阿源的知识库振荡器和定时器
振荡器是产生周期波形来实现定时、控制或通信功能的电路。在几乎所有的电子系统中都可以找到振荡器，包括模拟和数字系统、大多数的测试仪器，如示波器和函数发生器。
振荡器需要某种正反馈，将部分输出信号反馈到输入，使得输入信号加强，从而维持连续不断的输出信号。尽管外部输入不是严格必需的，但是许多振荡器使用外部信号来控制频率或使它与另一个源同步。可以用以下两种方法之一来设计振荡器产生受控制的振荡信号：使用反馈振荡器的单位增益方法和使用弛豫振荡器的定时方法。这两种方法都将在本章讨论。
专业名词
阿姆斯特朗振荡器：在反馈电路中使用变压器耦合的一种LC反馈振荡器。
非稳态多谐振荡器：可以像振荡器一样工作的一种电路，能产生脉冲波形输出。
克拉普振荡器：考毕兹振荡器的一种变形，用一个加入的电容与反馈电路中的电感串联。
考毕兹振荡器：在反馈电路中使用两个串联电容的一种LC反馈振荡器。
反馈振荡器：将输出信号的一部分无相移地反馈到输入端以加强输入信号的一种振荡器。
哈特利振荡器：在反馈电路中使用两个串联电感的一种LC反馈振荡器。
单稳态触发器：对每个输入触发脉冲产生一个单输出脉冲的单稳态多谐振荡器。
相移振荡器：在反馈环路中使用三个RC网络的一种正弦波反馈振荡器。
压电效应：由材质决定性质,由于机械应力的改变，在某个频率处会发生振荡，在这个频率处会产生电压。
正反馈：将输出电压同相的部分反馈到输入的条件。
弛豫振荡器：使用RC定时电路来产生非正弦波形的一种振荡器。
压控振荡器：一种弛豫振荡器,它的频率可以通过一个可变的直流电压来改变。这种振荡器也称为VCO。
文氏桥振荡器：在反馈环路中使用RC超前-滞后网络的一种正弦波反馈振荡器。
10.1 振荡器
本质上，所有振荡器都将来自直流电源的电能转换为周期波形，这些周期波形可以用于各种定时、控制或信号产生应用。一个基本的振荡器如图10-1所示，振荡器可以根据产生信号所采用的技术进行分类。
反馈振荡器：它将输出信号的一部分无净相移地反馈到输入端来加强输出信号。振荡开始后，环路增益保持在1.0来维持振荡。反馈振荡器由一个放大器(或者分立晶体管，或者运算放大器)和一个正反馈网络组成，其中放大器提供增益，正反馈网络产生相移并提供衰减，如图10-2所示。
弛豫振荡器：弛豫振荡器使用一个·RC定时电路来产生波形·，通常是方波或非正弦波。典型地，弛豫振荡器使用施密特触发器或其他器件交替地通过电阻向电容充电和放电来改变状态。弛豫振荡器将在10.5节中讨论。
本节问题
1．什么是振荡器?
振荡器是一个产生重复输出波形、只用直流电源电压作为输入的电路。
2．反馈振荡器需要什么类型的反馈?
正反馈。
3．反馈网络的目的是什么?
反馈网络提供衰减和相移。
10.2 反馈振荡器原理
10.2.1 正反馈
正反馈的特点是将输出信号的同相部分反馈到输入端，用正弦波振荡器来阐述其基本原理，如图10-3所示。你可以看到，同相反馈电压被放大后产生输出电压，依次又产生反馈电压。也就是说，通过建立循环来维持信号本身，产生连续的正弦波输出，这个现象称为振荡。
10.2.2 振荡条件
反馈环路上的相移实际上必须为0°。
环绕闭环反馈环路(环路增益)的电压增益Act必须等于1(单位)。
环绕闭环反馈环路上的电压增益Act是放大器增益Av和反馈电路衰减B的乘积。
10.2.3 开始条件
到目前为止，你已经看到什么条件可以让振荡器产生连续的正弦波输出。现在我们检查当直流电压源闭合时振荡开始的条件。你知道，维持振荡必须满足单位-增益条件，为了启动振荡，环绕正反馈环路上的电压增益必须大于1，使得输出维持在想要的值。然后，增益必须下降到1，使得振荡输出保持在希望的电平并能维持振荡。
本节问题
1. 电路振荡需要的条件是什么?
