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中图分类号：TN7 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0610029－02
由门电路组成的不对称多谐振荡器，是数字电路教科书中必学内容，但课本中讲述的并不详细，经我询问一部分学生和教师对此电路的理解，发现存在一定的误解，认为只是单纯的充电和放电过程，充电时电容器上电荷增多，放电时电容器上电荷减少。笔者认为不能这样简单地分析。
一、什么叫充电和放电
这个问题是最简单不过了，图1中(a)，当电容器C上无电荷时，把开关K左掷，电源通过R1向电容器充电，随着充电，电容器C上电荷逐渐增多，其正极电位也逐渐上升，为一个积分曲线，当开关右掷时，电容器上的电荷通过R2放电，随着放电，电容器上的电荷逐渐减少，电容器正极电位也逐渐降低。充电和放电曲线如图1(b)(c)所示。
（a）电容器充放电电路 （b）充电曲线 （c）放电曲线
图1电容器的充放电电路之一
但若把电路换成图2（a）所示电路充放电，情况就不太一样了，当电容器C上无电荷，并把开关K上掷时，电源U1通过R1向电容器充电，电容器下端接地，其电位不能变化，C上端电位变化曲线如图2（b）所示，这与图1情况一样，最后电容器C上端电位为5V，C下端电位为0V，C上端为正电荷，下端为负电荷，且正负电荷电量相等，电容器上电压值为5V。
（a）电容器充放电电路 （b）充电曲线（c）反向充电曲线
图2电容器的充放电电路之二
现在再把开关K下掷时，即把电容器正负极对调再接到电源上，电容器C上端接地，其电位变为0V，且不能再变化，电容器C下端电位此时突变为-5V，由于此时电容器C下端原充有负电荷，因此反向充电过程将变成首先中和电容器上的负电荷，此过程电容器上电量减少。当电容器上电荷全部中和完毕后，再反向充电，电容器上电量增多，最后电容器C下端电位为5V，C上端电位为0V，C下端为正电荷，上端为负电荷，电容器上电压值为5V，充电曲线如图2（c）所示。显然电容器上的电荷量先是减少，然后再增多的。对于不对称多谐振荡器中，电容的充放电与上图2类似。
如果说简单点，对电容器充电时，电容器上的电荷量增多，放电时电容器上的电荷量减少，那么图2中的反向充电过程将分为两过程，先是放电，再反向充电。
二、不对称多谐振荡器充放电分析
由门电路组成的不对称多谐振荡器，电路有两种形式，如图3所示，左图由CMOS门电路组成的多谐振荡器，右图是由TTL门电路组成的多谐振荡器。
（一）由CMOS门电路组成的不对称多谐振荡器分析
由CMOS门电路组成的不对称多谐振荡器的第一个非门输入端一般要接一只几十千欧以上的电阻Rs，可以防止锁定效应，使电路容易起振。
1．初始状态分析，设电源电压为Ucc，上电时，CD4069的第一个非门UA输入输出端接有反馈电阻Rs和R，如果没有电容C，则非门UA输入输出端电位应为，因为CMOS门电路的阀值电压为，在接上电容器C的瞬间，非门UB输出电压也应为。
2．现假设电路受某一干扰，而使非门UA输入端电位上升，则使非门UA输出电位下降，门UB输出电位上升，通过C和Rs正反馈至UA非门输入端，迅速使UA输出为低电平0，UB输出为高电平1，则A点电位迅速为，由于电容器C两端电位不能突变，电容器C下端B此时电位也为。如果忽略非门输出端的内阻，这时电路等效于图4(a)所示。
(a)电容器“充电”等效电路(b)电容器“放电”等效电路
图4电路中电容充放电等效电路
随着充电，电容器B端电位逐渐下降，当下降至时，下一正反馈过程即将发生，此时电容A端电位为，B端电位为。
3．当电容器B下端电位下降至以下时，则非门UA输出突变为高电平1，非门UB输出随即突变为低电平0，电容器A端电位也突变为0，电容C下端此时电位突变为- 。如果忽略非门输出端的内阻，则这时电路等效于图4(b)所示。 随着反向“充电”，此时电容实际上是先放电，中和电荷，放电完毕后，再反向充电，随着充电，B点电位上升，当电位升至时，下一个正反馈又即发生，此时电容器A端电位为0，B端电位为 。
