专利名称：一种多功能多谐振荡器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种多谐振荡器，更具体是涉及一种由施密特触发器和模拟开关构成的多功能多谐振荡器。
通常，多谐振荡器可分别由门电路，反相器，触发器〔D触发器，施密特触发器，单稳态触发器〕，定时器或滞回比较器等构成。但所组成的多谐振荡器的用途比较单一，且输出信号频率的调节往往采用手动或压控等调节电阻和电容的阻容值来达到。随着对调节的线性性要求越来越高以及相应的控制环节的增多，振荡器的结构就越复杂。
本实用新型的目的是提供一种结构简单，性能优良，多功能，低功耗的多谐振荡器，其输出频率的调节方法是多样的和易行的。并且由此多谐振荡器可简捷地组成频率段---频率段和占空比---频率的线性变换器。这种变换器可用于数字电路的逻辑测试仪器中。
为了达到上述目的，本多谐振荡器包括一个施密特触发器和一个四模拟开关，其四个开关分别称为开关1，开关2，开关3和开关4。开关2是一充放电电路中的充电电路的控制开关。当它开启时，电源正端通过充电电阻对电容进行充电。开关4是放电电路的控制开关。当它开启时，此电容通过放电电阻对地进行放电。开关1和开关3分别对开关2和开关4的开闭起控制作用。开关1和开关3的控制端分别接到施密特触发器的输出端及其反向输出端。施密特触发器的输入端接到充电电阻，电容以及开关4的输入端的共同连接点处。此电容的另一端接地。开关2的输入端接电源正端。开关1和开关3的输入端可以接电源正端也可以作为外接信号的引入端。
如将开关1和开关3的输入端均接电源正端时，则构成单一的多谐振荡器。
当以上振荡器加电时，充放电电容上的电压为零。施密特触发器的高电平输出端加到开关1的控制端，开关即打开。此时电源正端加到开关2的控制端。开关2即打开。电源正端通过充电电阻向电容进行充电。与此同时，施密特触发器的低电平输出端加到开关3的控制端。开关3为关闭状态。放电电路被切断。当电容上的电压上升到施密特触发器的正向阈值电压时，施密特触发器的输出状态将翻转。加到开关1控制端的电压变为低电平，开关即关闭，充电停止。而加到开关3的电压变为高电平，开关即打开。此时电源正端加到开关4的控制端，开关4即打开。电容通过放电电阻向地进行放电。当电容上的电压下降到施密特触发器负向阈值电压时，施密特触发器的输出状态再次翻转。放电过程结束，充电过程重新开始。如此周而复始，则在施密特触发器的输出端得到脉冲振荡信号，其频率为定时电容及充电电阻和放电电阻所组成的充电时间常数和放电时间常数所确定。而其占空比为此二时间常数之比值所决定。本多谐振荡器的最高工作频率取决于模拟开关的最高开关速率和施密特触发器的输出转换时间。为了保证振荡器的正常工作，定时电容和电阻需选为精密型，特别是电容需选为漏电小的电容。
这里需说明由施密特触发器的输出端及其反向的输出端所提供给开关1和开关3控制端的信号实际上就是正反馈信号。这里反馈信号是作为一开关的控制电压信号。开关在控制电压信号的作用下被打开后，外部恒压源对电容充电或电容对地放电，达到电压正反馈。
如果将开关1和开关3的输入端不接电源正端而分别与其控制端相连，再分别接到施密特触发器的输出端和其再反向一次的输出端而构成正反馈。在此情况下，开关1的输入端与控制端要麽是同时处于高电平，要麽是同时处于低电平。开关3的输入端与控制端也是这种情况。而开关1和开关3的输出是作为开关2和开关4的控制信号。所以这种连接方法同样也构成正反馈。如此构成的多谐振荡器也是单一的多谐振荡器。
如果将本多谐振荡器开关1的输入端和开关3的输入端不接电源正端而共同接到幅值相同而占空比不相同的脉冲信号源，则在振荡器的输出端得到相应的不同频率的脉冲信号，而且在振荡器输入信号的占空比与输出信号的频率之间存在线性对应关系。而输出信号的占空比则可以调节充电电阻和放电电阻的阻值予以事先确定。而且此占空比不随输出信号的频率变化而改变。这样，本振荡器构成占空比---频率的线性变换器。