在闭环反馈环路上有0相移和单位电压增益。
2. 定义正反馈。
正反馈是当输出信号的一部分反馈到放大器的输入时，输入信号得到增强。
3. 振荡开始的电压增益条件是什么?
环路增益大于1。
10.3 具有RC反馈电路的正弦波振荡器
本节学习三种类型的反馈振荡器，它们使用RC电路以产生正弦波输出：文氏桥振荡器、相移振荡器和双T振荡器。
通常，RC反馈振荡器适用于频率小于1MHz的场合。在这个频率范围，文氏桥振荡器是目前为止应用最广泛的RC振荡器。
10.3.1 文氏桥振荡器
有一类正弦波RC反馈振荡器是文氏桥振荡器。文氏桥振荡器的基本部分是超前-滞后网络，如图10-6a所示。R1和C1一起形成网络的滞后部分，R2和C2一起形成超前部分。超前-滞后网络的工作原理如下：在较低频率时，由于C2的高电抗，超前网络起决定作用。
随着频率的增加，Xc2减小，因此允许输出电压开始增加。达到了一些频率后，滞后网络的响应发挥作用，Xc1开始减小使得输出电压下降。
基本电路：超前-滞后网络用于运算放大器的正反馈环路中，如图10-7a所示。分压器用于负反馈环路中。文氏桥振荡器电路可以看作一个同相放大器结构，超前-滞后网络将输出信号反馈到同相输入端。
振荡的正反馈条件：为了使电路能够产生持续的正弦波输出(振荡)，环绕正反馈环路上的相移必须为0°，并且环路增益必须等于单位增益(1)。当频率为fr时，满足0°相移条件。
开始条件：最初，放大器本身的闭环增益必须大于3(Act≥3)，直到输出信号达到期望的输出电平。然后，理想情况下，放大器增益必须减小到3，使得环绕环路上的总增益为1，并且输出信号维持在理想的水平来持续振荡。
10.3.2 相移振荡器
有一类正弦波反馈振荡器称为相移振荡器，如图10-13所示。反馈环路中的每个RC网络可以提供一个约90°的最大相移。振荡发生在三个RC网络的总相移为180°时的频率处。运算放大器本身的反相提供额外的180°。
10.4 具有LC反馈电路的振荡器
RC反馈振荡器，特别是文氏桥振荡器，通常适合于频率不超过1MHz的应用，而LC反馈元件通常用于需要更高频率的振荡器中。同样地，因为大多数运算放大器的频率限制(较低的单位增益频率)，分立式晶体管(BJT或FET)常常用作LC振荡器的增益元件。
本节介绍几种类型的谐振LC反馈振荡器：考毕兹(Colpitts)、克拉普(Clapp)、哈特利(Hartley)、阿姆斯特朗(Armstrong)和晶体控制振荡器。
10.4.1 考毕兹振荡器
谐振电路反馈振荡器的一种基本类型是考毕兹振荡器，它是以发明者的名字命名的，如同这里其他大多数结构的命名。如图10-16所示，这种类型的振荡器在反馈环路中使用一个LC电路提供必要的相移，作为谐振滤波器它只让期望的振荡频率通过。
10.4.2 克拉普振荡器
克拉普振荡器是考毕兹振荡器的变形。基本的不同是额外的电容器C3与谐振反馈电路中的电感串联。
10.4.3 哈特利振荡器
除了由两个串联电感和一个并联电容器构成的反馈电路外，哈特利振荡器与考毕兹振荡器相似，如图10-23所示。
10.4.4 阿姆斯特朗振荡器
这种类型的LC反馈振荡器使用变压器来耦合反馈信号电压的一部分，如图10-24所示。鉴于是变压器的二次侧它有时称为“反馈”振荡器，或因提供了反馈以维持振荡这种类型的LC反馈振荡器使用变压器来耦合反馈信号电压的一部分，如图10-24所示。
10.4.5 晶体控制振荡器
最稳定和精确的振荡器类型是在反馈环路中使用压电晶体来控制频率的反馈振荡器。
压电效应：石英是一种天然的结晶物质，具有压电效应。当变化的机械应力加到晶体上时会引起振动，机械振动的频率会产生电压。反之，当交流电压加到晶体上时，就以所施加电压的频率产生振动。最大的振动发生在晶体的天然谐振频率处，谐振频率由物理尺寸和晶体切割的方式决定。
晶体中的振荡模式：压电晶体能够以两种模式振荡——基本模式或泛音模式。晶体的基本频率是晶体自然谐振的最低频率。基本频率取决于晶体的机械尺寸、切割方式和其他因素，基本频率的大小与晶体板的厚度成反比。因为晶体板切得太薄会压裂，所以基本频率有一个上限。对大多数晶体，上限频率小于20MHz。对更高的频率，晶体必须工作在泛音模式。泛音频率经常是基本频率的奇数倍(3，5，7，…)，但也有例外。许多晶体振荡器是集成电路封装的。
本节问题
1. 考毕兹振荡器与哈特利振荡器有什么不同?
