方波发生电路的设计与实现

方波发生电路是一种能够直接产生方波的非正弦信号发生电路，由于方波含有丰富的谐波，因此，这种电路也称为多谐振荡电路。

8.3.1.1　方波发生电路的组成及工作原理

方波发生电路是在滞回比较电路的基础上增加RC积分电路组成的，如图8.3.2所示。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按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化输出状态的自动转换。

根据电路中滞回电路的特性，有输出电压uO=±UZ，阈值电压为

其电压传输特性如图8.3.3所示。

图8.3.2　方波发生电路

图8.3.3　滞回比较电路电压传输特性

方波发生电路的工作原理分析如下。

假定某一时刻电路扰动使得uN-uP＜0，则uO=+UZ，由R2反馈回路得

此时uO通过R3对电容C正向充电，如图8.3.2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uN增大至稍大于+UT时，uN-uP＞0，uO就从+UZ跃变为-UZ。

由于输出uO为-UZ，输出uO又通过R3对电容C反向充电，或者说C开始放电，如图中虚线箭头所示。这时

反相输入端电位uN随时间t增长而逐渐降低，一旦uN减少至稍小于-UT，又有uN-uP＜0，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。

图8.3.4　方波发生电路的波形图

8.3.1.2　波形分析及主要参数(www.xing528.com)

图8.3.2所示电路中电容正向充电与反向充电的时间常数为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。电容上电压uC（也称集成运放反相输入端电位uN）和电路输出电压uO波形如图8.3.4所示。方波的宽度Tk与周期T之比称为占空比，因此uO的占空比为1/2。

根据电容上电压波形可知，在二分之一周期内，电容充电的起始值为-UT，终了值为+UT，时间常数为R3C；当时间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如下方程：

将式代入上式，即可求出振荡周期为

振荡频率f=1/T。

通过以上分析可知，调整电压比较电路的电路参数R1和R2可以改变uC的幅值，调整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的幅值出将随之变化。

8.3.1.3　占空比可调的方波发生电路

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，从而组成占空比可调的方波发生电路，如图8.3.5（a）所示，电容上电压和输出电压波形如图8.3.5（b）所示。

图8.3.5　占空比可调的方波发生电路及波形图

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，则时间常数为

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

利用一阶RC电路的三要素法可以解出

占空比为

式（8.3.9）和式（8.3.10）表明，改变电位器滑动端可以改变占空比，但周期不变。