矩形波發(fā)生電路課件

一、矩形波發(fā)生電路二、三角波發(fā)生電路三、鋸齒波發(fā)生電路四、波形變換電路五、函數(shù)發(fā)生器一、矩形波發(fā)生電路1、電路組成和工作原理矩形波發(fā)生電路如下圖所示。它由一個反相輸入的單端滯回比較器和RC電路組成。滯回比較器的輸出由于只有高低二個電平，起開關(guān)作用；R3和電容C組成有延遲的反饋網(wǎng)絡(luò)。

比較器的輸出電壓uO=±UZ，閾值電壓和電壓傳輸特性為：⑴設(shè)某一時刻uO=+UZ，

uO通過R3向C充電，一旦uN=UT，

uO就躍變?yōu)?UZ。⑵uO=-UZ，這時電容C通過R3放電，一旦uN=-UT，

uO就躍變?yōu)閁Z。于是在輸出端得到矩形波輸出。波形如下：2、波形周期的確定

電容充放電時間常數(shù)都是R3C，因此輸出波形正負半周時間相同，從波形圖中可以看出，在二分之一周期內(nèi)，電容充電的起始值為-UT；時間常數(shù)為R3C；時間t趨于無窮時，電容電壓趨于UZ；

當t=T/2時，uC=UT。根據(jù)一階電路的三要素法寫出電容上的電壓的表達式。

可見，調(diào)節(jié)UZ可以改變矩形波的輸出幅度；調(diào)節(jié)R3、C和R1/R2的比值可以改變矩形波的周期或頻率。我們總能選擇R1/R2的值，使3、占空比可調(diào)電路當uO=+UZ時，C充電，1（RW1+R3)C

當uO=-UZ時，C放電，2（RW2+R3)C波形如下：利用一階RC電路的三要素法可以解出改變電位器的滑動端可以改變占空比，但不改變周期。

例1、電路如圖，已知R1=R2=25K，R3=5K，RW=100K，C=0.1F，±UZ=8V。試求：

⑴輸出電壓的幅值和振蕩頻率是多少？

⑵占空比的調(diào)節(jié)范圍約為多少？解：⑴輸出電壓uO=8V振蕩頻率f=1/T83Hz⑵矩形波的寬度二、三角波發(fā)生電路1、電路組成在方波發(fā)生器中，運放反相輸入端的波形近似三角波，在要求不高時，可作為三角波信號，但線性度差。

為了產(chǎn)生線性度好的三角波可以用積分器，如下圖所示：運放A1

是同相輸入的滯回比較器，運放A2為積分器。比較器的輸出uO1作為積分器的輸入信號，而積分器的輸出uO又反饋回去作為比較器的輸入信號，它們共同組成閉合回路。

2、工作原理

圖中滯回比較器的輸出電壓uO1=UZ，它的輸入電壓是積分器的輸出電壓uO

，根據(jù)疊加原理：滯回比較器的電壓傳輸特性如下所示：⑴假定接通電源后uO1=+UZ，uO=0，使電容充電，uO按指數(shù)規(guī)律逐漸下降當uO=-UT時，使uP1=uN1=0,uO1從+UZ躍變到-UZ

。⑵由于uO1變成了-UZ

，電容正向積分uO按指數(shù)規(guī)律逐漸上升，當uO=+UT

，使uP1=uN1=0,uO1從-UZ躍變到+UZ

。電路又回到第一種狀態(tài)。這樣，周而復始形成振蕩。

從以上分析可知，uO1是方波，幅值為UZ

，

uO是三角波，幅值為波形如右圖。因此，該電路又叫三角波——方波發(fā)生電路。3、振蕩頻率

從波形看出，積分電路的輸出從-UT上升到+UT所需的時間就是振蕩周期的一半。從以上分析可以看出：（1）改變UZ可以改變方波的輸出幅度；（2）改變R1、R2的值可以改變?nèi)遣ǖ妮敵龇龋?）改變R1、R2、R3和C的值可以改變振蕩的頻率三、鋸齒波發(fā)生電路鋸齒波與三角波的區(qū)別是：

三角波上升和下降的斜率相等；

而鋸齒波上升和下降的斜率不相等。

因此只要使三角波——方波發(fā)生器中積分器的充放電時間常數(shù)不同，就構(gòu)成了鋸齒波發(fā)生器。如下圖所示：圖中RW>>R3,電位器滑動到最上端時的波形如下圖所示：

