矩形波发生器

设计题目：矩形波发生器

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一、概述

在电子技术应用领域，除了需要正弦波信号外，有时还需要许多非正弦波信号，如矩形波，常作为信号源被广泛的应用于无线电通信以及自动测量和自动控制等系统中。

本设计介绍了矩形波发生器的制作和设计过程,并根据输出波形特性研究该电路的可行性。包括了原理图。该电路有主要由UA741集成运算放大器，比较器，振荡器，通过用双踪示波器来确定波形的幅值及可调占空比的上限及下限。

重点阐述了矩形波发生器的电路结构及工作原理，分析了单元电路的制作和工作过程并进行了调试，调试结果表明设计的电路是可行的。

二、设计方案选择论证

矩形波发生器的电路实际上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、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VD z和电阻R3的作用是钳位，将滞回比较器的输出电压限制在稳压管的稳定电压值。

如果要求矩形波的占空比能够根据需要进行调节，则可以通过改变电路中充电和放电的时间常数来实现。

如图1为矩形波发生器电路原理图

图1矩形波发生器原理图

三、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；因为产生震荡，就是要求输出的两种状态自动的相互转换，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换每种状态维持的时间。

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反响充电或者说放电如图中虚箭头所示。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。如图2所示

图2

图3

由于图3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

通过以上分析可知，

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当忽略二极管的导通电阻时，可求得电容充电和放电的时间分别为

输出波形的震荡周期为

矩形波的占空比为

图4仿真电路

电路所用元件如图表1所示

表1

四、测试方案

（1）当电位器Rw滑动端调在中间位置时，由虚拟示波器可见，输出波形为正负半周对称的矩形波，电容上的电压Uc为充放电波形，如图5所示

图5 T1=T2 时的波形图

（2）当电位器Rw滑动端向上移动时，由虚拟示波器可见，矩形波正半周期T1增大，负半周期T2减小，相反，如果Rw的滑动端向下移动，则正半周T1减小，负半周T2增大。如图6，图7所示。

图6

图7实验验证结果与分析

当Rw的滑动端调至最下端时波形如图6所示，

T1=1.6ms

T2=6.1ms

T=T1+T2=7.7ms

占空比D=T1/T2=1.6/7.7=20%

当Rw滑动端调至最上端时波形如图7所示,

TI=6.1ms

T2=1.6ms

T=T1+T2=7.7ms

占空比D=T1/T2=1.6/7.7=20%

五、课设体会

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践结合起来，从实践中寻求结论，从动手中获得知识，才能提高自己的各方面能力。在设计过程中遇到了很多困难，也发现了自己在学习中的许多不足。自己以后应该勤于动手，勇于实践，经常巩固自己学过的知识。