松弛振荡器原理

松弛振荡器 (Relaxation Oscillator, RO)是一种无稳态多谐振荡器,一般使用比较器或者施密特触发器构成,在电容检测中,很多情况下就是使用此电路检测电容大小。

松弛振荡器的基本电路如下:

当然,这是针对比较器是使用双电源供电的情况下才能使用的,输出波形及电容电压如下:

若运放使用单电源供电,是不能使用此电路的。单电源供电时,简单分析即可知道,此电路有一个稳态,即所有点电压均为0的状态,故此系统无法稳定的振荡起来。单电源情况下,要引入一个直流偏置:

简单的计算即可知道,此时 $V_{+}$ 的两个阈值为$\frac{2}{3}V_{cc}$及$\frac{1}{3}V_{cc}$,电容就在这两个阈值之间来回充放电,进而产生振荡。粗略的仿真波形如下:

图中红线为$V_{out}$,绿线为$V_{+}$,蓝线为$V_{-}$。

上图这种松弛振荡器输出波形占空比基本是50%,震荡周期为$2\ln2 R_{c}C$,这就是一个简单的电容充放电过程,根据“对电容充放电过程的理解”一文中的方法可以很快计算出振荡周期来。

其实,上面那个电路就是一个反相施密特触发器加上一个电容和电阻,故也可以直接使用施密特触发器来构造松弛振荡器:

这两个电路原理基本完全一样,其实所有的多谐振荡器原理都差不多,比如经典的555振荡电路,都是利用比较器的滞回特性,配合电容的周期性充放电实现振荡的。


参考资料:
Relaxation oscillator
The Relaxation Oscillator