方波发生器电路

课程设计任务书

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2 课程设计方案论证

2.1 整体电路设计

由集成运放构成的方波发生器，包括迟滞比较电路和RC积分电路两大部分。电路原理图如图（1）所示。

图（1）方波发生电路原理框图

因为方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，就是要求输出的两种状态自动地相互转换，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，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持的时间，即RC 积分电路。

2.1 整体电路原理

因为方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，就是要求输出的两种状态自动地相互转换，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，所以电路中要有延迟环节来切丁每种状态维持的时间。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。

方波发生电路图如图（2）所示，它由反相输入的滞回比较器和RC积分电路组成。其中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，而输出端引入的限流电阻Ｒｏ和两个背靠背的双向稳压管起到了双向限幅的

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课程设计说明书N O.3

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作用。

图（2）方波发生电路图图（3）滞回比较曲线

2.3 工作原理

设某一时刻输出电压uO=+UZ，则同相输入端电位uc=+UT。uO通过R对电容C正向充电。反相输入端电位uc随时间t增长而逐渐升高，当t趋近于无穷时，uc趋于+UZ；一旦uc=+UT，再稍增大，uO就从+UZ跃变为-UZ，与此同时uc从+UT跃变为-UT。随后，uO又通过R对电容C放电。反相输入端电位uc随时间t增长而逐渐降低，当t趋近于无穷时，uc趋于-UZ；一旦uc=-UT，再稍减小，uO就从-UZ跃变为+UZ，与此同时，uc从-UT跃变为+UT，电容又开始反向充电。而上述过程周而复始，电路产生了输出状态的自动转换，便输出方波。

2.4 波形分析及主要参数

由于电路电筒正向充电和反向充电的时间常数均为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，所以也称为该电路为方波发生电路。电容上电压Uc（即集成运放反相输入端电位Un）和电路输出电压Uo波形如图（4)所示。

课程设计说明书 N O.4

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根据电容上电压波形可知，在1/2周期内，电容充电的起始值俄日-Ut ，终了值为+Ut ，时间常数为R3C ；时间t 趋于无穷时，Uc 趋于+Uz ，利用一阶RC 电路的三要

素法可列出方程上述电路输出状态发生跳变的临界条件为：U- = U+ 其中：

当输出U0为高电平时： 当输出U0为低电平时：

刚开始振荡建立时，由于电路中的电扰动，并 通过正反馈，使输出很快变为高电平或低电平。 振荡周期为： 图(4) 输出电压Uo 波形 而方波发生电路中电容正向充电与反向充电的时间常数均为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，即方波T1 = T2。 对T1由暂态过程公式：

对充电过程，t = ∞时： t = 0时： 即： 得：

则振荡频率：

可知，调整电压比较器的电路参数R1、R2和UZ 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。

τ

t

C C C C e U U U t u -

-∞-∞=)]0()([)()(O O FU U R R R U =+=+3

22

H

O H O FU U R R R U =+=+322

L O L O FU U R R R U -=+-

=+322

2

1T

T T +=Z oH C U U U ==∞）（Z OL C FU FU U -=-=+）

（0τ

t

Z Z Z C e

U FU U t u -

--+=][)()

21ln(211ln

223

21R R

RC F F T T +=-+==τ)21ln(2113

2

R R RC T

f +

=

=

课程设计说明书N O.5

表（1）直流稳压电源元件表

元件标注元件名称数量型号参数说明

R1 电阻 1 2kΩ

R2 电阻 1 2kΩ

R3 电阻 1 1kΩ

R 滑动变阻器电阻 1 2kΩ调节自激振荡电压频率

C1 可变电容 1 1uF

A 理想运放 1 OP07AH 放大

D1，D2 稳压管 2 ZDP3.0 稳幅

2.5 仿真分析方案选择

在输出端利用示波器观察波形，频率计测量频率。仿真分析电路如图（5）所示。

图（5）仿真原理图

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3 设计结果与分析

3.1 仿真波形结果如下图（6）所示

图（6）仿真波形

由图可知方波的幅度>2V，波形无明显失真满足课设的幅值条件。

3.2 频率调节仿真如图（7）所示

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图（7） 频率调节仿真图

由公式：

)21ln(22

1

3R R C R T += 则振荡频率:

由于频率的范围是100Hz ≤f ≤1000Hz

当f=100Hz 时，代入公式的R ≈3k Ω,KeyA=100%,对比频率仿真结果知f=122.792Hz,

接近100Hz 。

当f=1000Hz 时，代入公式的 R ≈300Ω,KeyA=5%,对比频率仿真结果知f=815.68Hz,

接近1000Hz 。

由仿真结果知方波形连续可调频率范围基本符合在100Hz 至1000Hz 之间满足课设的

要求。

3.误差分析：

理论参数与Multisim 11仿真分析及应用电路测试结果略有不同，主要是由于电路中二极管的动态电阻以及稳压二极管的正向导通电压引起的误差，所以使频率达不到1000HZ 。

)21ln(21

13

2

R R RC T

f +

=

=