根據(jù)三角波發(fā)生電路振蕩周期的計算方法，可得出下降和上升時間分別為：（1）、調(diào)整R1和R2的阻值，可以改變鋸齒波的幅值（3）、調(diào)整電位器滑動端的位置，可以改變uO1的占空比，以及鋸齒波上升和下降的斜率（2）、調(diào)整R1、R2和RW的阻值以及C的容量，可以改變振蕩周期四、波形變換電路前面已經(jīng)介紹過一些波形變換電路，例如利用積分電路將方波變?yōu)槿遣?，利用微分電路將三角波變?yōu)榉讲?，利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榫匦尾ǎ媚M乘法器將正弦波變?yōu)槎额l，等等。下面介紹三角波變鋸齒波和三角波變正弦波電路。1、三角波變鋸齒波電路三角波電壓和經(jīng)波形變換后的鋸齒波電壓如下圖所示：分析兩個波形可知，三角波上升時，兩個波形相同，由此可見，波形變換電路應(yīng)為比例電路，三角波上升時，比例系數(shù)為1，三角波下降時，比例系數(shù)為-1。三角波下降時，兩個波形相反，三角波變鋸齒波的電路如圖所示。uC為電子開關(guān)，uC為低電平時，開關(guān)斷開；uC為高電平時，開關(guān)閉合。（1）、當開關(guān)斷開時（2）、當開關(guān)閉合時，uN=uP=0，電阻R2中的電流為零，等效電路為反相比例運算電路，uO=uI。（3）、電子開關(guān)可用下圖實現(xiàn)：可以把輸入信號uI加到一個微分運算電路，將它變成方波，作為uC控制開關(guān)的動作。2、三角波變正弦波電路

⑴濾波法

適用范圍：固定頻率或頻率變化范圍很小的情況。

電路框圖和輸入輸出波形如圖所示：將三角波按傅立葉級數(shù)展開例如，若三角波的頻率范圍為100~200Hz，低通濾波器的截止頻率可取250Hz；帶通濾波器的通帶可取50~250Hz。低通濾波器的通帶截止頻率應(yīng)大于t而小于3t

。

也可以用帶通濾波器來實現(xiàn)上述變換。其中Um是三角波的幅值。⑵折線法

比較三角波和正弦波的波形，可以發(fā)現(xiàn)，在正弦波從零逐漸增大到峰值的過程中，與三角波的差別越來越大。峰值附近的差別最大，而其余部分相差不多。因此，根據(jù)正弦波與三角波的差別，將三角波分成若干段，按不同的比例衰減，就可以得到近似于正弦波的折線化波形，如下圖所示。

根據(jù)上述思路，應(yīng)采用比例系數(shù)可以自動調(diào)節(jié)的運算電路。利用二極管和電阻構(gòu)成的反饋通路，可以隨著輸入電壓的數(shù)值不同而改變電路的比例系數(shù)，如圖所示。

由于反饋通路中有電阻Rf，即使電路中所有二極管均截止，負反饋仍然存在，故集成運放的反相輸入端為虛地，up=uN=0。（1）、當uI=0時，uO=0；由于+VCC和-VCC的作用，所有二極管均截止；電阻阻值的選擇應(yīng)保證

u1＜u2<u3，u′1＜u′2<u′3

。（2）、當uI從零逐漸降低且|uI

|<0.3Um時，uO從零逐漸升高，從而u1、u2、u3也隨之逐漸升高，但各二極管仍處于截止狀態(tài)，這時：（3）、當uI繼續(xù)降低且0.3|uI

|＜0.56Um時，D1導通，此時的等效電路如下圖所示。若忽略二極管的正向電阻，則N點的電流方程為根據(jù)曲線圖，uO

=0.89uI。合理選擇R4，使上式變?yōu)椋海?）隨著

uI逐漸降低，uO逐漸升高，D2、D3依次導通，等效反饋電阻逐漸減小，比例系數(shù)的數(shù)值依次約為0.77、0.63。當uI從負的峰值逐漸增大時，D3、D2、D1依次截止，比例系數(shù)的數(shù)值依次約為0.63、0.77、0.89、1。

同理，當uI從零逐漸升高，uO逐漸降低，D1、D2、D3依次導通，等效反饋電阻逐漸減小，比例系數(shù)的數(shù)值依次約為1、0.89、0.77、0.63；當uI從正的峰值逐漸減小時，D1、D2、D3依次截止，比例系數(shù)的數(shù)值依次約為0.63、0.77、0.89、1；使輸出電壓接近正弦波的變化規(guī)律，波形與輸入三角波反相。

