北京交通大学：《电路分析》课程教学资源（讲义）06 脉冲振荡器电路原理研究

北京交通大学电工电子教学基地电路分析教学组w.y脉冲振荡器电路原理研究一.背景在很多应用中需要产生周期性变化的脉冲信号，例如，闪烁的报警灯和节日装饰灯，报整提示声音，心脏起搏器等等，需要周期脉冲电压信号。利用动态元件和非线性电子元件结合起来可以产生周期脉冲信号输出。产生脉冲周期信号的电路称为脉冲振荡器或多谐振荡器。以下是两个实际的振荡器电路例子。请同学们利用一阶动态电路分析方法研究电路的工作原理，进行根据要求进行简单的设计，并且为每个电路至少设计一种应用。二。三极管多谐振荡器（一）原理如图1所示电路可以产生周期脉冲波形，由于脉冲波形含有丰富谐波成分，电路称为多谐振荡器，其应用非常广泛。电路中的非线性原件T1，T2为双极性晶体三极管，它们在此电路中工作在开关状态。如图2（a）所示，每个三极管的导通或关断由其端子b-e间的电压控制。端子b-e之间相当于一个单向导电的二极管。当外加Vbe>0.7V时，三极管保持be之间电压为0.7V不变，端子ce相当于短路线，三极管等效模型如图2（b）；当外加电压vbe<0.7V时，be之间、ce之间都断开，没有电流通过，如图2（c）。在图3-1电路中，T1和T2两个三极管处于彼此相反的状态：当T1导通时，T2关断：而当T2导通时，T1关断。三极管的两个状态之间的转换可以认为是瞬间完成的，这是因为两个三极管的任何状态变化都会形成正反馈。电源刚刚接通的时刻，理论上哪一个三极管进入导通状态是完全随机的，实际电路中元件参数的微小差异会使两个三极管迅速进入相反的确定状态。在振荡器电路中，每个三极管的任何状态都不会永远保持。这是因为电路中两个电容元件的充放电过程会使得三极管的be间电压发生变化，引起两个三极管在导通与关断状态之间不断转换，从而产生周期脉冲电压。1.9V1kanR,R1kQ2ctC+T+T+1V'h2Vbl1.0H图1多谐振荡器电路1

北京交通大学 电工电子教学基地 电路分析教学组 w.y. 脉冲振荡器电路原理研究 一．背景 在很多应用中需要产生周期性变化的脉冲信号，例如，闪烁的报警灯和节日装饰灯，报 警提示声音，心脏起搏器等等，需要周期脉冲电压信号。利用动态元件和非线性电子元件结 合起来可以产生周期脉冲信号输出。产生脉冲周期信号的电路称为脉冲振荡器或多谐振荡 器。以下是两个实际的振荡器电路例子。请同学们利用一阶动态电路分析方法研究电路的工 作原理，进行根据要求进行简单的设计，并且为每个电路至少设计一种应用。 二．三极管多谐振荡器 （一）原理 如图 1 所示电路可以产生周期脉冲波形，由于脉冲波形含有丰富谐波成分，电路称为多 谐振荡器，其应用非常广泛。 电路中的非线性原件 T1，T2 为双极性晶体三极管，它们在此电路中工作在开关状态。 如图 2（a）所示，每个三极管的导通或关断由其端子 b-e 间的电压控制。端子 b-e 之间相当 于一个单向导电的二极管。当外加 vbe>0.7V 时，三极管保持 be 之间电压为 0.7V 不变，端子 ce 相当于短路线，三极管等效模型如图 2（b）；当外加电压 vbe<0.7V 时，be 之间、ce 之间 都断开，没有电流通过, 如图 2（c）。 在图 3-1 电路中，T1 和 T2 两个三极管处于彼此相反的状态：当 T1 导通时，T2 关断； 而当 T2 导通时，T1 关断。三极管的两个状态之间的转换可以认为是瞬间完成的，这是因为 两个三极管的任何状态变化都会形成正反馈。电源刚刚接通的时刻，理论上哪一个三极管进 入导通状态是完全随机的，实际电路中元件参数的微小差异会使两个三极管迅速进入相反的 确定状态。 在振荡器电路中，每个三极管的任何状态都不会永远保持。这是因为电路中两个电容元 件的充放电过程会使得三极管的 be 间电压发生变化，引起两个三极管在导通与关断状态之 间不断转换，从而产生周期脉冲电压。 0 v T1 9V T2 C2 b1 v b2 v k1  k1  R1 R2 C1 图 1 多谐振荡器电路 1