考毕兹振荡器在反馈电路中使用两个串联电容器与一个电感并联，哈特利振荡器使用两个串联电感与一个电容器并联。
2. 在考毕兹振荡器或哈特利振荡器中，FET放大器的优点是什么?
与BT相比，FET具有更高的输人电阻，不会加重谐振电路的负载。
3. 你是如何区分考毕兹振荡器和克拉普振荡器的?
克拉普振荡器有一个额外的电容，这个电容与电感在反馈电路中串联。
10.5 弛豫振荡器原理
10.5.1 三角波振荡器
实际的三角波振荡器：三角波发生器的一种实际实现是使用一个运放比较器来实现开关功能，如图10-28所示。其工作原理如下：开始时，假设比较器的输出电压位于它的最大负值，这个输出通过R连接到积分器的反相输入端，在积分器的输出端产生一个正向上升的斜坡波形。
当斜坡电压达到上触发点(UTP)时，比较器切换到它的最大正值，这个正值使得积分器输出斜坡变成负向下降。这切换回最大负值并且重复这个循环。图10-29对此进行了阐述。个斜坡电压一直往下，直到达到比较器的下触发点(LTP)。到达这点后，比较器输出又
10.5.2 电压控制锯齿波振荡器
压控振荡器(voltage-controlled oscillator，VCO)是一个弛豫振荡器，它的频率可以通过可变的直流控制电压改变。压控振荡器要么是正弦波的，要么是非正弦波的。一种构造电压控制锯齿波振荡器的方法是使用运放积分器，这个积分器用一个开关器件(PUT)与反馈电容器并联，使得每个斜坡在预先设定的电平处终止并且重设这个电路。图10-31a给出了这种实现方法。
10.5.3 方波振荡器
基本方波振荡器如图10-34所示，它是一种弛豫振荡器，因为它的工作原理基于电容器的充电和放电过程。注意，运算放大器的反相(一)输入是电容器电压，同相(＋)输入是通过R2和R3输出反馈的一部分。
当电路的电源刚闭合时，电容器未充电，因此反相输入为0V。这使得输出为正向最大，电容器开始由Vout通过R1电。当电容器电压(Vc)的值等于同相输入端的反馈电压(Vf)时，运算放大器的输出切换为最大负状态。
本节问题
1. 压控振荡器(vCO)是什么，它是用来干什么的?
压控振荡器的频率随着直流控制电压的变化而变化。
2. 弛豫振荡器是基于什么原理工作的?
弛豫振荡器的基础是电容器的充放电。
3. 什么是SAW滤波器?
特殊的高频带通滤波器可以工作在微波频率。
10.6 555定时器作为振荡器
555定时器是一个具有多种应用的多功能集成电路。本节将介绍如何将555配置成一个非稳态或自由运行的多谐振荡器，它本质上是一个方波振荡器。
10.6.1 非稳态工作
图10-36给出一个555定时器，它连接成一个能自由运行并在输出端产生出脉冲波形的非稳态多谐振荡器。注意，阈值输入(THRESH)现在连接到触发输入( TRIG)，外部元件R1、R2和Cex1构成可以设置振荡频率的定时网络，连接到控制输入(CONT)的0.01uF电容器只用于解耦合，对运行没有影响。