為了使輸出電壓波形更接近于正弦波，應(yīng)當將三角波的四分之一區(qū)域分成更多的線段，尤其是在三角波和正弦波差別明顯的部分，然后再按正弦波的規(guī)律控制比例系數(shù)，逐段衰減。折線法的優(yōu)點是不受輸入電壓頻率范圍的限制，便于集成化，缺點是反饋網(wǎng)絡(luò)中電阻的匹配比較困難。五、函數(shù)發(fā)生器函數(shù)發(fā)生器是一種可以同時產(chǎn)生方波、三角波和正弦波的專用集成電路。當調(diào)節(jié)外部電路參數(shù)時，還可以獲得占空比可調(diào)的矩形波和鋸齒波。因此，廣泛用于儀器儀表之中。下面以型號為ICL8038的函數(shù)發(fā)生器為例，介紹電路結(jié)構(gòu)、工作原理、參數(shù)特點和使用方法。1、電路結(jié)構(gòu)函數(shù)發(fā)生器ICL8038的電路結(jié)構(gòu)如下圖虛線框內(nèi)所示，共有五個組成部分。

⑴兩個電流源的電流分別為Is1和Is2，且Is1＝I，Is2＝2I；⑵兩個電壓比較器1和2的閾值電壓分別為各2/3VCC和1/3VCC，它們的輸入電壓等于電容兩端電壓Uc，輸出電壓分別控制RS觸發(fā)器的S端和R端；⑶RS觸發(fā)器的狀態(tài)輸出端Q和Q用來控制開關(guān)S，實現(xiàn)對電容C的充、放電；

⑷兩個緩沖放大器用于隔離波形發(fā)生電路和負載，使三角波和矩形波輸出端的輸出電阻足夠低，以增強帶負載能力；

⑸三角波變正弦波電路用于獲得正弦波電壓。除了RS觸發(fā)器外，其余部分均可由前面所介紹的電路實現(xiàn)。兩個電壓比較器的電壓傳輸特性如圖所示。2、工作原理

當給函數(shù)發(fā)生器ICL8038合閘通電時，電容C的電壓為0V，根據(jù)電壓比較器的電壓傳輸特性，電壓比較器1和2的輸出電壓均為低電平；因而RS觸發(fā)器的輸出Q為低電平，Q為高電平；使開關(guān)S斷開，電流源Is1對電容充電，充電電流為I。因充電電流是恒流，所以，電容上電壓uC隨時間的增長而線性上升。

當uC上升到1/3VCC時，雖然RS觸發(fā)器的R端從低電平躍變?yōu)楦唠娖?，但其輸出不變。一直到uC上升到2/3VCC，使電壓比較器I的輸出電壓躍變?yōu)楦唠娖?，Q才變?yōu)楦唠娖剑ㄍ瑫rQ變?yōu)榈碗娖剑?，導致開關(guān)S閉合，電容C開始放電，放電電流為Is1-Is2=I，因放電電流是恒流，所以，電容上電壓uC隨時間的增長而線性下降。起初，uC的下降雖然使RS觸發(fā)器的S端從高電平躍變?yōu)榈碗娖?，但其輸出不變。一直到uC下降到1/3VCC，使電壓比較器2的輸出電壓躍變?yōu)榈碗娖剑琎才變?yōu)榈碗娖剑ㄍ瑫rQ為高電平），使得開關(guān)S斷開，電容C又開始充電，重復上述過程，周而復始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。由于充電電流與放電電流數(shù)值相等，因而電容上電壓為三角波，Q為方波，經(jīng)緩沖放大器輸出。三角波電壓通過三角波變正弦波電路輸出正弦波電壓。通過以上分析可知，改變電容充放電電流，可以輸出占空比可調(diào)的矩形波和鋸齒波。但是，當輸出不是方波時，輸出也得不到正弦波了。3、性能特點

（1）ICL8038是性能優(yōu)良的集成函數(shù)發(fā)生器?？捎脝坞娫垂╇?10~30V)，也可雙電源供電(5~15V)。

(2)頻率的可調(diào)范圍為0.001Hz～300kHz。（3）輸出矩形波的占空比可謂范圍為2％～98％，上升時間為180s，下降時間為40ns。（4）輸出三角波的非線性小于0.05％。（5）輸出正弦波的失真度小于1％。4、常用接法下圖為ICL8038的引腳圖，其中引腳8為頻率調(diào)節(jié)（簡稱調(diào)頻）電壓輸入端，電路的振蕩頻率與調(diào)頻電壓成正比。引腳