矩形波发生电路课件.ppt

1、 一、矩形波发生电路 二、三角波发生电路 三、锯齿波发生电路 四、波形变换电路 五、函数发生器一、矩形波发生电路 1、电路组成和工作原理 矩形波发生电路如下图所示。它由一个反相输入的单端滞回比较器和RC电路组成。滞回比较器的输出由于只有高低二个电平，起开关作用；R3和电容C组成有延迟的反馈网络。比较器的输出电压uO=UZ，阈值电压和电压传输特性为：ZTURRRU211 设某一时刻uO=+UZ，uO通过R3向C充电，一旦uN=UT，uO就跃变为-UZ。uO=-UZ，这时电容C通过R3放电，一旦uN=-UT，uO就跃变为UZ。于是在输出端得到矩形波输出。波形如下：2、波形周期的确定 电容充放电时间

2、常数都是R3C，因此输出波形正负半周时间相同，从波形图中可以看出，在二分之一周期内，电容充电的起始值为-UT；时间常数为R3C；时间t趋于无穷时，电容电压趋于UZ；当t=T/2时，uC=UT。根据一阶电路的三要素法)0()0()()(tPPefftftf即：写出电容上的电压的表达式。212222112112/2/2)()()(3333RRReeUURRRUURRReUUUeUUUUCRTCRTZZZZCRTZTZCRTZTZT整理得：可见，调节UZ可以改变矩形波的输出幅度；调节R3、C和R1/R2的比值可以改变矩形波的周期或频率。)21ln(211)21ln(2212132132123RRCR

3、TfRRCRTRReCRT 我们总能选择R1/R2的值，使CRfRRRRRR321212121859.0,718.2211)21ln(这时即 3、占空比可调电路 当uO=+UZ时，C充电，1（RW1+R3)C 当uO=-UZ时，C放电，2（RW2+R3)C 波形如下：利用一阶RC电路的三要素法可以解出)21ln()2()21ln()()21ln()21ln()()21ln(213212132212221312111RRCRRTTTRRCRRRRTRRCRRRRTWWW改变电位器的滑动端可以改变占空比，但不改变周期。例1、电路如图，已知R1=R2=25K，R3=5K ，RW=100K ，C=0.

4、1F，UZ=8V。试求：输出电压的幅值和振荡频率是多少？占空比的调节范围约为多少？解：输出电压uO=8VmSSRRCRRTW1.12101.12)1025102521ln(101.010)10100()21ln()2(33363213振荡频率f=1/T83Hz 矩形波的宽度STKRRRCRRTWW33363min11213111055.0)1025102521ln(101.01051000)21ln()(其中95.0045.01.125.111.1255.0105.11)1025102521ln(101.010)1005(133363max1TTST占空比二、三角波发生电路 1、电路组成 在方

5、波发生器中，运放反相输入端的波形近似三角波，在要求不高时，可作为三角波信号，但线性度差。为了产生线性度好的三角波可以用积分器，如下图所示：运放A1 是同相输入的滞回比较器，运放A2为积分器。比较器的输出uO1作为积分器的输入信号，而积分器的输出uO又反馈回去作为比较器的输入信号，它们共同组成闭合回路。2、工作原理 图中滞回比较器的输出电压uO1=UZ，它的输入电压是积分器的输出电压uO，根据叠加原理：ZTNPZOOOPURRUuuURRRuRRRuRRRuRRRu211121121212112121:0则阈值电压令 滞回比较器的电压传输特性如下所示：假定接通电源后uO1=+UZ，uO=0，使电

6、容充电，uO按指数规律逐渐下降)(11101331010ttUCRdtRUCdtiCuZttZttCO当uO=-UT时，使uP1=uN1=0,uO1从+UZ跃变到-UZ。由于uO1变成了-UZ，电容正向积分)(11112332121ttUCRdtRUCdtiCuZttZttCOuO按指数规律逐渐上升，当uO=+UT，使uP1=uN1=0,uO1从-UZ跃变到+UZ。电路又回到第一种状态。这样，周而复始形成振荡。从以上分析可知，uO1是方波，幅值为UZ，uO是三角波，幅值为ZTURRU21波形如右图。因此，该电路又叫三角波方波发生电路。3、振荡频率 从波形看出，积分电路的输出从-UT上升到+UT

7、所需的时间就是振荡周期的一半。TZTTZUTRUCUdtRUC221213203CRRRfRCRRUURRCRUUCRTZZZT31223121334444 从以上分析可以看出：（1）改变UZ可以改变方波的输出幅度；（2）改变R1、R2的值可以改变三角波的输出幅度)(21ZTOURRUU)4(312CRRRf（3）改变R1、R2、R3和C的值可以改变振荡的频率三、锯齿波发生电路 锯齿波与三角波的区别是：三角波上升和下降的斜率相等；而锯齿波上升和下降的斜率不相等。因此只要使三角波方波发生器中积分器的充放电时间常数不同，就构成了锯齿波发生器。如下图所示：图中RWR3,电位器滑动到最上端时的波形如下

