其再反向一次的輸出端而構成正反饋。在此情況下，開關1的輸入端與控制端要麼是同時處於高電平，要麼是同時處於低電平。開關3的輸入端與控制端也是這種情況。而開關1和開關3的輸出是作為開關2和開關4的控制信號。所以這種連接方法同樣也構成正反饋。如此構成的多諧振蕩器也是單一的多諧振蕩器。
如果將本多諧振蕩器開關1的輸入端和開關3的輸入端不接電源正端而共同接到幅值相同而佔空比不相同的脈衝信號源，則在振蕩器的輸出端得到相應的不同頻率的脈衝信號，而且在振蕩器輸入信號的佔空比與輸出信號的頻率之間存在線性對應關係。而輸出信號的佔空比則可以調節充電電阻和放電電阻的阻值予以事先確定。而且此佔空比不隨輸出信號的頻率變化而改變。這樣，本振蕩器構成佔空比---頻率的線性變換器。
如果將本多諧振蕩器開關1的輸入端和開關3的輸入端不接電源正端而共同接到脈寬和脈幅相同而頻率不同的脈衝信號源，則在振蕩器輸出端得到相應的不同頻率的脈衝信號，而且在振蕩器輸入信號頻率段和輸出信號頻率段之間存在線性對應關係。而輸出信號的佔空比可以調節充電電阻和放電電阻的阻值予以事先確定。並且此佔空比不隨輸出頻率的變化而改變。單穩態觸發器可以將脈寬和脈幅互不相同的不同頻率的脈衝振蕩信號整形為脈寬和脈幅彼此分別相同的不同頻率的脈衝振蕩信號。而整形前後的頻率維持不變。為達到這一點，只需將單穩態觸發器的定時電容和電阻所確定的延時設置成小於單穩態觸發器輸入頻率段中最小的振蕩周期即可。這樣，將此種狀態的單穩態觸發器的輸出信號作為本振蕩器開關1和開關3的共同輸入信號，則本振蕩器可接成頻率段---頻率段線性變換器。
從另一角度來分析，以上佔空比---頻率變換器和頻率段---頻率段變換器正好也是本多諧振蕩器輸出頻率的兩種調節方式。而且這兩種調節方式均是線性調節。
因此，本實用新型所述的多諧振蕩器不僅是一種優良的脈衝信號源而且易於構成多種信號變換器。作為多諧振蕩器，它可以提供頻率範圍高達數十兆赫的脈衝信號源，且信號上升沿和下降沿陡峭，而且頻率和佔空比易於調節，調節方式多樣。作為佔空比---頻率和頻率段---頻率段變換器，它是一種線性好，穩定性好，易於調節的變換器。這種變換器以及所提供的輸出信號可以作為許多應用電路中的控制環節和控制方法，並且在電子測試儀器中也將有著廣泛用途。
以下結合附圖和具體實施方案對本實用新型作進一步詳細說明。
圖1是本多諧振蕩器電路結構圖一，圖2是本多諧振蕩器電路結構圖二。
圖3是本多諧振蕩器電路結構圖三。
圖4是圖1和圖2所示多諧振蕩器內部a點和b點的振蕩波形圖。
圖5是本多諧振蕩器接成的佔空比---頻率線性變換器的電路結構圖。
圖6是本多諧振蕩器接成的頻率段---頻率段線性變換器的電路結構圖。
在圖1所示的具體實施方案中採用了一片高速CMOS施密特觸發器74HC14，一片高速CMOS六帶緩衝反向器74HC04和一片高速CMOS四雙向模擬開關74HC4066，其四個開關分別稱為開關1，開關2，開關3和開關4。開關1，開關2和開關3的輸入端與電源正端相連。開關1的輸出端與開關2的控制端相連。開關3的輸出端與開關4的控制端相連。開關1的控制端與施密特觸發器5的輸出端相連。開關3的控制端與反向器6的輸出端相連。反向器6的輸入端與施密特觸發器5的輸出端相連。開關2的輸出端與充電電阻R1相連。電阻R1的另一端與充放電電容C1相連。電容C1的另一端與地相連。開關4的輸入端與電阻R1，電容C1及施密特觸發器5的輸入端的共同聯結點相連。開關4的輸出端與放電電阻R2相連。電阻R2的另一端與地相連。
當系統加電時，電容C1上的電壓為零。而施密特觸發器5的輸出端為高電平。在此高電平的作用下開關1被打開。與此同時反向器6的輸出端為低電平。在此低電平的作用下，開關3被關閉。電源正端通過電阻R1向電容C1進行充電。當電容C1上的電壓上升到施密特觸發器5的正向閾值電壓Vt+時，施密特觸發器5的輸出狀態將翻轉。加到開關1控制端的電壓變為低電平，開關關閉，充電停止。而加到開關3控制端的電壓變為高電平，開關打開。電容C1通過電阻R2向地進行放電。當電容C1上的電壓下降到施密特觸發器5的負向閾值電壓Vt-時，施密特觸發器5的輸出狀態再次翻轉，放電電路被切斷，充電過程從新開始。如此周而復始，從而在反向器6的輸出端得到一脈衝信號，其振蕩頻率為fout=1/(R1C1lnVdd-Vt-Vdd-Vt++R2C1lnVt+Vt-)]]>以上式中忽略了模擬開關的導通電阻，因為其較電阻R1和R2的阻值小很多。
