矩形波发生电路

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，就要求输出的两种状态自动地相互装换，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，所以输出电路中要有延时环节来确定每种状态维持的时间。图1所示矩形波发生电路，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1(a) 矩形波发生电路	图1(b) 电压传输特性

图1中滞回比较器的输出电压u_o=±U_Z，阀值电压为

(1)

因而电压传输特性如图1(b)所示。

设某一时刻输出电压u_o=±U_Z，则同相输入端电位u_o=±U_T。u_o通过R₃对电容C正向充电，如图中虚箭头所示。反相输入端电位u_n随时间t增长而逐渐升高，当t趋近于无穷时，u_n趋于+U_Z；但是，一旦u_n=+U_T，再稍增大，u_o就从+U_Z跃变为-U_Z，与此同时u_p从+U_T跃变为-U_T。随后，u_o又通过R₃对电容C反向充电，或者说放电，如图中实线箭头所示。反相输入端电位u_n随时间t增长而逐渐降低，当t趋近于无穷时，u_n趋于-U_Z；但是，一旦u_n=-U_T，再稍减小，u_o就从-U_Z跃变为+U_Z，与此同时u_p从-U_T跃变为+U_T，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、波形分析及主要参数

由于图1(a)所示电路中电容正向充电与反向充电的时间常数均为R₃C，而且充电的总幅值也相等，因而在一个周期内u_o=+U_Z的时间与u_o=-U_Z的时间相等，u_o为对称的方波，所以也称该电路为方波发生电路。电容上电压 （集成运放反相输入端电位 ）和电路输出电压波形如图2所示。矩形波的宽度T_K与周期T之比称为占空比，因此u_o是占空比为1/2的矩形波。

图2 方波发生电路的波形图

根据上述电压波形可知，在1/2周期内，电容充电的起始值为-U_T，终了值为+U_T，时间常数为R₃C，时间t趋于无穷时，u_c趋于+U_Z，利用一阶RC电路的三要素法可列出方程：

(2)

将式（1）代入上式，即可求出振荡周期为

(3)

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、R₂及U_Z。可以改变方波发生电路的振荡幅值，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。

3、占空比可调电路

通过对方波发生电路电路的分析，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道，占空比可调的矩形波发生电路如图3(a)所示，电容上电压和输出电压波形如图3(b)所示。

图3(a) 电路图	图3(b) 波形分析

当u_o=+U_Z时，u_o通过R_W1、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：

(4)

当u_o=-U_Z时，u_o通过R_W2、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：

(5)

利用一阶RC电路的三要素法可列出方程：

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