8、图所示：根据三角波发生电路振荡周期的计算方法，可得出下降和上升时间分别为：WWWRRRTTRCRRRTTTCRRRRTCRRRT33123121321232112)2(2)(22占空比 （1）、调整R1和R2的阻值，可以改变锯齿波的幅值)(21ZTOURRUU)2(2(231RCRRRTW)2(33WRRR（3）、调整电位器滑动端的位置，可以改变uO1的占空比，以及锯齿波上升和下降的斜率（2）、调整R1、R2和RW的阻值以及C的容量，可以改变振荡周期四、波形变换电路 前面已经介绍过一些波形变换电路，例如利用积分电路将方波变为三角波，利用微分电路将三角波变为方波，利用电压比较器将正弦波变为矩形波

9、，利用模拟乘法器将正弦波变为二倍频，等等。下面介绍三角波变锯齿波和三角波变正弦波电路。1、三角波变锯齿波电路 三角波电压和经波形变换后的锯齿波电压如下图所示：分析两个波形可知，三角波上升时，两个波形相同，1:1:IOuu即1:1:IOuu即由此可见，波形变换电路应为比例电路，三角波上升时，比例系数为1，三角波下降时，比例系数为-1。三角波下降时，两个波形相反，三角波变锯齿波的电路如图所示。uC为电子开关，uC为低电平时，开关断开；uC为高电平时，开关闭合。（1）、当开关断开时IOINffONNNIIIPNuuuuRRRRRRRuuRuRuuNuuRRRRuu代入上式得：把点的电流方程为：2,2

10、,221215435 （2）、当开关闭合时，uN=uP=0，电阻R2中的电流为零，等效电路为反相比例运算电路，uO=uI。（3）、电子开关可用下图实现：可以把输入信号uI加到一个微分运算电路，将它变成方波，作为uC控制开关的动作。2、三角波变正弦波电路 滤波法 适用范围：固定频率或频率变化范围很小的情况。电路框图和输入输出波形如图所示：将三角波按傅立叶级数展开)5sin2513sin91(sin8)(2tttUtumi 例如，若三角波的频率范围为100200Hz，低通滤波器的截止频率可取250Hz；带通滤波器的通带可取50250Hz。低通滤波器的通带截止频率应大于t而小于3 t。也可以用带通滤

11、波器来实现上述变换。其中Um是三角波的幅值。折线法 比较三角波和正弦波的波形，可以发现，在正弦波从零逐渐增大到峰值的过程中，与三角波的差别越来越大。峰值附近的差别最大，而其余部分相差不多。因此，根据正弦波与三角波的差别，将三角波分成若干段，按不同的比例衰减，就可以得到近似于正弦波的折线化波形，如下图所示。根据上述思路，应采用比例系数可以自动调节的运算电路。利用二极管和电阻构成的反馈通路，可以随着输入电压的数值不同而改变电路的比例系数，如图所示。由于反馈通路中有电阻Rf，即使电路中所有二极管均截止，负反馈仍然存在，故集成运放的反相输入端为虚地，up=uN=0。（1）、当uI=0时，uO=0；由于

12、+VCC和-VCC的作用，所有二极管均截止；电阻阻值的选择应保证u1u2u3，u1u2u3。（2）、当uI从零逐渐降低且|uI|0.3Um时，uO从零逐渐升高，从而u1、u2、u3也随之逐渐升高，但各二极管仍处于截止状态，这时：1IOuuk （3）、当uI继续降低且0.3|uI|0.56Um时，D1导通，此时的等效电路如下图所示。14RuRuRVRuOfOCCI若忽略二极管的正向电阻，则N点的电流方程为 根据曲线图，uO=0.89uI。合理选择R4，使fOCCRuRV4。就可得到选择IOOIuuRRRRkRuRu89.0,89.089.0,1211上式变为：（4）随着 uI逐渐降低，uO逐渐升

13、高，D2、D3依次导通，等效反馈电阻逐渐减小，比例系数的数值依次约为0.77、0.63。当 uI从负的峰值逐渐增大时，D3、D2、D1依次截止，比例系数的数值依次约为0.63、0.77、0.89、1。同理，当uI从零逐渐升高，uO逐渐降低，D1、D2、D3依次导通，等效反馈电阻逐渐减小，比例系数的数值依次约为1、0.89、0.77、0.63；当uI从正的峰值逐渐减小时，D1、D2、D3依次截止，比例系数的数值依次约为 0.63、0.77、0.89、1；使输出电压接近正弦波的变化规律，波形与输入三角波反相。为了使输出电压波形更接近于正弦波，应当将三角波的四分之一区域分成更多的线段，尤其是在三角波

