【《常用非正弦信号产生电路分析案例》3200字】

第PAGEIII页常用非正弦信号产生电路分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u15179常用非正弦信号产生电路分析案例 122828波形产生原理 1221061.1.方波与锯齿波产生电路 1134541.2.由555定时器组成的方波或矩形波产生电路 3189841.2.1电路结构 393171.2.2用555组成的多谐振荡器 53831.3.三角波与锯齿波发生电路 6122711.4.参数调节原理 8306771.4.1占空比可调的原理 8310281.4.2频率调节的原理 10127561.4.3幅值调节的原理 10波形产生原理波形产生电路是不需要外接输入信号就能起振的振荡电路。所谓产生振荡，就是要是电路自激，从而产生持续的振荡，将直流电源的能量转变为交流信号输出。由于电路中存在噪声，它的频谱分布很广，其中包括这样一个频率成分。这种微弱的信号经过放大，通过正反馈的选频网络，使得输出幅度越来越大，最后受限于电路中的非线性元件，使得振荡幅度自动地稳定下来，达到平衡稳定状态，再辅佐以外围电路，便可产生所需要的波形。方波与锯齿波产生电路矩形波信号可以理解为占空比可调的方波信号，矩形波发生电路是其他非正弦波发生电路的基础。由于方波或矩形波包含极其丰富的谐波，所以方波产生电路又称为多谐振荡电路。由迟滞比较器和RC积分电路构成的方波发生电路如图2-1所示，在反向输入的迟滞比较器的基础上，增加了一个由Rf反馈电阻（图中为R3）、C组成的积分电路，把输出电压经过RC电路反馈到比较器的反向端。在比较器的输出端引入限流电阻和两个背对的双向稳压管就组成了一个双向限幅方波发生电路。由图2-1可知，电路的正反馈系数F为。迟滞比较器的作用使得电路的输出要么是高电平+UZ，要么是低电平-UZ，RC电路作为延迟环节确定高低电平状态的维持的时间。迟滞比较器的阈值电压，输出电压uo=±Uz，集成运放的两个输入端电压分别为：，（式2-1）图2-1方波发生电路根据迟滞比较器和图2-1所示电路分析，可以得出某一时刻输出电压uo=+UZ，则up=+UT，uN<up，uo通过R3对电容C充电，uc增大，当uc=+UT时，再稍微增大，则uN>up，输出uo跃变到低电平-UZ，up=-UT,电容C通过R3放电，uc减小，当uc=-UT时，再稍微减小，则uN<up，输出uo跃变到高电平UZ，电容C又开始充电。上述RC振荡电路的振荡过程周而复始，在电路中产生自激振荡，输出端得到交替变化的高低电平，并且因为整个电路振荡过程中，充放电时间常数皆为R3C，因此uc从+UT下降到-UT和-UT上升到+UT所用时间相同，形成占空比为50%的方波信号[1]。方波发生电路的输出信号uo波形如图2-2所示：图2-2方波发生电路输出信号波形图由555定时器组成的方波或矩形波产生电路555定时器是一种模、数混合的中规模集成电路，用它可以产生矩形波工作波形。电路结构555定时器的电路结构如图2-3所示。它由分压器、电压比较器C1和C2、简单SR锁存器、放电三极管T以及缓存器G组成。阈值输入端是比较器C1的信号输入端，触发输入端是比较器C2的信号输入端。图2-3555定时器的电路结构当控制电压端（5）悬空时，由三个5的电阻串联组成的分压器，为比较器C1、C2分别提供和的基准电压。如控制电压端（5）外接电压，则比较器C1、C2的基准电压就变为和/2。比较器C1和C2的输出控制SR锁存器和放电三极管T的状态。放电三极管T为外接电路提供放电通路，定时器在使用时，T的集电极一般都要外接一个上拉电阻。为直接复位输入端，当为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出端即为低电平。当，时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，简单SR锁存器Q端置0，T导通，输出端为低电平。当，时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，简单SR锁存器Q端置1，输出端为高电平。当，时，简单SR锁存器R=1，S=1，锁存器状态不变，电路保持原状态不变。用555组成的多谐振荡器由555定时器构成的多谐振荡器如图2-4（a）所示。