波形發生器是可以使用振蕩器和脈沖電路產生正弦波，方波，三角波和鋸齒波的電子電路

在之前的教程中，我們詳細研究了三種不同類型的波形。基本晶體管多諧振蕩器電路，可用作張弛振蕩器，在其輸出端產生方波或矩形波，用作時鐘和定時信號。

但也可以構造基本的波形發生器來自簡單集成電路或運算放大器的電路，連接到電阻 - 電容（ RC ）儲能電路或石英晶體，以產生所需頻率的所需二進制或方波輸出波形。

如果沒有數字再生開關電路的一些例子，這個波形生成教程將是不完整的，因為它說明了用于產生方波的波形發生器的開關動作和操作。用作定時或順序波形。

我們知道，再生開關電路，如 Astable Multivibrators 是最常用的張弛振蕩器類型，因為它們產生恒定的方波輸出，使得它們非常適合用作數字在之前的教程中，我們詳細研究了三種不同類型的波形。基本晶體管多諧振蕩器電路，可用作張弛振蕩器，在其輸出端產生方波或矩形波，用作時鐘和定時信號。

但也可以構造基本的波形發生器來自簡單集成電路或運算放大器的電路，連接到電阻 - 電容（ RC ）儲能電路或石英晶體，以產生所需頻率的所需二進制或方波輸出波形。

Astable多諧振蕩器可以產生出色的振蕩器，因為它們以恒定的重復頻率在兩個不穩定狀態之間連續切換，從而產生連續的方波輸出從輸出開始，1：1標記 - 空間比（“ON”和“OFF”相同），在本教程中，我們將看到一些不同的方法，我們可以使用標準TTL和CMOS邏輯電路以及一些額外的離散時序組件。

施密特波形發生器

簡單的波形發生器可以使用基本的施密特觸發器動作逆變器構建，例如TTL 74LS14。到目前為止，這種方法是制作基本的非穩態波形發生器的最簡單方法。當用于產生時鐘或定時信號時，非穩態多諧振蕩器必須產生穩定的波形，在“高”和“低”狀態之間快速切換，沒有任何失真或噪聲，施密特反相器就是這樣做的。

我們知道施密特反相器的輸出狀態與其輸入狀態（非門原理）的輸出狀態相反或相反，并且它可以在不同的電壓電平下改變狀態，從而使其具有“滯后”。

施密特反相器使用施密特觸發器動作，當輸入電壓信號在輸入端子周圍增加和減小時，該操作在上閾值電平和下閾值電平之間改變狀態。該上閾值電平“設置”輸出，下閾值電平“復位”輸出，其分別等于逆變器的邏輯“0”和邏輯“1”。考慮下面的電路。

施密特反相器波形發生器

這個簡單的波形發生器電路由一個TTL 74LS14施密特反相器邏輯門組成，其一個電容器， C 連接在其輸入端和地之間，（0v）和電路振蕩所需的正反饋由反饋電阻提供， R 。

那么它是如何運作的？假設電容器板上的電荷低于施密特的0.8伏特下限閾值（數據表值）。因此，這使得逆變器的輸入處于邏輯“0”電平，從而產生邏輯“1”輸出電平（逆變器原理）。

電阻器 R 的一側是現在連接到邏輯“1”電平（+ 5V）輸出，而電阻器的另一端連接到電容器， C 處于邏輯“0”電平（0.8v或更低） 。電容器現在開始通過電阻器以正方向充電，其速率由組合的 RC 時間常數決定。

當電容器兩端的電荷達到1.6時施密特觸發器的電壓上限閾值（數據表值）施密特反相器的輸出迅速從邏輯電平“1”變為邏輯電平“0”狀態，并且流過電阻器的電流改變方向。

此變化現在導致最初通過電阻器充電的電容器 R 開始通過同一電阻器自身放電，直到電容器板上的電荷達到0.8的下限閾值電平電壓和逆變器輸出再次切換狀態，只要電源電壓存在，循環就會一遍又一遍地重復。

因此電容器 C 不斷充電和放電在施密特逆變器的輸入上閾值電平和下閾值電平之間的每個周期期間，其自身在逆變器輸出處產生邏輯電平“1”或邏輯電平“0”。然而，由于TTL的輸入柵極特性，輸出波形不對稱，產生約33％或1/3的占空比，因為“HIGH”和“LOW”之間的標記 - 空間比分別為1：2。