如果将本多谐振荡器开关1的输入端和开关3的输入端不接电源正端而共同接到脉宽和脉幅相同而频率不同的脉冲信号源，则在振荡器输出端得到相应的不同频率的脉冲信号，而且在振荡器输入信号频率段和输出信号频率段之间存在线性对应关系。而输出信号的占空比可以调节充电电阻和放电电阻的阻值予以事先确定。并且此占空比不随输出频率的变化而改变。单稳态触发器可以将脉宽和脉幅互不相同的不同频率的脉冲振荡信号整形为脉宽和脉幅彼此分别相同的不同频率的脉冲振荡信号。而整形前后的频率维持不变。为达到这一点，只需将单稳态触发器的定时电容和电阻所确定的延时设置成小于单稳态触发器输入频率段中最小的振荡周期即可。这样，将此种状态的单稳态触发器的输出信号作为本振荡器开关1和开关3的共同输入信号，则本振荡器可接成频率段---频率段线性变换器。
从另一角度来分析，以上占空比---频率变换器和频率段---频率段变换器正好也是本多谐振荡器输出频率的两种调节方式。而且这两种调节方式均是线性调节。
因此，本实用新型所述的多谐振荡器不仅是一种优良的脉冲信号源而且易于构成多种信号变换器。作为多谐振荡器，它可以提供频率范围高达数十兆赫的脉冲信号源，且信号上升沿和下降沿陡峭，而且频率和占空比易于调节，调节方式多样。作为占空比---频率和频率段---频率段变换器，它是一种线性好，稳定性好，易于调节的变换器。这种变换器以及所提供的输出信号可以作为许多应用电路中的控制环节和控制方法，并且在电子测试仪器中也将有着广泛用途。
以下结合附图和具体实施方案对本实用新型作进一步详细说明。
图1是本多谐振荡器电路结构图一，图2是本多谐振荡器电路结构图二。
图3是本多谐振荡器电路结构图三。
图4是图1和图2所示多谐振荡器内部a点和b点的振荡波形图。
图5是本多谐振荡器接成的占空比---频率线性变换器的电路结构图。
图6是本多谐振荡器接成的频率段---频率段线性变换器的电路结构图。
在图1所示的具体实施方案中采用了一片高速CMOS施密特触发器74HC14，一片高速CMOS六带缓冲反向器74HC04和一片高速CMOS四双向模拟开关74HC4066，其四个开关分别称为开关1，开关2，开关3和开关4。开关1，开关2和开关3的输入端与电源正端相连。开关1的输出端与开关2的控制端相连。开关3的输出端与开关4的控制端相连。开关1的控制端与施密特触发器5的输出端相连。开关3的控制端与反向器6的输出端相连。反向器6的输入端与施密特触发器5的输出端相连。开关2的输出端与充电电阻R1相连。电阻R1的另一端与充放电电容C1相连。电容C1的另一端与地相连。开关4的输入端与电阻R1，电容C1及施密特触发器5的输入端的共同联结点相连。开关4的输出端与放电电阻R2相连。电阻R2的另一端与地相连。
当系统加电时，电容C1上的电压为零。而施密特触发器5的输出端为高电平。在此高电平的作用下开关1被打开。与此同时反向器6的输出端为低电平。在此低电平的作用下，开关3被关闭。电源正端通过电阻R1向电容C1进行充电。当电容C1上的电压上升到施密特触发器5的正向阈值电压Vt+时，施密特触发器5的输出状态将翻转。加到开关1控制端的电压变为低电平，开关关闭，充电停止。而加到开关3控制端的电压变为高电平，开关打开。电容C1通过电阻R2向地进行放电。当电容C1上的电压下降到施密特触发器5的负向阈值电压Vt-时，施密特触发器5的输出状态再次翻转，放电电路被切断，充电过程从新开始。如此周而复始，从而在反向器6的输出端得到一脉冲信号，其振荡频率为fout=1/(R1C1lnVdd-Vt-Vdd-Vt++R2C1lnVt+Vt-)]]>以上式中忽略了模拟开关的导通电阻，因为其较电阻R1和R2的阻值小很多。