4．当电容器B端电位上升至以上时，使非门UA输出电位下降，门UB输出电位随即上升，通过电容耦合，迅速使非门UA电位突变为0，非门UB输出电位突变为1，电路又等效于图4(a)，此时电容器A端电位为，B端电位为，随着电容器上电荷通过R放电，B点电位下降。当B点电位下降至时，放电完毕，随后的过程为充电过程，B点电位不断下降，当下降至 时，下一个负反馈过程又即将发生。电路就如此反复，形成振荡。
(a) 电容器两端波形(b) 电容器两端波形比较
图5电容器两端波形分析
根据以上分析，电路振荡后，电容器两端波形如图5(a)所示。A点波形为方波，B点波形为充放电曲线，如果把两波形叠加在一起，则如图5(b)所示，所谓的“放电”实际上是先放电，再充电，“充电”实际上也是先放电，再充电的，实测波形如图6所示，也证明了这一点，图中两波形交点，是电容器放电完毕的时候，此时电容器两端电位相等。也就是说电容器上电量越少，电容器两端电位相差越小。不能把实际上是两个过程，说成笼统的一个过程。电容器放电了，电容器上的电量还会增多的情况是不正确的。
当 阻值较大时，“放电”时间 和“充电”时间 各为
如果振荡电路中Rs去掉，考虑到CMOS电路输入保护电路中的二极管的钳位作用，当电路振荡在转换瞬间时，电容器上的电荷首先通过保护二极管放电一部分，再进入较慢的放电和反向充电过程。
当无Rs时，振荡周期如下计算
式中 为二极管钳位电压值，当 时， 忽略不计。
则振荡周期
（二）由TTL门电路组成的不对称多谐振荡器分析
电路振荡过程分析与上差不多，不同的是电路一般没有Rs，R的阻值也比较小，且输入端在低电平时，输入电流不能忽略，等效电路变得比较复杂，用上式计算将有较大的误差。但有一点是一样的，即所谓的“放电”实际上也是先放电，再充电，“充电”实际上也是先放电，再充电的。
三、结束语
由门电路组成的多谐振荡器，还有环形振荡器，对称式多谐振荡器等，分析方法也与不对称多谐振荡器有相似之处，电容器的充放电，应该按实际充放电情况分析。
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
由门电路组成的不对称多谐振荡器，是数字电路教科书中必学内容，但课本中讲述的并不详细，经我询问一部分学生和教师对此电路的理解，发现存在一定的误解，认为只是单纯的充电和放电过程，充电时电容器上电荷增多，放电时电容器上电荷减少。笔者认为不能这样简单地分析。
一、什么叫充电和放电
这个问题是最简单不过了，图1中(a)，当电容器C上无电荷时，把开关K左掷，电源通过R1向电容器充电，随着充电，电容器C上电荷逐渐增多，其正极电位也逐渐上升，为一个积分曲线，当开关右掷时，电容器上的电荷通过R2放电，随着放电，电容器上的电荷逐渐减少，电容器正极电位也逐渐降低。充电和放电曲线如图1(b)(c)所示。
（a）电容器充放电电路 （b）充电曲线 （c）放电曲线
图1电容器的充放电电路之一
但若把电路换成图2（a）所示电路充放电，情况就不太一样了，当电容器C上无电荷，并把开关K上掷时，电源U1通过R1向电容器充电，电容器下端接地，其电位不能变化，C上端电位变化曲线如图2（b）所示，这与图1情况一样，最后电容器C上端电位为5V，C下端电位为0V，C上端为正电荷，下端为负电荷，且正负电荷电量相等，电容器上电压值为5V。
（a）电容器充放电电路 （b）充电曲线（c）反向充电曲线
图2电容器的充放电电路之二
现在再把开关K下掷时，即把电容器正负极对调再接到电源上，电容器C上端接地，其电位变为0V，且不能再变化，电容器C下端电位此时突变为-5V，由于此时电容器C下端原充有负电荷，因此反向充电过程将变成首先中和电容器上的负电荷，此过程电容器上电量减少。当电容器上电荷全部中和完毕后，再反向充电，电容器上电量增多，最后电容器C下端电位为5V，C上端电位为0V，C下端为正电荷，上端为负电荷，电容器上电压值为5V，充电曲线如图2（c）所示。显然电容器上的电荷量先是减少，然后再增多的。对于不对称多谐振荡器中，电容的充放电与上图2类似。
