的研究工作。
1 電路設(shè)計(jì)
矩形波發(fā)生器電路有多種方案,本設(shè)計(jì)以運(yùn)算放大器為核心,由矩形波振蕩電路、幅值調(diào)節(jié)電路兩部分組成。電路設(shè)計(jì)方案和元器件選擇的原則是:工作穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)簡單合理、安裝調(diào)試方便、性能參數(shù)達(dá)標(biāo)。
1.1 矩形波振蕩電路
矩形波振蕩電路(又稱多諧振蕩器)由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成。滯回比較器起開關(guān)作用,RC電路的作用是產(chǎn)生暫態(tài)過程。RC回路既是延遲環(huán)節(jié),亦是反饋網(wǎng)絡(luò),通過RC充、放電過程實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。在運(yùn)放的輸出端引入限流電阻和兩個(gè)背靠背的穩(wěn)壓管就組成了如圖1所示的雙向限幅矩形波發(fā)生器。
圖1中滯回比較器的閾值電壓
假設(shè)接通電源時(shí),電容C兩端電壓uc=O,輸出電壓uo=+Uz,則運(yùn)放同相輸入端電壓up=+UT,二極管VD2導(dǎo)通,VD1截止,uo通過電阻R3和R6給電容C充電,忽略二極管的動(dòng)態(tài)電阻,充電時(shí)間常數(shù)近似為(R3+R6)C,使運(yùn)放反相輸入端電壓uN由0逐漸上升,在uN
通常將矩形波輸出高電平的持續(xù)時(shí)間與振蕩周期的比定義為占空比。圖1所示電路利用二極管的單向?qū)щ娦允闺娙莩?、放電的通路不同,從而使它們的時(shí)間常數(shù)不同,實(shí)現(xiàn)了輸出電壓占空比的調(diào)節(jié)。
圖1矩形波發(fā)生器的輸出電壓幅值等于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值,電路輸出電壓正、負(fù)幅度對(duì)稱。
由上述分析可知,調(diào)節(jié)電位器R5或R6可改變矩形波發(fā)生器的振蕩頻率及占空比。如果在圖1中電容C處通過一只多路開關(guān)投入不同數(shù)值的電容,則可實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的頻段控制。
在低頻范圍(如10 Hz~1O kHz)以內(nèi),對(duì)于固定頻率來說,圖1所示電路是一種較好的振蕩電路。當(dāng)振蕩頻率較高時(shí),為了獲得前后邊沿較陡的矩形波,宜選擇轉(zhuǎn)換速率較高的運(yùn)放。
1.2 幅值調(diào)節(jié)電路
圖1中穩(wěn)壓管雙向限幅電路結(jié)構(gòu)簡單,選用不同穩(wěn)壓值的穩(wěn)壓管可改變輸出電壓,但限幅特性受穩(wěn)壓管參數(shù)影響大,而且輸出限幅電壓完全取決于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值,采用這種方法對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)整很不方便也很不實(shí)用。
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)矩形波發(fā)生器輸出電壓幅值的精確調(diào)節(jié),同時(shí)提高電路帶負(fù)載的能力,可在圖1電路輸出端uo處并聯(lián)一只可調(diào)電位器將輸出電壓進(jìn)行取樣,并將取樣電壓接至由運(yùn)放和電阻網(wǎng)絡(luò)組成的同相放大電路,通過改變?nèi)与娮柚导纯删_調(diào)節(jié)矩形波輸出電壓的幅值,即構(gòu)成了占空比、頻率及幅值可調(diào)的矩形波信號(hào)發(fā)生器。
1.3 元件參數(shù)選擇
為提高輸出信號(hào)頻率和占空比的調(diào)節(jié)范圍并減小二極管的動(dòng)態(tài)電阻對(duì)電路參數(shù)的影響,設(shè)計(jì)電路時(shí)R5、R6應(yīng)遠(yuǎn)大于R3。為使電路輸出受頻率影響較小的理想矩形波信號(hào),電容C1和C2取值不宜過小(可取0.01、O.1和1μF),并選用具有高轉(zhuǎn)換速率的運(yùn)算放大器,同時(shí)為簡化電路結(jié)構(gòu),可選用雙集成運(yùn)放LF353P,其轉(zhuǎn)換速率(SR)為13 V/μs。
為減小對(duì)矩形波振蕩電路輸出信號(hào)的影響,設(shè)計(jì)幅值調(diào)節(jié)電路時(shí)應(yīng)選用大阻值(可取100 kΩ)電壓取樣電位器。因電路為±12 V雙電源供電,考慮到集成運(yùn)放最大輸出電壓的限制,設(shè)計(jì)同相放大電路的電壓放大倍數(shù)為2倍,同時(shí)反饋電阻不宜過大或過小(可取10 kΩ)。
為分析矩形波信號(hào)發(fā)生器的帶負(fù)載能力,在測量電路的輸出阻抗時(shí),由于電路的閉環(huán)輸出電阻極小,而運(yùn)放的最大輸出電流有限,所以負(fù)載電阻的取值不可太小。
2 Multisiin 10仿真分析