北京交通大学电工电子教学基地电路分析教学组wyacb.n9*0.7VX、xeoe0（a）三极管（b）导通状态（c）关断状态图2三极管两种状态的等效电路（二）任务和要求1)定性分析两个电容充放电的过程和电流通路，说明为什么T1和T2的状态会反复翻转。2)设电阻R1和R2的电阻值远大于1k（例如10k），写出当T1关断时vb1的表达式和T2关断时Vh2的表达式。3)根据上述分析结果，对电路进行设计，选择元件参数R1，R2，C1和C2，使得输出电压v0为周期为1秒、占空比为50%的脉冲波。写出电路工作进入动态平衡状态时电压vO波形的一个周期的表达式。4)选择元件参数R1，R2，C1和C2，使得输出电压vO为周期为1秒、占空比为20%的脉冲波。如果将供电电源从9V改为12V，会影响设计参数吗？5)用EWB软件仿真验证上述分析和设计结果。6)为振荡器设计一种简单的应用，用EWB来演示和验证。三。晶闸管振荡器（一）原理图3是一种简化的晶闻管振荡电路，该电路利用很少的元件构成周期脉冲电压发生器。其产生的脉冲可能还需要经过整形、驱动得到脉冲电压输出。R+SCRVo6114图3起搏器振荡器简化电路电路中利用的非线性元件SCR称为晶闸管或可控硅器件。实际SCR器件是一种非线性开关，在触发电压作用下单向导通并在一定条件下维持导通状态。在此电路中的SCR元件特性简化为：当其两端电压上升超过v0>+5V时，它正向导通，从上到下流过50微安的恒定电流：当电压下降低于0.2V时，它断开，没有电流通过。（二）任务和要求1)分析电容充放电的过程，写出当电路工作进入动态平衡状态时电压vO波形的一2

北京交通大学 电工电子教学基地 电路分析教学组 w.y. V7.0 b c e c b e b e c （a）三极管 （b）导通状态 （c）关断状态 图 2 三极管两种状态的等效电路 （二）任务和要求 1） 定性分析两个电容充放电的过程和电流通路，说明为什么 T1 和 T2 的状态会反 复翻转。 2） 设电阻 R1 和 R2 的电阻值远大于 1k（例如 10k），写出当 T1 关断时 vb1的表达 式和 T2 关断时 vb2 的表达式。 3） 根据上述分析结果，对电路进行设计，选择元件参数 R1，R2，C1 和 C2，使得 输出电压 v0 为周期为 1 秒、占空比为 50%的脉冲波。写出电路工作进入动态 平衡状态时电压 v0 波形的一个周期的表达式。 4） 选择元件参数 R1，R2，C1 和 C2，使得输出电压 v0 为周期为 1 秒、占空比为 20%的脉冲波。如果将供电电源从 9V 改为 12V，会影响设计参数吗？ 5） 用 EWB 软件仿真验证上述分析和设计结果。 6） 为振荡器设计一种简单的应用，用 EWB 来演示和验证。 三．晶闸管振荡器 （一）原理 图 3 是一种简化的晶闸管振荡电路，该电路利用很少的元件构成周期脉冲电压发生器。 其产生的脉冲可能还需要经过整形、驱动得到脉冲电压输出。 0 C v SCR R 图 3 起搏器振荡器简化电路 电路中利用的非线性元件 SCR 称为晶闸管或可控硅器件。实际 SCR 器件是一种非线性 开关，在触发电压作用下单向导通并在一定条件下维持导通状态。在此电路中的 SCR 元件 特性简化为：当其两端电压上升超过 v0>+5V 时，它正向导通，从上到下流过 50 微安的恒 定电流；当电压下降低于 0.2V 时，它断开，没有电流通过。 （二）任务和要求 1） 分析电容充放电的过程，写出当电路工作进入动态平衡状态时电压 v0 波形的一 2

北京交通大学电工电子教学基地电路分析教学组w.y个周期的表达式。2)设R=510k2，若要求vO的周期为1s，确定电容值C。3)利用比较器或运放将电压vO波形整形为更理想的矩形波。4)用EWB软件仿真验证分析和设计结果。5)为振荡器设计一种简单的应用，用EWB来演示和验证。四.提示利用一阶动态电路的三要素分析法，可以解决本题目的分析计算问题。注意，此类振荡电路中，当非线性元件状态反复翻转多次以后，电路变量的变化达到一种动态平衡，即动态元件的能量交换达到动态平衡，变量波形具有周期性。分析时，认为变量已经为周期的，求出其一个周期波形即可。此外，当换路以后的时间大于4倍时间常数时，可以认为电路已经达到稳态，以此简化计算。利用EWB的暂态分析或虚拟测量仪器可以仿真和观察电路的动态特性。仿真时需要调整时间步长，避免运算异常，得到准确波形。实际中，脉冲振荡器还有一些其他电路形式，更有许多有趣的应用。在网上查阅一些资料并尝试仿真验证一下，可以了解更多的实际应用知识。3

北京交通大学 电工电子教学基地 电路分析教学组 w.y. 3 个周期的表达式。 2） 设 R=510 k，若要求 v0 的周期为 1s，确定电容值 C。 3） 利用比较器或运放将电压 v0 波形整形为更理想的矩形波。 4） 用 EWB 软件仿真验证分析和设计结果。 5） 为振荡器设计一种简单的应用，用 EWB 来演示和验证。 四．提示 利用一阶动态电路的三要素分析法，可以解决本题目的分析计算问题。注意，此类振荡 电路中，当非线性元件状态反复翻转多次以后，电路变量的变化达到一种动态平衡，即动态 元件的能量交换达到动态平衡，变量波形具有周期性。分析时，认为变量已经为周期的，求 出其一个周期波形即可。此外，当换路以后的时间大于 4 倍时间常数时，可以认为电路已经 达到稳态，以此简化计算。 利用 EWB 的暂态分析或虚拟测量仪器可以仿真和观察电路的动态特性。仿真时需要调 整时间步长，避免运算异常，得到准确波形。 实际中，脉冲振荡器还有一些其他电路形式，更有许多有趣的应用。在网上查阅一些资 料并尝试仿真验证一下，可以了解更多的实际应用知识