图2是本多谐振荡器的第二实施方案。其中开关1和开关3的输入端不接电源正端。由施密特触发器5的输出端引出的信号不仅送到开关1的控制端也送到开关1的输入端。由反向器6的输出端引出的信号不仅送到开关3的控制端也送到开关3的输入端。这样构成振荡系统的正反馈，其特点是此二开关的控制端和输入端各分别同时为高电平或各分别同时为低电平。因此，图2所示方案中的开关1和开关3无关断漏电流。
图1和图2所示的实施方案的工作原理相同，并且均易于启振且工作稳定。在图1所示的实施方案中的施密特触发器5也可以用门电路组成。比如用两级CMOS反向器74HC04能方便地组成回差电压可调的施密特触发器。其电路结构图见图3。其中反馈电阻R4的阻值应取为兆欧级。图3所示实施方案的工作原理完全同于图1所示实施方案。
图4是图1和图2所示多谐振荡器内部a点和b点的振荡波形图。
双向模拟开关74HC4066从开关控制端接通到输出建立的延迟为8ns。从开关控制端断开到输出撤出的延迟为12ns。所以最高开关频率为50MHZ。施密特触发器74HC14的输出转换时间在10ns左右(Vdd＝5v时)。所以其最高开关频率亦为50MHZ。74HC4066的输入漏电流和关断漏电流以及74HC14的输入漏电流均在0.1微安以下，可以忽略。
砷化镓半导体材料，由于其电子载流子迁移率远高于硅材料中电子迁移率。所以此种材料制成的集成电路，其工作频率可达千兆赫以上。随着其成本降低，在不久的将来砷化镓集成电路可用于本振荡器，这将大大提高它的工作速度。这是本多谐振荡器的应用前景。
图5是本多谐振荡器接成的占空比---频率线性变换器的具体实施方案。其中开关1和开关3的输入端不接电源正端而共同接到幅值相同而占空比可变的脉冲信号源。为此，可将原始的输入信号经施密特触发器10整形后再作为占空比---频率变换器开关1和开关3的输入信号。施密特触发器10采用74HC14，反向器11采用74HC04。此时，开关1和开关3提供给开关2和开关4的控制端的控制信号不是恒定的电源正端电压，而是一系列脉冲信号。随着脉冲信号高电平部份和低电平部份分别分时交替作用于开关2和开关4。开关2和开关4分别分时作连续开启和关闭。电容C1的一个完整的充电过程和一个完整的放电过程是由许多个断续充电和断续放电所组成。由于开关1和开关3的控制端接施密特触发器5和反向器6的两个互为反向的输出端。所以充电过程和放电过程不会重叠而是交替顺序进行。只要开关1，开关2，开关3和开关4的控制信号的频率小于开关所允许的最高开关频率，整个电路工作就是正常的。
设图5所示变换器的输入脉冲信号的占空比为qin。考虑到模拟开关的导通电阻相对很小，可以略去不计。所以由电容C1，电阻R1和R2组成的充放电电路的输出脉冲信号的频率为fout=qin/(R1C1lnVdd-Vt-Vdd-Vt++R2C1lnVt+Vt-)]]>以上式中Vt+和Vt-为施密特触发器5的正向和负向阈值电压。由此式可见由图6所示的变换器的输出频率fout和占空比qin成线性比例关系。
图6是本多谐振荡器接成的频率段---频率段线性变换器的具体实施方案。其中开关1和开关3的输入端不接电源正端而共同接到单稳触发器12的输出端Q。单稳触发器12采用高速CMOS双精密单稳触发器74HC4538。单稳触发器12设置成上升沿触发和无再触发方式(也可设置为下降沿触发和无再触发方式〕。此时，开关1和开关3提供给开关2和开关4的控制端的控制信号不是恒定的电源正端电压，而是一系列脉冲信号。随着脉冲信号高电平部份和低电平部份分别分时交替作用于开关2和开关4。开关2和开关4分别分时作连续开启和关闭。电容C1的一个完整的充电过程和一个完整的放电过程是由许多个断续充电和断续放电所组成。由于开关1和开关3的控制端接施密特触发器5和反向器6的两个互为反向的输出端。所以充电过程和放电过程不会重叠而是交替顺序进行。只要开关1，开关2，开关3和开关4的控制信号的频率小于开关所允许的最高开关频率，整个电路工作就是正常的。
