電子設計教程34:RC方波與三角波信號源

產生矩形波的原理

  電流或電壓的波形爲矩形的信號,叫做矩形波。理想的矩形波只有“高”和“低”兩個值。高電平在一個波形週期內佔有的時間比值稱爲佔空比,佔空比爲50%的矩形波稱之爲方波。矩形波是其它非正弦波發生電路的基礎。例如,方波加在積分電路的輸入端,輸出就獲得三角波。
  矩形波只有兩種狀態,不是高電平,就是低電平,正好與電壓比較器的輸出狀態對應。如果可以使用電壓週期性變化的信號源,無論這個信號源是正弦波、三角波還是別的,只要通過一個電壓比較器,使信號源與參考電壓比較,就可以得到矩形波。下圖是正弦輸入+電壓比較器電路仿真結果:
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  不過上述方案電路設計比較複雜,還需要一個外接的信號源。週期變化的信號源可由振盪電路得到,只要讓電壓比較器(此處用運放實現電壓比較的功能)的輸出,可以維持電路振盪即可。比如下圖,輸出端可以通過電阻爲電容充電,電阻與電容構成RC振盪電路。電容接在反相輸入端,電容上變化着的電壓作爲輸入電壓,參考電壓Vref接在同相輸入端。
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  假設某一時刻,輸出電壓u_o爲最大值V_cc(假設運放可以實現理想的軌至軌,最大輸出電壓可以達到電源電壓),u_o通過電阻R爲電容C充電,電容C的電壓u_C逐漸升高。在u_C<V_ref期間,輸出電壓始終爲最大值。
  一旦 u_C>V_ref,運放的反相輸入端電壓大於同相輸入端電壓,運放輸出最小值-V_cc(在非正負電源供電時-V_cc爲0V)。電容C通過電阻R進行放電,電壓u_C逐漸降低。只要u_C<V_ref,輸出電壓就會變爲最大值,使電容C的電壓u_C再次升高。
  可以看出,u_C會在V_ref附近振盪,輸出電壓不是最大值V_cc,就是最小值-V_cc,理論上來講波形是矩形波。電平切換速度取決於運放本身的速度,太快且不可控。因此需要增加延遲環節,此處使用滯回比較器。

矩形波發生電路

  在單限比較器中加入正反饋,可以做成滯回比較器。反相輸入端接電容,電容與輸出端有電阻控制充放電速度。這就是矩形波發生電路。
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  析滯回比較器,可知兩個閾值電壓:
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