圖2是本多諧振蕩器的第二實施方案。其中開關1和開關3的輸入端不接電源正端。由施密特觸發器5的輸出端引出的信號不僅送到開關1的控制端也送到開關1的輸入端。由反向器6的輸出端引出的信號不僅送到開關3的控制端也送到開關3的輸入端。這樣構成振蕩系統的正反饋，其特點是此二開關的控制端和輸入端各分別同時為高電平或各分別同時為低電平。因此，圖2所示方案中的開關1和開關3無關斷漏電流。
圖1和圖2所示的實施方案的工作原理相同，並且均易於啟振且工作穩定。在圖1所示的實施方案中的施密特觸發器5也可以用門電路組成。比如用兩級CMOS反向器74HC04能方便地組成回差電壓可調的施密特觸發器。其電路結構圖見圖3。其中反饋電阻R4的阻值應取為兆歐級。圖3所示實施方案的工作原理完全同於圖1所示實施方案。
圖4是圖1和圖2所示多諧振蕩器內部a點和b點的振蕩波形圖。
雙向模擬開關74HC4066從開關控制端接通到輸出建立的延遲為8ns。從開關控制端斷開到輸出撤出的延遲為12ns。所以最高開關頻率為50MHZ。施密特觸發器74HC14的輸出轉換時間在10ns左右(Vdd＝5v時)。所以其最高開關頻率亦為50MHZ。74HC4066的輸入漏電流和關斷漏電流以及74HC14的輸入漏電流均在0.1微安以下，可以忽略。
砷化鎵半導體材料，由於其電子載流子遷移率遠高於矽材料中電子遷移率。所以此種材料製成的集成電路，其工作頻率可達千兆赫以上。隨著其成本降低，在不久的將來砷化鎵集成電路可用於本振蕩器，這將大大提高它的工作速度。這是本多諧振蕩器的應用前景。
圖5是本多諧振蕩器接成的佔空比---頻率線性變換器的具體實施方案。其中開關1和開關3的輸入端不接電源正端而共同接到幅值相同而佔空比可變的脈衝信號源。為此，可將原始的輸入信號經施密特觸發器10整形後再作為佔空比---頻率變換器開關1和開關3的輸入信號。施密特觸發器10採用74HC14，反向器11採用74HC04。此時，開關1和開關3提供給開關2和開關4的控制端的控制信號不是恆定的電源正端電壓，而是一系列脈衝信號。隨著脈衝信號高電平部份和低電平部份分別分時交替作用於開關2和開關4。開關2和開關4分別分時作連續開啟和關閉。電容C1的一個完整的充電過程和一個完整的放電過程是由許多個斷續充電和斷續放電所組成。由於開關1和開關3的控制端接施密特觸發器5和反向器6的兩個互為反向的輸出端。所以充電過程和放電過程不會重疊而是交替順序進行。只要開關1，開關2，開關3和開關4的控制信號的頻率小於開關所允許的最高開關頻率，整個電路工作就是正常的。
設圖5所示變換器的輸入脈衝信號的佔空比為qin。考慮到模擬開關的導通電阻相對很小，可以略去不計。所以由電容C1，電阻R1和R2組成的充放電電路的輸出脈衝信號的頻率為fout=qin/(R1C1lnVdd-Vt-Vdd-Vt++R2C1lnVt+Vt-)]]>以上式中Vt+和Vt-為施密特觸發器5的正向和負向閾值電壓。由此式可見由圖6所示的變換器的輸出頻率fout和佔空比qin成線性比例關係。
圖6是本多諧振蕩器接成的頻率段---頻率段線性變換器的具體實施方案。其中開關1和開關3的輸入端不接電源正端而共同接到單穩觸發器12的輸出端Q。單穩觸發器12採用高速CMOS雙精密單穩觸發器74HC4538。單穩觸發器12設置成上升沿觸發和無再觸發方式(也可設置為下降沿觸發和無再觸發方式〕。此時，開關1和開關3提供給開關2和開關4的控制端的控制信號不是恆定的電源正端電壓，而是一系列脈衝信號。隨著脈衝信號高電平部份和低電平部份分別分時交替作用於開關2和開關4。開關2和開關4分別分時作連續開啟和關閉。電容C1的一個完整的充電過程和一個完整的放電過程是由許多個斷續充電和斷續放電所組成。由於開關1和開關3的控制端接施密特觸發器5和反向器6的兩個互為反向的輸出端。所以充電過程和放電過程不會重疊而是交替順序進行。只要開關1，開關2，開關3和開關4的控制信號的頻率小於開關所允許的最高開關頻率，整個電路工作就是正常的。
