矩形波发生器

设计题目：矩形波发生器

设计说明。 1.概述

矩形波发生电路在测量、自动控制、通讯、无线电广播和遥控等许多技术领域中有着广泛的应用，甚至在收音机、电视机和电子表等日常生活用品中也离不开它。总之矩形波发生电路广泛地用于工业生产、科学实验和日常生活等各个领域中。

2.设计方案选择论证

矩形波发生电路实际上是由一个滞回比较器和一个RC充放电回路组成。其中，集成运放和电阻R1和R2组成滞回比较器，电阻R和电容C构成充放电回路，稳压管和电阻R3的作用是钳位，将滞回比较器的电压限制在稳压管的稳定电压±UZ。在矩形波发生电路中，如图1所示电位器Rw和二极管D1、D2的作用是将电容充电和放电的回路分开，并调节充电和放电两个时间常数的比。

矩形波发生电路没有稳态，它有两个暂态，一个是低电平，另一个是高电平。 要想达到这种效果可采用滞回比较器，同时利用RC充放电回路来改变集成运放反向输入端的输入电压即u-=uc。当电容上的电压上升到u-=u+时，滞回比较器的输出端将发生跳变，由高电平跳变成低电平。当电容上的电压下降到u-=u+时，滞回比较器的输出端将再次发生跳变，由低电平跳变成高电平。以后又重复上述过程。如此电容反复地进行充电和放电，滞回比较器的输出端反复地在高电平和低电平之间跳变，于是产生了正负交替的矩形波。

因此，在选择矩形波发生电路时，采用滞回比较器和RC充放电回路来构成矩形波发生电路。

图1 矩形波发生电路框图

3.单元电路设计

滞回比较器

滞回比较器可用于产生矩形波、三角波和锯齿波等各种非正弦波信号，也可用于波形变换电路。用于控制系统时，滞回比较器的主要优点是抗干扰能力强。当输入信号受干扰或噪声的影响而上下波动时，只要根据干扰或噪声电平适当调整滞回比较器两个门限电平UT+和UT-的值，就可以避免比较器的输出电压在高、低电平之间反复跳变。

滞回比较器的输入电压经电阻R1加在集成运放的反响输入端，参考电压

UREF经电阻R2接在同向输入端，此外从输出端通过电阻RF引回同向输入端。电阻R和背靠背稳压管VDZ的作用是限幅，将输出电压的幅度限制在±UZ。

图2 滞回比较器的输入输出波形

当集成运放反向输入端和同向输入端的电位相等，即u??u?时，输出端的状态将发生跳变。

其中u??uI

u? 则由参考电压UREF及输出电压uO两者共同决定，而uO有两种可能的状态：+UZ或-UZ。由此可见，使输出电压由+UZ跳变成-UZ，以及由-UZ跳变成+UZ所需的输如电压值是不同的。也就是说，这两种比较器有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状。

利用叠加原理可求的门限电平

UT?? UT??RFR2?RFRFR2?RFUREF?UREF?R2R2?RFR2R2?RFUZ UZ

由以上两式可求的门限宽度 △UT?2R2R2?RFUZ

在矩形波发生电路中，如图1所示电位器Rw和二极管D1、D2的作用是将电容充电和放电的回路分开，并调节充电和放电两个时间常数的比例。若将电位器的滑动端向下滑动，则充电时间常数减少，放电时间常数增大。因此输出端端为高电平的时间缩短，输出端为低电平的时间变长，Uc和Uo的波形如图2所示，图中T1＜T2。相反，如果将电位器滑动端向上移动，则充电时间常数增大，放电时间常数减小，可得T1＞T2

图2

图3

当忽略二极管的导通电阻时，利用类似的分析方法，可求的电容的充时间分别为

T1=(R?Rw??)Cln(1?2R1R2) T2=(R+Rw?)Cln(1?2R1R2) 输出波形的z振荡周期为

T?T1?T2?(2R?Rw)Cln(1?2R1R2)

矩形波的占空比为

D?T1R?Rw??T2?2R?Rw?

当D=0.2时令Rw??0得Rw=3R 当D=0.8时令Rw??Rw得Rw=3R 由f=1000Hz 得T=0.001秒 而 T?T1?T2?(2R?Rw)Cln(1?2R1R2)

令R=50KΩ 则Rw=150 KΩ 令C=0.01μF R2=20KΩ 得R1=4.918 KΩ

所用元件如表1所示

表1 所用元件

电

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