单稳触发器12在外来脉冲作用下在稳态和暂稳态之间来回翻转。则在其输出端Q得到整形后的脉冲信号，其脉冲宽度Tw可用下式计算TW＝0.69R5C2此脉冲宽度设置为小于单稳触发器12输入信号频率段中最小振荡周期之值。
设单稳触发器12的输入脉冲信号的频率为fin，则其输出脉冲信号的占空比为TWfin。考虑到模拟开关的导通电阻相对很小可以略去不计，所以由电阻R1，R2和电容C1组成的充放电电路的输出频率为fout=Twfin/(R1C1lnVdd-Vt-Vdd-Vt++R2C1lnVt+Vt-)]]>以上式中Vt+和Vt-为施密特触发器5的正向和负向阈值电压。由此式可见由图7所示的变换器的输出频率fout和输入频率fin成线性比例关系。
另外需指出单稳触发器74HC4538的两个触发端均具有内置施密特电路。这可将单稳触发器本身的输入信号进行整形。
由于图1，图2，图3，图5和图6的实施方案都采用了高速CMOS集成电路。它们的工作速度高，功耗低。不仅适用于+5V供电电平，而且可用于各种高于+5V的CMOS电路。
权利要求1.一种多功能多谐振荡器，其特征在于多谐振荡器由施密特触发器[5]，反向器[6]和四模拟开关组成；其四个开关分别称为开关[1]，开关[2]，开关[3]和开关[4]；开关[1]的输出端与开关[2]的控制端相连，开关[3]的输出端与开关[4]的控制端相连，开关[1]的控制端与施密特触发器[5]的输出端相连，开关[3]的控制端与反向器[6]的输出端相连，反向器[6]的输入端与施密特触发器[5]的输出端相连，开关[2]的输出端与充电电阻R1相连，电阻R1的另一端与充放电电容C1相连，电容C1的另一端与地相连，开关[4]的输入端与电阻R1，电容C1及施密特触发器[5]的输入端的共同连接点相连，开关[4]的输出端与放电电阻R2相连，电阻R2的另一端与地相连，开关[2]的输入端接电源正端；开关[1]和开关[3]的输入端可以接电源正端也可以作为外接信号的引入端。
2.根据权利要求1所述的多谐振荡器，其特征在于开关[1]和开关[3]的输入端均接电源正端。
3.根据权利要求1所述的多谐振荡器，其特征在于开关[1]的输入端和其控制端相连，开关[3]的输入端和其控制端相连；然后，再分别接施密特触发器[5]的输出端和反向器[6]的输出端。
4.根据权利要求1所述的多谐振荡器，其特征在于开关[1]和开关[3]的输入端共同接到幅值相同而占空比可变的脉冲信号源。
5.根据权利要求1所述的多谐振荡器，其特征在于开关[1]和开关[3]的输入端共同接到脉宽和脉幅相同而频率不同的脉冲信号源。
6.根据权利要求2或权利要求3所述的多谐振荡器，其特征在于施密特触发器[5]采用74HC14，四模拟开关采用74HC4066和反向器[6]采用74HC04。
7.据权利要求2或权利要求3所述的多谐振荡器，其特征在于集成施密特触发器[5]和反向器[6]可用两极反向器[7]和[8]，和电阻R3，R4所组成的施密特电路代替；反向器[7]和反向器[8]采用74HC04。
专利摘要本实用新型提供一种多功能多谐振荡器,其由施密特触发器,四模拟开关组成,它具有多种外接引脚的连接方式。可以接成性能优良的多谐振荡器,频率段——频率段以及占空比——频率的线性变换器。这种变换本身也可作为本多谐振荡器输出频率的线性调节方式。
文档编号G01R31/3177GK2411490SQ9924352
公开日2000年12月20日 申请日期1999年8月20日 优先权日1998年8月24日
发明者刘哲明, 刘敏 申请人:刘哲明