單穩觸發器12在外來脈衝作用下在穩態和暫穩態之間來回翻轉。則在其輸出端Q得到整形後的脈衝信號，其脈衝寬度Tw可用下式計算TW＝0.69R5C2此脈衝寬度設置為小於單穩觸發器12輸入信號頻率段中最小振蕩周期之值。
設單穩觸發器12的輸入脈衝信號的頻率為fin，則其輸出脈衝信號的佔空比為TWfin。考慮到模擬開關的導通電阻相對很小可以略去不計，所以由電阻R1，R2和電容C1組成的充放電電路的輸出頻率為fout=Twfin/(R1C1lnVdd-Vt-Vdd-Vt++R2C1lnVt+Vt-)]]>以上式中Vt+和Vt-為施密特觸發器5的正向和負向閾值電壓。由此式可見由圖7所示的變換器的輸出頻率fout和輸入頻率fin成線性比例關係。
另外需指出單穩觸發器74HC4538的兩個觸發端均具有內置施密特電路。這可將單穩觸發器本身的輸入信號進行整形。
由於圖1，圖2，圖3，圖5和圖6的實施方案都採用了高速CMOS集成電路。它們的工作速度高，功耗低。不僅適用於+5V供電電平，而且可用於各種高於+5V的CMOS電路。
權利要求1.一種多功能多諧振蕩器，其特徵在於多諧振蕩器由施密特觸發器[5]，反向器[6]和四模擬開關組成；其四個開關分別稱為開關[1]，開關[2]，開關[3]和開關[4]；開關[1]的輸出端與開關[2]的控制端相連，開關[3]的輸出端與開關[4]的控制端相連，開關[1]的控制端與施密特觸發器[5]的輸出端相連，開關[3]的控制端與反向器[6]的輸出端相連，反向器[6]的輸入端與施密特觸發器[5]的輸出端相連，開關[2]的輸出端與充電電阻R1相連，電阻R1的另一端與充放電電容C1相連，電容C1的另一端與地相連，開關[4]的輸入端與電阻R1，電容C1及施密特觸發器[5]的輸入端的共同連接點相連，開關[4]的輸出端與放電電阻R2相連，電阻R2的另一端與地相連，開關[2]的輸入端接電源正端；開關[1]和開關[3]的輸入端可以接電源正端也可以作為外接信號的引入端。
2.根據權利要求1所述的多諧振蕩器，其特徵在於開關[1]和開關[3]的輸入端均接電源正端。
3.根據權利要求1所述的多諧振蕩器，其特徵在於開關[1]的輸入端和其控制端相連，開關[3]的輸入端和其控制端相連；然後，再分別接施密特觸發器[5]的輸出端和反向器[6]的輸出端。
4.根據權利要求1所述的多諧振蕩器，其特徵在於開關[1]和開關[3]的輸入端共同接到幅值相同而佔空比可變的脈衝信號源。
5.根據權利要求1所述的多諧振蕩器，其特徵在於開關[1]和開關[3]的輸入端共同接到脈寬和脈幅相同而頻率不同的脈衝信號源。
6.根據權利要求2或權利要求3所述的多諧振蕩器，其特徵在於施密特觸發器[5]採用74HC14，四模擬開關採用74HC4066和反向器[6]採用74HC04。
7.據權利要求2或權利要求3所述的多諧振蕩器，其特徵在於集成施密特觸發器[5]和反向器[6]可用兩極反向器[7]和[8]，和電阻R3，R4所組成的施密特電路代替；反向器[7]和反向器[8]採用74HC04。
專利摘要本實用新型提供一種多功能多諧振蕩器,其由施密特觸發器,四模擬開關組成,它具有多種外接引腳的連接方式。可以接成性能優良的多諧振蕩器,頻率段——頻率段以及佔空比——頻率的線性變換器。這種變換本身也可作為本多諧振蕩器輸出頻率的線性調節方式。
文檔編號G01R31/3177GK2411490SQ9924352
公開日2000年12月20日 申請日期1999年8月20日 優先權日1998年8月24日
發明者劉哲明, 劉敏 申請人:劉哲明