矩形波发生器

目录

一、设计任务与要求 (2)

1.1 设计任务 (2)

1.2 设计要求 (2)

二、设计方案与论证 (2)

2.1 矩形波发生电路 (2)

2.2（发挥部分）三角波发生电路 (4)

三、设计原理及电路图 (6)

3.1电路设计原理 (6)

3.2总原理图 (6)

3.3PCB图 (6)

四、元器件清单 (7)

4.1元件清单 (7)

五、元器件识别与检测 (7)

5.1电阻（色环电阻的识别） (7)

5.2电容 (9)

5.3整流管 (10)

5.4双向稳压管 (11)

5.5集成运放UA741 (11)

六、硬件制作与调试 (12)

七、设计心得 (12)

八、参考文献 (13)

一、设计任务与要求

1.1 设计任务

制作一占空比可调的矩形波发生电路

1.2 设计要求

1 .频率为几百Hz ～1KHz 以内的某个定值;

2 .输出电压为u o =±8V ；

3 .占空比的调节范围不小于[0.1，0.9]。

二、设计方案与论证

2.1 矩形波发生电路

2.1.1 电路组成及工作原理

因为矩形波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以电压比较器是它的重要组成部分；因为产生振荡，就是要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈；因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来切丁每种状态维持的时间。图示为矩形波发生电路，它由反相输入的滞回比较器和RC 电路组成。RC 回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC 充放电实现输出状态的自动转换。 图中滞回比较器的输出电压，阈值电压

Z T U R R R U ⋅+±

=±2

11 (1)

因而电压传输特性如图所示：

设某一时刻输出电压Uo=±Uz ，则相同输入端点位Up=±Ut 。Uo 通过R3对电容C 正向充电，如图中实线箭头所示。反相输入端电位Un 随时间t 增长而逐渐升高，当t 趋近于无穷时Un 趋近于+Uz ；但是一旦Un=+Ut ，再稍增大，Uo 就从+Uz 跃变为-Uz ，与此同时Up 从+Ut 跃变为-Ut 。随后，Uo 又通过R3对电容C 反向充电，或者说放电，如图中虚线箭头所示。反相输入端电位Un 随时间t 增长而逐渐降低，当t 趋于无穷时，Un 趋于-Uz ；但是一旦Un=-Ut ，再稍微减小，Uo 就从-Uz 跃变为+Uz ，与此同时Up 从-Ut 跃变为+Ut ，电容又开始正向充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。

2.1.2 波形分析及主要参数

由于图中所示电路电筒正向充电和反向充电的时间常数均为RC ，而且充电的总幅值也相等，因而在一个周期内Uo=+Uz 的时间与Uo=-Uz 的时间相等，Uo 为对称的方波，所以也称为该电路为方波发生电路。电容上电压Uc （即集成运放反相输入端电位Un ）和电路输出电压Uo 波形如图所示。矩形波的宽度Tk 与周

期T 之比称为占空比，因此Uo 是占空比为1/2 的矩形波。

根据电容上电压波形可知，在1/2周期内，电容充电的起始值俄日-Ut ，终了值为+Ut ，时间常数为R3C ；时间t 趋于无穷时，Uc 趋于+Uz ，利用一阶RC 电路的三要素法可列出方程

())(132

/T T T Z T U C

R e U U U -+⎪⎪⎭

⎫

⎝

⎛

-+=+- 将（1）式代入上式，即可求出振荡周期

T = 23R C ln ⎪⎭

⎫

⎝

⎛

+

2121R R 振荡频率f=1/T 。

通过以上分析可知，调整电压比较器的电路参数R1和R2可以改变Uc 的幅值，调整电阻R1、R2、R3和电容C 的数值可以改变电路的振荡频率。而要调整输出电压Uo 的振幅，则要换稳压管以改变Uz ，此时Uc 的幅值也将随之变化。

2.1.3 占空比可调电路

通过对方波发生电路的分析，可以想象，欲改变输出电压的占空比，就必须使电容正向和反向充电的时间常数不同，即两个充电回路的参数不同。利用二极管的单向导电性可以引导电流流经不同的通路，占空比可调的矩形波发生电路如图所示，电容上电压和输出电压波形如图所示。

当Uo=+Uz 时，Uo 通过Rw1、D1和R3对电容C 正向充电，若忽略二极管导通时的等效电阻，则时间常数

()C R R w 311+≈τ

当Uo=-Uz 时，Uo 通过Rw2、D2和R3对电容C 反向充电，若忽略二极管导通时的等效电阻，则时间常数

()C

R R w 322+≈τ

利用一阶RC 电路的三要素法可以解出

⎪⎭⎫ ⎝⎛

+≈211121ln R R T τ

⎪⎭

⎫ ⎝⎛

+≈212221ln R R T τ

T =1T +2T ≈(w R +23R )C ln ⎪⎭

⎫

⎝

⎛

+

2121R R 上式表明改变电位器的滑动端可以改变占空比，但周期不变。占空比为

3

3112R R R R T

T q w w ++≈

=

2.2（发挥部分）三角波发生电路

由矩形波经积分电路得出，如图所

示。运算放大器A 1与R 1、R 2、R 4

及D z1、D z2组成电压比较器（同向输入的滞回比较器）；运算放大器A 2与R 3、R 5、C 组成反相积分器，比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，构成能自动产生法波、三角波的发生器。