反饋電阻的值（ R ）也必須保持低至1kΩ以使電路正確振蕩，220R至470R是好的，通過改變電容器的值， C 來改變頻率。同樣在高頻電平時，輸出波形從方形波形變為梯形波形，因為TTL柵極的輸入特性受到電容器的快速充電和放電的影響。因此，施密特波形發生器的振蕩頻率如下：

施密特波形頻率

電阻值介于： 100R至1kΩ之間，電容值介于： 1nF至1000uF 之間。這將產生1Hz至1MHz的頻率范圍（高頻產生波形失真）。

通常，標準TTL邏輯門由于其平均輸入和輸出特性而不能像波形發生器那樣工作得很好，輸出波形失真，所需反饋電阻值低，導致低頻運行時產生較大的高值電容。

如果反饋電容的值太小，TTL振蕩器也不會振蕩。然而，我們還可以使用更好的CMOS邏輯技術制造Astable多諧振蕩器，該技術采用3V至15V電源供電，例如CMOS 40106B施密特反相器。

CMOS 40106是具有相同施密特觸發器的單輸入反相器作為TTL 74LS14，但具有非常好的抗噪性，高帶寬，高增益和出色的輸入/輸出特性，可產生更“平方”的輸出波形，如下所示。

CMOS施密特波形發生器

用于CMOS 40106的施密特波形發生器電路基本上與之前的TTL 74LS14逆變器相同，除了增加了10kΩ電阻，用于防止電容器損壞敏感MOSFET輸入晶體管，因為它在較高頻率下快速放電。

標記 - 空間比率更均勻大約1：1匹配，反饋電阻值增加到100kΩ以下，導致更小和更小r定時電容， C 。振蕩頻率可能與:( 1 / 1.2RC ）不同，因為CMOS輸入特性與TTL不同。電阻值介于：1kΩ和100kΩ之間，電容值介于： 1pF至100uF 之間。這將提供0.1Hz至100kHz之間的頻率范圍。

施密特反相器波形發生器也可以由連接的各種不同邏輯門構成逆變器電路。基本的施密特非穩態多諧振蕩器電路可以通過一些額外的元件輕松修改，以產生不同的輸出或頻率。例如，兩個反向波形或多個頻率，通過將固定反饋電阻更改為電位計，輸出頻率可以如下所示變化。

時鐘波形發生器

在上面的第一個電路中，施密特波形發生器的輸出中添加了一個額外的施密特反相器，以產生第二個波形，即反向或鏡像第一個產生兩個互補輸出波形的圖像，所以當一個輸出為“高”時，另一個輸出為“低”。第二個施密特反相器也改善了反向輸出波形的形狀，但增加了一個小的“門延遲”，因此它與第一個不完全同步。

此外，振蕩器電路的輸出頻率可以通過將固定電阻 R 更改為電位計來改變，但仍需要一個較小的反饋電阻，以防止電位器在其最小值0Ω時將輸出短路。 SPAN>。

我們也可以使用第一個電路的兩個互補輸出 Q 和 Q 來交替使用如圖所示，通過將它們的輸出直接連接到兩個開關晶體管的基極來閃爍兩組燈或LED。

這樣，一個或多個LED與開關晶體管的集電極串聯連接在一起，導致交替當每個晶體管依次切換為“ON”時，每組LED閃爍。

使用這種類型的電路時，記得計算一個合適的串聯電阻， R 來限制對于您正在使用的電壓，LED電流低于20mA（紅色LED）。

為了產生幾赫茲的極低頻輸出以閃爍LED，施密特波形發生器使用高值定時電容器

一種替代解決方案是使用較小值的電容器來產生更高的頻率，比如說1kHz或10kHz，然后將此主時鐘頻率分頻為單個較小的頻率，直到達到所需的低頻值，上面的第二個電路就是這樣。

上面的下面的電路顯示正在使用的振蕩器驅動紋波計數器的時鐘輸入。紋波計數器基本上是多個2分頻，D型觸發器級聯在一起形成單個N分頻計數器，其中N等于計數器位計數，如CMOS 4024 7位紋波計數器或CMOS 4040 12位紋波計數器。

施密特非穩態時鐘脈沖電路產生的固定時鐘頻率分為多個不同的子頻率，如?÷2 ，?÷4，?÷8，?÷256 等，直到所使用的紋波計數器的最大“除以n”值。使用“觸發器”，“二進制計數器”或“紋波計數器”將主固定時鐘頻率劃分為不同的子頻率的過程稱為頻率分割，我們可以使用它來從中獲取多個頻率值。單個波形發生器。