在Muhisim 10中建立如圖2所示的矩形波信號(hào)發(fā)生器,打開仿真開關(guān),觀察電路的起振過程,并觀測當(dāng)R5、R6及R7變化時(shí)電路輸出波形的參數(shù)。文中參數(shù)及波形以電容C1為例,開關(guān)撥至C2時(shí)電路的測試方法相同。
R5、R6均為最大值時(shí),矩形波發(fā)生器輸出波形的頻率最小,如圖3(a);R5、R6均為0時(shí),輸出波形頻率最大,如圖3(b)。輸出信號(hào)頻率調(diào)節(jié)范圍為1.77~21.5 kHz。如作為方波信號(hào)源(占空比嚴(yán)格為50%)使用時(shí),方波信號(hào)的頻率調(diào)節(jié)范圍為2.64—21.5 kHz。
R5為最大值、R6為0時(shí),矩形波發(fā)生器輸出波形的占空比最小,如圖4(a);R5為0、R6為最大值時(shí),輸出波形的占空比最大,如圖4(b)。輸出信號(hào)占空比調(diào)節(jié)范圍為11%~94%。
通過參數(shù)掃描分析(Parameter Sweep Analysis)中的瞬態(tài)分析(Transient Analysis)選擇電阻R7為掃描元件,設(shè)置取樣電阻值由O至最大值時(shí),矩形波輸出電壓幅值在0~10.45 V之間連續(xù)可調(diào),如圖5所示。
在圖2電路輸出端并聯(lián)一只200 Ω負(fù)載電阻,測得電路的輸出阻抗為144 Ω,同理測出未接入幅值調(diào)節(jié)電路時(shí)的輸出阻抗為968 Ω??梢姡嫡{(diào)節(jié)電路提高了矩形波信號(hào)發(fā)生器的帶負(fù)載能力。
3 應(yīng)用電路測試
選用LF353P雙集成運(yùn)放(±12 V雙電源供電),選用1N4001二極管、HZ5C2雙向穩(wěn)壓管,對(duì)圖2所示矩形波信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行應(yīng)用電路實(shí)測分析,調(diào)節(jié)電位器R5、R6及R7,通過示波器觀測應(yīng)用電路的輸出波形分別如圖6、圖7所示。
由圖6、圖7測得矩形波發(fā)生器應(yīng)用電路的輸出波形參數(shù)如下:頻率調(diào)節(jié)范圍為1.72~23.8 kHz,作為方波信號(hào)源時(shí)頻率調(diào)節(jié)范圍為2.6~23.8 kHz;占空比調(diào)節(jié)范圍為11.4%~94%;電壓幅值調(diào)節(jié)范圍為0~10.5 V;電路的輸出阻抗為224 Ω。未接入幅值調(diào)節(jié)電路時(shí)的輸出阻抗為l 042 Ω。所測參數(shù)與Multisim 10仿真分析結(jié)果基本接近。
本文亦對(duì)電容C2分別取100 nF和1μF時(shí)的應(yīng)用電路進(jìn)行了測試,綜合測試結(jié)果分析可知:圖2矩形波發(fā)生器相鄰兩擋頻率的可調(diào)范圍互相覆蓋,輸出信號(hào)的頻率在16 Hz~23.8 kHz之間連續(xù)可調(diào),電路實(shí)現(xiàn)了多頻段的控制。
4 理論參數(shù)分析
通過對(duì)矩形波信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行理論分析,可知電路理論參數(shù)如下:矩形波輸出信號(hào)頻率調(diào)節(jié)范圍為1.92~30.2 kHz,作為方波信號(hào)源使用時(shí)頻率可調(diào)范圍為2.9~30.2 kHz,占空比調(diào)節(jié)范圍為8.9%~95%,電壓幅值調(diào)節(jié)范圍為0~10 V,理論參數(shù)與Multisim 10仿真分析及應(yīng)用電路測試結(jié)果略有不同,主要是由于電路中二極管的動(dòng)態(tài)電阻以及穩(wěn)壓二極管的正向?qū)妷阂鸬恼`差。
5 結(jié)束語
本文在電路設(shè)計(jì)過程中,先后選用了μA741和LF353P兩種運(yùn)放電路。通過仿真分析和應(yīng)用電路測試比較后發(fā)現(xiàn),采用具有高轉(zhuǎn)換速率的LF353P矩形波發(fā)生器輸出波形的上升沿(下降沿)更為陡直,波形更為穩(wěn)定。
本文設(shè)計(jì)的矩形波信號(hào)發(fā)生器的頻率調(diào)節(jié)范圍可達(dá)到16 Hz~23.8 kHz(三頻段控制),占空比調(diào)節(jié)范圍可達(dá)到11.4%~94%,電壓幅值在0~1O.5V之間連續(xù)可調(diào),同時(shí)可作為方波信號(hào)源使用,為三角波、鋸齒波、階梯波等其他非正弦波信號(hào)產(chǎn)生電路的研究工作提供了條件。 Multisim 10仿真分析和應(yīng)用電路測試結(jié)果表明:該電路能產(chǎn)生較理想的可控矩形波信號(hào),具有低失真、簡單實(shí)用、調(diào)試方便、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn),各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。