14、和正弦波差别明显的部分，然后再按正弦波的规律控制比例系数，逐段衰减。折线法的优点是不受输入电压频率范围的限制，便于集成化，缺点是反馈网络中电阻的匹配比较困难。五、函数发生器 函数发生器是一种可以同时产生方波、三角波和正弦波的专用集成电路。当调节外部电路参数时，还可以获得占空比可调的矩形波和锯齿波。因此，广泛用于仪器仪表之中。下面以型号为ICL8038的函数发生器为例，介绍电路结构、工作原理、参数特点和使用方法。1、电路结构 函数发生器ICL8038的电路结构如下图虚线框内所示，共有五个组成部分。两个电流源的电流分别为Is1和Is2，且Is1I，Is22I；两个电压比较器1和2的阈值电压分别为各

15、2/3VCC和1/3VCC，它们的输入电压等于电容两端电压Uc，输出电压分别控制RS触发器的S端和R端；RS触发器的状态输出端Q和Q用来控制开关S，实现对电容 C的充、放电；两个缓冲放大器用于隔离波形发生电路和负载，使三角波和矩形波输出端的输出电阻足够低，以增强带负载能力；三角波变正弦波电路用于获得正弦波电压。除了RS触发器外，其余部分均可由前面所介绍的电路实现。两个电压比较器的电压传输特性如图所示。2、工作原理 当给函数发生器 ICL8038合闸通电时，电容 C的电压为 0 V，根据电压比较器的电压传输特性，电压比较器1和2的输出电压均为低电平；因而RS触发器的输出Q为低电平，Q为高电平；使

16、开关S断开，电流源Is1对电容充电，充电电流为I。因充电电流是恒流，所以，电容上电压uC随时间的增长而线性上升。当uC上升到1/3VCC时，虽然RS触发器的R端从低电平跃变为高电平，但其输出不变。一直到uC上升到2/3VCC，使电压比较器I的输出电压跃变为高电平，Q才变为高电平（同时Q变为低电平），导致开关S闭合，电容C开始放电，放电电流为Is1-Is2=I，因放电电流是恒流，所以，电容上电压uC随时间的增长而线性下降。起初，uC的下降虽然使RS触发器的S端从高电平跃变为低电平，但其输出不变。一直到uC下降到1/3VCC，使电压比较器2的输出电压跃变为低电平，Q才变为低电平（同时Q为高电平），

17、使得开关S断开，电容C又开始充电，重复上述过程，周而复始，电路产生了自激振荡。由于充电电流与放电电流数值相等，因而电容上电压为三角波，Q为方波，经缓冲放大器输出。三角波电压通过三角波变正弦波电路输出正弦波电压。通过以上分析可知，改变电容充放电电流，可以输出占空比可调的矩形波和锯齿波。但是，当输出不是方波时，输出也得不到正弦波了。3、性能特点 （1）ICL8038是性能优良的集成函数发生器。可用单电源供电(1030V)，也可双电源供电(5 15V)。(2)频率的可调范围为 0.001 Hz300 kHz。（3）输出矩形波的占空比可谓范围为 2 98，上升时间为 180 s，下降时间为 40 ns

18、。（4）输出三角波的非线性小于 0.05。（5）输出正弦波的失真度小于1。4、常用接法 下图为ICL8038的引脚图，其中引脚8为频率调节（简称调频）电压输入端，电路的振荡频率与调频电压成正比。引脚7输出调频偏置电压，数值是引脚 7与电源+VCC之差，它可作为引脚 8的输入电压。下图8ICL8038最常见的两种基本接法。矩形波输出端为集电极开路形式，需外接负载电阻。在图（a）所示电路中，RA和RB可分别独立调整（占空比及频率调整）。在图（b）所示电路中，通过改变电位器RW滑动端的位置来调整RA和RB的数值。当RA=RB时，各输出端的波形如下图所示，矩形波的占空比为50，因而为方波。当RARB时，矩形波不再是方波，引脚2输出也就不再是正弦波了，下图 为矩形波占空比是 15时各输出端的波形图。在电路图（b）中用 100 k的电位器取代了图（a）中的82 k电阻，调节电位器可减小正弦波的失真度。如果要进一步减小正弦波的失真度，可采用下图所示电路中两个 100 K的电位器和两个 10 K电阻所组成的电路，调整它们可使正弦波的失真度减小到0.5。在RA和RB不变的情况下，调整RW2可使电路振荡频率最大值与最小值之比达到100：1。也可在引脚8与引脚6（即调额电压输入端和正电源）之间直接加输入电压调节振荡频率，最高频率与最低频率之差可达 1000:1。