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REF U 经电阻R2接在同向输入端，此外从输出端通过电阻F R 引回同向输入端。电阻R 和背靠背稳压管Z VD 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I u u =-

+u 则由参考电压REF U 及输出电压O u 两者共同决定，而O u 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

Z R R R REF R R R T U U U F F F +++=

+222 Z R R R REF R R R T U U U F F F ++-=-22

2

由以上两式可求的门限宽度 △Z R R R T U U F +=22

2

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

电时间分别为

T1=(w R R ''+)C )1ln(21

2R R +

T2=(R +w R ')C )1ln(21

2R R +

输出波形的z 振荡周期为

R R T T T +=+=2(21+1ln()C w 21

2R R )

矩形波的占空比为 w R R w R R T T D '+'

'+==221

当D=0.2时令0='w R 得Rw =3R

当D=0.8时令Rw w R ='得Rw =3R

由f=1000Hz 得T=0.001秒

而 R R T T T +=+=2(21+1ln()C w 21

2R R )

令R=50K Ω 则Rw=150 K Ω

令C=0.01F μ R2=20K Ω

得R1=4.918 K Ω

所用元件如表1所示

表1 所用元件

4.测试及仿真方案

在输出端利用示波器观察波形，电压表测量输出电压，频率计测量频率。仿真分析电路如图4所示。

图4 仿真分析原理图

仿真分析结果如图5所示。频率计读数为994.868Hz电压表读数为5.485 V 波形没有明显的失真，基本满足要求。存在误差的原因主要是元件参数误差，测量误差以及忽略了二极管的导通电阻等等。

图5仿真结果分析

6 设计体会

本学期我们开设了《模拟电子》，它是自动化专业基础课，对以后自动化专业更深一步的学习有重要的意义。其重要性更是毋庸置疑的。学好它是学好自动化的基础。因此，这学期我卯足了劲去学习这门课。但是“纸上得来终觉浅，

觉知此事要躬行。”学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够的，所以在本学期刚刚学完模电后紧接着来一次模电课程设计是很及时、很必要的。这样不仅能加深我们对模拟电子的认识，而且还及时、真正的做到了学以致用。

这几天的课程设计，先不说其他，就天气而言，确实很艰苦。这几天都被高温笼罩着。人在高温下的反应是很迟钝的，简言之，就是很难静坐下来动脑子做事。但是炎炎烈日挡不住我们求知、探索的欲望。通过我不懈的努力与切实追求，终于在规定时间内完成了课程设计。

本次课程设计所设计的方案基本上能满足要求。波形基本上没有失真，测得的频率和理论值很接近，输出电压也在规定的范围内。该电路由一个滞回比较器和一个RC充放电回路组成。集成运放和电阻集成运放和电阻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。但该设计也有一定得问题，在计算时由于没有考虑二极管的导通电阻，因此计算的理论值和实际测得的数值会有一定的差距，而且还会因此产生一定的波形失真。由于二极管的导通电阻不可能为0，因此，选用不同的二极管会产生不同的结果，有时甚至会产生非常大的偏差，波形严重失真。所以，在试验过程中要选择合适的二极管。使得因为二极管而产生的偏差尽量减小。

在这次课程设计过程中，我也遇到了很多问题。比如在刚开始仿真时，矩形波发生电路画出来之后，仿真结果是输出波形是一条直线，频率计和电压表均没有示数。接下来，我就仔细地检查了一遍又一遍，最后终于在参考资料和同学的帮助下终于成功地仿真出了结果。

这次课程设计让我学到了很多有用的东西，我不仅是巩固了先前学的模电、的理论知识，而且也培养了我的动手操作能力，让我学到了很多电脑上的应用技巧，这是我以前很少接触的。更为重要的是这次课程设计开拓了我的视野，使我的创造性思维得到拓展。我感受到了知识的奥妙和学习的乐趣。此外，这也将对我以后踏上工作岗位也有一定得帮助。所以我希望希望今后类似这样课程设计、类似这样的锻炼机会能更多些！