NAND門波形發生器

施密特波形發生器也可以使用連接的標準CMOS邏輯NAND門來產生逆變器電路。這里，兩個 NAND 門連接在一起，產生另一種 RC 張弛振蕩器電路，它將產生如下所示的方波形輸出波形。

NAND門波形發生器

在這種波形發生器電路中， RC 網絡由電阻器 R1 和電容器 C 組成，此 RC 網絡由第一個 NAND的輸出控制門。此 R1C 網絡的輸出通過電阻器 R2 反饋到第一個 NAND 門的輸入端，當電容器兩端的充電電壓反饋時達到第一個 NAND 門的上限閾值， NAND 門改變狀態，導致第二個 NAND 門跟隨它，從而改變狀態和產生輸出電平的變化。

R1C 網絡上的電壓現在反轉，電容開始通過電阻放電，直到達到第一個電壓的下閾值電平。 NAND 門使兩個門再次改變狀態。與上面的上述施密特波形發生器電路一樣，振蕩頻率由 R1C 時間常數決定，時間常數為： 1 / 2.2R1C 。通常 R2 的值為電阻 R1 的10倍。

當需要高穩定性或保證自啟動時，CMOS波形發生器可以使用三個反相 NAND 門或任何三個邏輯逆變器來制作，如下所示連接在一起產生一個有時被稱為“三環”的電路波形發生器。振蕩頻率由 R1C 時間常數再次確定，與上面的兩個門振蕩器相同，并且當 1 / 2.2R1C > R2 的值是電阻值的10倍， R1 。

穩定的NAND門波形發生器

增加額外的 NAND 門可確保即使電容值非常低，振蕩器也會啟動。此外，波形發生器的穩定性得到極大改善，因為它的閾值觸發電平幾乎是電源電壓的一半，因此不易受電源變化的影響。

穩定量主要取決于振蕩頻率，一般來說，頻率越低，振蕩器越穩定。

這種波形發生器的工作量接近一半或50％在電源電壓中，所得到的輸出波形具有非常接近50％的占空比，1：1的標記空間比。三柵極波形發生器比上述兩個柵極振蕩器具有許多優點，但其一大缺點是它使用額外的邏輯門。

環型波形發生器

我們已經看到以上波形發生器可以使用TTL和更好的CMOS邏輯技術制造，其中 RC 網絡在連接一個，兩個或偶數時在電路內產生時間延遲三個邏輯門形成一個簡單的RC弛豫振蕩器。但是我們也可以使用Logic NOT Gates或換句話說 Inverters 來制作波形發生器，而不需要連接任何其他無源元件。

通過將任何ODD連接在一起

b> NOT 門的編號（3,5,7,9等）形成“環”電路，使環的輸出直接連接到電路環的輸入端當邏輯電平“1”不斷圍繞網絡旋轉時，將繼續振蕩，產生的輸出頻率由所使用的逆變器的傳播延遲決定。

環形波形發生器

振蕩頻率取決于所使用的 Inverters 的總傳播延遲在環內并且其本身由柵極技術的類型決定，即逆變器的TTL，CMOS，BiCMOS。傳播延遲或傳播時間是信號從到達輸入端的邏輯“0”直接通過逆變器所需的總時間（通常以納秒為單位），產生邏輯“1”

對于這種類型的環形波形發生器電路，電源電壓，溫度和負載電容的變化都會影響邏輯門的傳播延遲。通常，平均傳播延遲時間將在制造商數據表中給出，使用的數字邏輯門類型的振蕩頻率如下：

其中：?是振蕩頻率， n 是使用的門數， Tp 是每個門的傳播延遲。

例如，假設一個簡單的波形發生器電路有5個單獨的逆變器串聯連接在一起形成環振蕩器，每個逆變器的傳播延遲以 8ns 給出。那么振蕩的頻率將給出如下：

當然，這實際上并不是一個實際的振蕩器它的不穩定性和非常高的振蕩頻率，10兆赫茲取決于所使用的邏輯門技術的類型，在我們的簡單例子中它被計算為12.5MHz !!通過改變環內使用的 Inverters 的數量，可以稍微“調整”環形振蕩器輸出頻率，但使用更穩定的 RC 波形發生器要好得多我們在上面討論過的。

然而，它確實表明邏輯門可以連接在一起產生基于邏輯的波形發生器和設計糟糕的數字電路，有許多門，信號路徑和反饋回路已知無意間振蕩。

通過逆變器電路上的 RC 網絡，可以精確控制振蕩頻率，從而產生更實用的非穩態振蕩振蕩器用于許多通用電子應用的電路。