接通电源后，电容C被充电，当上升到时，使为低电平，同时T导通，此时电容C通过R2和T放电，下降。当下降到时，翻转为高电平。电容C放电所需时间为（式2-2）电路图（b）工作波形图2-4多谐振荡器当放电结束时，T截止，VCC将通过R1、R2向电容C充电，由上升到所需时间为（式2-3）当上升到时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。电路的工作波形如图2-4（b）所示，其振荡频率为（式2-4）如果要实现占空比可调，可采用如图2-5所示电路。由于电路中采用了二极管，根据二极管的单向导电性，使电容器C的充放电回路分开，只要调节可变电阻器，就可以调节输出矩形波信号的占空比的范围。图2-5占空比可调的方波发生器三角波与锯齿波发生电路由对电路基本原理的分析可以得出，只要将矩形波发生电路的矩形波信号输出端uo接到如图2-6所示波形变换电路的积分电路输入端ui进行积分运算就可在电路的输出端得到三角波信号，此电路可以将矩形波通过式2-5的积分器原理变为三角波，此电路原理上为积分电路。图2-6波形变换电路但是在实际过程中，将两个电路的RC环节合二为一时，会产生RC冗余项，输出波形会产生竞争—冒险现象。所以为了减少RC冗余项，仅保留积分运算电路的RC环节，得到图2-7所示矩形波—三角波电路原理图。运算放大器U1构成迟滞电压比较电路，U2构成积分电路，两个运算放大器的输出互为另一个电路的输入，积分运算电路对U1输出的方波信号进行积分即可输出三角波信号，同时又作为运算放大器U1的延迟环节，使U1输出的高低电平能持续一段时间，高电平持续时间由确定，低电平持续时间由确定[5]。图2-7矩形波—三角波发生电路原理图由图2-6积分运算电路原理可得三角波输出幅值Uo为：（式2-5）当R51=R52时，,U1输出占空比为50%的方波，U2则输出三角波，分析可得信号周期T为：（式2-6）当R51≠R52时，U1输出占空比发生了变化，当与相差很大时，矩形波信号占空比发生变化，同时U2输出信号的上升和下降频率会发生变化，就可以产生锯齿波。当R51=0时，由原理分析可得输出方波波形会变为矩形波，高电平持续时间T1、低电平持续时间T2、信号周期T以及占空比q会发生改变，分别为：（式2-7）（式2-8）（式2-9）当方波的占空比发生变化，uo1输出波形由方波变为矩形波，相应地，通过波形变换电路，uo2的输出波形也由三角波变为锯齿波。参数调节原理占空比可调的原理方波信号中高电平持续时间占信号周期的百分比称为占空比，如果要改变输出信号的占空比，就应该要改变电路的充、放电时间常数，即改变充放电通路的元件参数，图2-7中应改变电阻R5的大小。通过二极管的单向导电性，改变电阻大小实现改变充放电时间常数的一种电路网络如图2-8所示：图2-8改变充放电时间常数的一种电路网络将如图2-8所示网络接入图2-7所示的电路中的矩形波输出端uo1和积分电路输入端ui，与R3电阻实现串联。加入图2-8所示改变正反向充电时间常数的网络后形成占空比可调的矩形波发生电路，如图2-9所示。图2-9占空比可调的矩形波发生电路利用二极管的单向导电性，当输出信号uo=+UZ时，uo通过R3，D4及R51对电容C充电，当uo=-UZ时，uo通过R3，D3及R52对电容C放电，若把二极管D3、D4当作理想二极管处理，则充电时间常数和放电时间常数分别为：，，根据对一阶RC电路的时域分析可得出方波高电平持续时间T1、低电平持续时间T2、信号周期T分别为：（式2-10）（式2-11）由此可以得到矩形波信号的占空比：（式2-12）由式2-12可以看出矩形波电压输出电压u0的占空比可以通过电位器R5调节，也可通过R3调节由于三角波是由图2-9所示占空比可调的矩形波发生电路的输出端接入积分电路得到三角波信号，根据式2-9，当输出占空比为50%，输出为方波，即当R51=R52时，U2输出上升、下降斜率之比为1的三角波。当R51≠R52时，U1输出方波占空比发生变化，同时U2输出波形上升与下降斜率之比发生变化。频率调节的原理由上述原理分析可以得到，输出信号的频率取决于电路中的RC电路（图2-7电路中由R3、R5和C组成）即电路的时延环节，由式2-11可得：（式3-10）可以看出改变电容C的大小和R3、R5的电阻大小，即改变RC时间常数就可以改变频率。在图2-7的电容C处拟设置一个相应大小的电容和一个多路选择开关，拨动开关时就可以实现对一个范围内的信号频率的大范围调整。