一、多諧振蕩器

與前文所述的LC振蕩器不同，多諧振蕩器（Multivibrator）產生的振蕩波形不限于正弦波，還能是方波、鋸齒波、三角波、脈沖波等等波形……

多諧振蕩器的應用非常廣泛，譬如，駕車時打開一閃一閃的轉向燈，就是由多諧振蕩器實現的：

從振蕩的狀態來說，多諧振蕩器可以分為三個類別：

圖2-多諧振蕩器的類別（Multivibrator）

• 非穩態多諧振蕩器（Astable Multivibrator）：不需要輸入信號來觸發（自激）。對于輸出信號，有兩種狀態，但不管哪個狀態都不穩定，總是從一個狀態轉變到另一個狀態，一張一弛，所以又稱為“弛張振蕩器”（Relaxation Oscillator）。
• 單穩態多諧振蕩器（Monostable Multivibrator）：需要輸入信號來觸發。觸發后，輸出信號處于非穩態，但持續一段時間后還是會回到穩態。這種電路可以用于延時、消除抖動等。
• 雙穩態多諧振蕩器（Bistable Multivibrator）：需要輸入信號來觸發。觸發后，輸出信號由一個穩態轉變到另一個穩態。這種電路是Memory的基礎，有待日后分析。

以下，主要介紹非穩態多諧振蕩器（弛張振蕩器）。

二、關于“非穩態/張弛”振蕩器的形象類比

對于“非穩態/張弛”振蕩器，我們可以用“蹺蹺板與水桶”的例子來做個類比：

圖3-蹺蹺板與水桶

• 初始的時候，蹺蹺板左邊是重物M，右側是水桶；水桶為空，故而蹺蹺板向左傾斜；
• 然后是一個持續給水桶灌水的過程；
• 隨著水桶里的水增多，在某個時刻，水桶重量大于重物M；蹺蹺板向右傾斜，水桶打翻；
• 水桶打翻后，水桶重量再次小于重物M，蹺蹺板向左傾斜，回歸到初始狀態，周而復始；

上述蹺蹺板的左傾和右傾，代表兩個狀態，系統在這兩個狀態中徘徊，無法穩定在其中一個。不過這是一個機械設備構成的系統，要落實到電子世界里，如何實現呢？

圖4-非穩態/弛張振蕩器的工作方式類比

可以想到：代替“水桶”的是電容，“灌水”就是充電，“重物M”是個參考電壓，而“蹺蹺板”由比較器（運放）來實現！

三、基于運放的“非穩態/張弛”振蕩器

我們構建電路圖如下：

圖5-基于運放的非穩態/張弛振蕩器電路圖

運放的輸入兩端是a和b，a是由運放輸出分壓獲得，b連接電容。運放的輸出端是c。

圖6-輸出信號與電容時序圖

運放的輸出在﹢V0和﹣V0兩個狀態中切換變換，這是因為：

• 當a大于b，運放輸出高電平，即c為高；
• 由于c為高，c通過電阻對電容進行充電，隨著電容充電，b電壓上升；
• 當b大于a，運放輸出低電平，即c為低；
• 由于c為低，電容通過電阻進行放電，隨著電容放電，b電壓下降，并重新回到第1步；

振蕩頻率有涉及公式計算，在此不列出，但可想而知與電容、電阻的值有關系。

四、基于三極管的“非穩態/張弛”振蕩器

基于三極管的非穩態/張弛振蕩器設計非常巧妙，它由兩路R、C、三極管構成，其中，一路C會控制另一路上三極管的導通與截止：

圖7-基于三極管的非穩態/張弛振蕩器電路圖

兩個三極管的集電極作為輸出——Out1和Out2，兩個輸出端信號互為反相，實現兩個狀態之間振蕩。如果Out1和Out2分別接兩個LED，兩個LED就會交替閃爍：

圖8-TR1和TR2三極管的集電極輸出信號波形

工作原理有幾個要點如下：

• 三極管工作于導通和截止狀態，導通時集電極接近0V，截止時集電極接近VCC；
• 電容兩端電壓不能突變，假設電容左-右兩端電壓壓差為D，如果右端為0V，則左端為(0+D)V，如果右端瞬間由0V變為-10V，則左端電壓就是(-10+D)V。

現在假設TR1截止，TR2導通：

• VCC經過R1、C1、TR2基極、TR2發射極，向C1從左至右充電；同時，VCC通過R3、C2、TR2集電極、TR2發射極，向C2從左至右充電；
• 當C2從左至右大于0.6V，TR1導通，TR1集電極為0V，這使得C1左端為0V，由于之前C1是從左至右充電，即左端電壓大于右端，現在左端為0V，意味著右端為負，這會瞬間關閉TR2基極-發射極回路，使得TR2截止；
• 系統進入TR1導通，TR2截止的狀態，并周而復始。

我們看TR1三極管，能看到基極能出現負電壓，這源于“電容兩端電壓不能突變”的原則：

圖9-TR1三極管的基極和集電極信號波形

振蕩頻率計算公式也不列出了，各位可以查一下課本資料。

最后我們來看一下仿真效果和實驗效果：

圖10-基于三極管的非穩態/張弛振蕩器仿真效果

圖11-基于三極管的非穩態/張弛振蕩器實驗效果

五、小結

今天介紹的是一種簡單的非穩態多諧振蕩器，它可以產生方波，但如果需要精確的控制時序脈沖，需要通過一顆非常經典的IC來實現——555計時器（555 Timer）。