如果说简单点，对电容器充电时，电容器上的电荷量增多，放电时电容器上的电荷量减少，那么图2中的反向充电过程将分为两过程，先是放电，再反向充电。
二、不对称多谐振荡器充放电分析
由门电路组成的不对称多谐振荡器，电路有两种形式，如图3所示，左图由CMOS门电路组成的多谐振荡器，右图是由TTL门电路组成的多谐振荡器。
（一）由CMOS门电路组成的不对称多谐振荡器分析
由CMOS门电路组成的不对称多谐振荡器的第一个非门输入端一般要接一只几十千欧以上的电阻Rs，可以防止锁定效应，使电路容易起振。
1．初始状态分析，设电源电压为Ucc，上电时，CD4069的第一个非门UA输入输出端接有反馈电阻Rs和R，如果没有电容C，则非门UA输入输出端电位应为，因为CMOS门电路的阀值电压为，在接上电容器C的瞬间，非门UB输出电压也应为。
2．现假设电路受某一干扰，而使非门UA输入端电位上升，则使非门UA输出电位下降，门UB输出电位上升，通过C和Rs正反馈至UA非门输入端，迅速使UA输出为低电平0，UB输出为高电平1，则A点电位迅速为，由于电容器C两端电位不能突变，电容器C下端B此时电位也为。如果忽略非门输出端的内阻，这时电路等效于图4(a)所示。
(a)电容器“充电”等效电路(b)电容器“放电”等效电路
图4电路中电容充放电等效电路
随着充电，电容器B端电位逐渐下降，当下降至时，下一正反馈过程即将发生，此时电容A端电位为，B端电位为。
3．当电容器B下端电位下降至以下时，则非门UA输出突变为高电平1，非门UB输出随即突变为低电平0，电容器A端电位也突变为0，电容C下端此时电位突变为- 。如果忽略非门输出端的内阻，则这时电路等效于图4(b)所示。 随着反向“充电”，此时电容实际上是先放电，中和电荷，放电完毕后，再反向充电，随着充电，B点电位上升，当电位升至时，下一个正反馈又即发生，此时电容器A端电位为0，B端电位为 。
4．当电容器B端电位上升至以上时，使非门UA输出电位下降，门UB输出电位随即上升，通过电容耦合，迅速使非门UA电位突变为0，非门UB输出电位突变为1，电路又等效于图4(a)，此时电容器A端电位为，B端电位为，随着电容器上电荷通过R放电，B点电位下降。当B点电位下降至时，放电完毕，随后的过程为充电过程，B点电位不断下降，当下降至 时，下一个负反馈过程又即将发生。电路就如此反复，形成振荡。
(a) 电容器两端波形(b) 电容器两端波形比较
图5电容器两端波形分析
根据以上分析，电路振荡后，电容器两端波形如图5(a)所示。A点波形为方波，B点波形为充放电曲线，如果把两波形叠加在一起，则如图5(b)所示，所谓的“放电”实际上是先放电，再充电，“充电”实际上也是先放电，再充电的，实测波形如图6所示，也证明了这一点，图中两波形交点，是电容器放电完毕的时候，此时电容器两端电位相等。也就是说电容器上电量越少，电容器两端电位相差越小。不能把实际上是两个过程，说成笼统的一个过程。电容器放电了，电容器上的电量还会增多的情况是不正确的。
当 阻值较大时，“放电”时间 和“充电”时间 各为
如果振荡电路中Rs去掉，考虑到CMOS电路输入保护电路中的二极管的钳位作用，当电路振荡在转换瞬间时，电容器上的电荷首先通过保护二极管放电一部分，再进入较慢的放电和反向充电过程。
当无Rs时，振荡周期如下计算
式中 为二极管钳位电压值，当 时， 忽略不计。
则振荡周期
（二）由TTL门电路组成的不对称多谐振荡器分析
电路振荡过程分析与上差不多，不同的是电路一般没有Rs，R的阻值也比较小，且输入端在低电平时，输入电流不能忽略，等效电路变得比较复杂，用上式计算将有较大的误差。但有一点是一样的，即所谓的“放电”实际上也是先放电，再充电，“充电”实际上也是先放电，再充电的。
三、结束语
由门电路组成的多谐振荡器，还有环形振荡器，对称式多谐振荡器等，分析方法也与不对称多谐振荡器有相似之处，电容器的充放电，应该按实际充放电情况分析。
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”