矩形波发生器的设计

目录
第一章概述 (1)
第二章设计原理及思路 (1)
2.1 占空比可调的矩形波发生电路 (1)
2.1.1 电路组成及工作原理 (1)
2.1.2 占空比可调电路的实现 (2)
2.2 RC串并联网络振荡电路 (3)
第三章系统电路总图及元件清单 (4)
3.1电路设计图 (4)
3.1.1 Protel原理图 (4)
3.1.2 仿真图 (5)
3.2元件清单 (7)
第四章电路调试与分析 (8)
4.1 测试仪器 (8)
4.2 测试说明 (8)
4.3 误差分析 (8)
第五章设计心得 (8)
参考文献 (9)
第一章 概述
非正弦波发生电路常常用于脉冲和数字系统中作为信号源，而常用的非正弦波发生电路有矩形波发生电路、三角波发生电路和锯齿波发生电路等。

其中，矩形波发生电路是三角波发生电路和锯齿波发生电路等的基础，因此，本设计旨在创建一种能够产生稳定且占空比和频率可调的矩形波模块电路，包括了Protel 原理图和Mulstism 仿真图。

该电路主要由RC 串并联网络振荡电路及一个滞回比较器和一个RC 充放电回路组成，重点阐述了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在低频段是可行的。

第二章 设计原理及思路
2.1 占空比可调的矩形波发生电路
2.1.1 电路组成及工作原理
图2-1为矩形波发生电路，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。

图中滞回比较器的阈值电压
Z
T U R R R U ⋅+±=±2
11
(1)
因而滞回比较器的电压传输特性如图2-2所示：
图2-2 滞回比较器的传输特性
图 2-1 矩形波发生电路
设某一时刻输出电压O U =Z U ± ，则同相输入端的电位+U = T U ±。

通过R 对电容C 正向充电，反相输入端电位-U 随时间t 增长而逐渐升高，当t 趋近于无穷时+U 趋近于+Z U ，此时t 再增加O U 就从+Z U 跃变为-Z U ，与此同时-U 从+T U 跃变为-T U 。

随后，O U 又通过R 对电容C 放电，反相输入端电位-U 随时间t 增长而逐渐降低，当t 趋于无穷时，-U 趋于-Z U ，一旦-U =-T U ，再减小t ，O U 就从-Z U 跃变为+Z U ，与此同时-U 从-T U 跃变为+T U ，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。

2.1.2 占空比可调电路的实现
通过对图2-1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，具体情况如下：
当O U =+Z U 时，O U 通过1W R 、VD2和R 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
()C R R w +≈11τ
当O U =-Z U 时，O U 通过2W R 、VD1和R 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
()C R R w +≈22τ
利用一阶RC 电路的三要素法可以解出
⎪⎭⎫
⎝
⎛+≈211121ln R R T τ
⎪⎭
⎫
⎝⎛+≈212221ln R R T τ
T =1T +2T ≈(w R +2R )C ln ⎪⎭⎫
⎝
⎛+2121R R
上式表明改变电位器的滑动端可以改变占空比，但周期不变。

占空比为
R
R R
R T T q w w 211++≈=
2.2 RC 串并联网络振荡电路
应设计要求，工作频率：20Hz-20kHz ，步长5Hz 。

虽然按照图2-1，固定R 、1R 、2R ，改变电容C 可以改变输出频率，但是输出波形易失真。

为此，引入RC 串并联网络振荡电路，通过振荡电路的输出频率来控制矩形波的频率，在调节振荡电路频率的过程中，矩形波形相对稳定，实现电路如图2-3所示：
图2-3 RC 串并联网络振荡电路
令R 3=R 4=R ，接入电路的R 6=R 7=R ，C 1=C 2=C ，则有 振荡电路的频率
])[(2/1'C R R f +=π
调节可变电阻R 6、R 7可改变振荡电路的频率，进而实现对工作频率的范围调节。

第三章系统电路总图及元件清单3.1电路设计图
3.1.1 Protel原理图
3.1.2 仿真图
（1）总原理图的仿真
（2）仿真结果
a.未加振荡电路时实现占空比可调的电路仿真b．RC串并联网络振荡电路的仿真
c. 加振荡电路时实现频率可调的电路仿真
3.2元件清单
元件序号型号主要参数数量R 固定电阻12.5K 1 R1、R11 固定电阻20k 2 R2 固定电阻15k 1
R3 固定电阻1k 1 R4、R5 固定电阻159 2
R14、R15 可变电阻159k 1 R10 固定电阻10K 1
R12 可变电阻10K 1
R13 固定电阻 2.2k 1
Rw 电位器100k 1 C2、C3 电容50nF 1
C 电容200nF 1
D1、D2、D3、D4 二极管无 4
VDZ1、VDZ2 稳压二极管 4.3V 2 741 运放集成运放741 2
J1 开关无 1
第四章电路调试与分析
4.1 测试仪器
万用表、示波器、±12V直流源
4.2 测试说明
U为方波，微调前级可调电阻R14、R15，使方如果电路接线正确，则在接通电源后，比较器的输出
O
R，则输出波形占空比可调。

波的输出频率满足设计指标要求，调节电位器
W
4.3 误差分析
根据理论计算应该可以达到要求，但是实际输出频率在20Hz到1kHz范围内易满足要求，输出幅度存在不足，占空比范围有所误差，根据前面所提方案的要求，调试过程主要集中在模拟电子电路部分。

放大电路产生误差的原因很多，一般有：运放的输入偏置电流、失调电压和失调电流及其温漂；电阻器的实际阻值与标称值的误差，且温度变化；另外，电源和信号源的内阻及电压变化、干扰和噪声都会造成误差。

第五章设计心得
通过这次对矩形波发生器的设计，使我对滞回比较器和RC充放电路的工作原理有了更深刻的了解，在充放电过程中，调节电位器Rw改变充放电时间，实现占空比可调电路，这样实际的操作使我对书本的理论知识有了更直观的体验。

为了达到工作频率可调，我对RC串并联网络振荡电路也进行了更深的理解，加深了我对理论知识的学习，同时在利用Mulstism制作仿真的过程中，锻炼了我的实际操作能力，这样实际与理论相结合的教学形式，不但大大提高了我对这门课的喜爱，更使我对知识有了直观立体的理解。

在设计工程中，我们也遇到了不少困难，尤其在做仿真的时候，总是不能出现预期效果，我和队友一起排查，每个元件参数的设定以及整个电路设计中遇到的条件制约等问题，我们都一起努力解决，这使我深刻体会到了团队协作的重要性。

同时，我还发现耐心、细心以及面对困难时坚持不懈的努力，都是完成课设必不可少的素质。

总之，此次课设使我受益匪浅，在考验脑力的同时更考验了我们的团队协作能力，以及自身的意志品质，不仅锻炼了智商更锻炼了情商，使我在整个过程中实现自我提升。

参考文献
[1] 《模拟电子技术基础（第四版）》高等教育出版社出版.2009
[2] 《高频电子线路（第四版）》高等教育出版社出版.2004
[3] 中国电子网. .。