电路分析12-反相器振荡电路

下面这张图源自恩智浦的74HC14器件手册。74HC14是六路反相施密特触发器,主要功能就是逻辑反相、施密特触发输入、信号整形等,可以应用于波形脉冲整形、非稳态多谐振荡、单稳态多谐振荡等等电路中。下图的正是一个最基本的施密特波形发生器,它是非稳态多谐振荡电路,也可称为张弛振荡器。此电路能产生连续的方波,可以直接用于要求不高的时钟信号源。

最基本的施密特波形发生器由一个电阻R、一个电容C和一个反相施密特触发器组成,其工作原理也很好理解,首先芯片上电5V后假设反相器输入端为低,反相器输出端则输出VOH接近5V,5V通过电阻R向电容C充电,根据电容容量的大小以及电阻大小的不一样,充电时间长短也就不一样,当电容C充电到阀值电压VM=0.5xVCC=2.5V时,反相器输出端开始反转变低,经过一个极小的延时tPHL后输出电压会到达VM,并继续输出到低电平VOL约0.2V,这时电容会开始放电,输入端会经过一段时间后达到VM以下,输出端再次变回VOH,输出完成一个方波周期。

方波的频率计算可以根据图一上的公式,K为一个常数,会受VCC电压的大小影响,可以参考手册中图表。R和C的取值手册上并没给出,参考其它资料大约估计C为 1nF-1000uF ,R为100R-10K,具体使用时可以以实际实验时调整,以得到想要的频率。

实际元件参数计算验证一下,R=10K,C=0.1uF,VCC=5V所以查上图可知K约为0.9,代入f=1/KRC=1/0.9x10Kx0.1uF=1.11KHz,考虑实际元件值的偏差,频率值大约为1K-1.2KHz。实测如下。

R=4.7K,C=1uF,代入f=1/KRC=1/0.9×4.7Kx1uF=236.4Hz。实测如下。

相类似的TTL或COMS反相施密特触发器芯片也是一样可以实现此方波发生器电路的,如74HCT14,74LS14,40106B等等,只是芯片的电压、阀值等有所不一样,所能产生的频率以及波形都不一样。

由此基本原理衍生的振荡电路有很多,如由2个或多个反相器组成的振荡器电路,如常用的晶体振荡电路等等。

参考元件手册地址:

https://assets.nexperia.com/documents/data-sheet/74HC_HCT14.pdf