的研究工作。
1 電路設計
矩形波發(fā)生器電路有多種方案，本設計以運算放大器為核心，由矩形波振蕩電路、幅值調節(jié)電路兩部分組成。電路設計方案和元器件選擇的原則是：工作穩(wěn)定可靠、結構簡單合理、安裝調試方便、性能參數(shù)達標。
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，通過RC充、放電過程實現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉換。在運放的輸出端引入限流電阻和兩個背靠背的穩(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
假設接通電源時，電容C兩端電壓uc=O，輸出電壓uo=+Uz，則運放同相輸入端電壓up=+UT，二極管VD2導通，VD1截止，uo通過電阻R3和R6給電容C充電，忽略二極管的動態(tài)電阻，充電時間常數(shù)近似為(R3+R6)C，使運放反相輸入端電壓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導電性使電容充、放電的通路不同，從而使它們的時間常數(shù)不同，實現(xiàn)了輸出電壓占空比的調節(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、負幅度對稱。
由上述分析可知，調節(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投入不同數(shù)值的電容，則可實現(xiàn)輸出信號的頻段控制。
在低頻范圍(如10 Hz～1O kHz)以內，對于固定頻率來說，圖1所示電路是一種較好的振蕩電路。當振蕩頻率較高時，為了獲得前后邊沿較陡的矩形波，宜選擇轉換速率較高的運放。
1．2 幅值調節(jié)電路
圖1中穩(wěn)壓管雙向限幅電路結構簡單，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，采用這種方法對輸出電壓進行調整很不方便也很不實用。
為了實現(xiàn)對矩形波發(fā)生器輸出電壓幅值的精確調節(jié)，同時提高電路帶負載的能力，可在圖1電路輸出端uo處并聯(lián)一只可調電位器將輸出電壓進行取樣，并將取樣電壓接至由運放和電阻網(wǎng)絡組成的同相放大電路，通過改變取樣電阻值即可精確調節(jié)矩形波輸出電壓的幅值，即構成了占空比、頻率及幅值可調的矩形波信號發(fā)生器。
1．3 元件參數(shù)選擇
為提高輸出信號頻率和占空比的調節(jié)范圍并減小二極管的動態(tài)電阻對電路參數(shù)的影響，設計電路時R5、R6應遠大于R3。為使電路輸出受頻率影響較小的理想矩形波信號，電容C1和C2取值不宜過小(可取0．01、O．1和1μF)，并選用具有高轉換速率的運算放大器，同時為簡化電路結構，可選用雙集成運放LF353P，其轉換速率(SR)為13 V／μs。
為減小對矩形波振蕩電路輸出信號的影響，設計幅值調節(jié)電路時應選用大阻值(可取100 kΩ)電壓取樣電位器。因電路為±12 V雙電源供電，考慮到集成運放最大輸出電壓的限制，設計同相放大電路的電壓放大倍數(shù)為2倍，同時反饋電阻不宜過大或過小(可取10 kΩ)。
為分析矩形波信號發(fā)生器的帶負載能力，在測量電路的輸出阻抗時，由于電路的閉環(huán)輸出電阻極小，而運放的最大輸出電流有限，所以負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所示的矩形波信號發(fā)生器，打開仿真開關，觀察電路的起振過程，并觀測當R5、R6及R7變化時電路輸出波形的參數(shù)。文中參數(shù)及波形以電容C1為例，開關撥至C2時電路的測試方法相同。
R5、R6均為最大值時，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，輸出波形頻率最大，如圖3(b)。輸出信號頻率調節(jié)范圍為1．77～21．5 kHz。如作為方波信號源(占空比嚴格為50％)使用時，方波信號的頻率調節(jié)范圍為2．64—21．5 kHz。
R5為最大值、R6為0時，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，輸出波形的占空比最大，如圖4(b)。輸出信號占空比調節(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，設置取樣電阻值由O至最大值時，矩形波輸出電壓幅值在0～10．45 V之間連續(xù)可調，如圖5所示。
在圖2電路輸出端并聯(lián)一只200 Ω負載電阻，測得電路的輸出阻抗為144 Ω，同理測出未接入幅值調節(jié)電路時的輸出阻抗為968 Ω。可見，幅值調節(jié)電路提高了矩形波信號發(fā)生器的帶負載能力。
3 應用電路測試
選用LF353P雙集成運放(±12 V雙電源供電)，選用1N4001二極管、HZ5C2雙向穩(wěn)壓管，對圖2所示矩形波信號發(fā)生器進行應用電路實測分析，調節(jié)電位器R5、R6及R7，通過示波器觀測應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)生器應用電路的輸出波形參數(shù)如下：頻率調節(jié)范圍為1．72～23．8 kHz，作為方波信號源時頻率調節(jié)范圍為2．6～23．8 kHz；占空比調節(jié)范圍為11．4％～94％；電壓幅值調節(jié)范圍為0～10．5 V；電路的輸出阻抗為224 Ω。未接入幅值調節(jié)電路時的輸出阻抗為l 042 Ω。所測參數(shù)與Multisim 10仿真分析結果基本接近。
本文亦對電容C2分別取100 nF和1μF時的應用電路進行了測試，綜合測試結果分析可知：圖2矩形波發(fā)生器相鄰兩擋頻率的可調范圍互相覆蓋，輸出信號的頻率在16 Hz～23．8 kHz之間連續(xù)可調，電路實現(xiàn)了多頻段的控制。
4 理論參數(shù)分析
通過對矩形波信號發(fā)生器進行理論分析，可知電路理論參數(shù)如下：矩形波輸出信號頻率調節(jié)范圍為1．92～30．2 kHz，作為方波信號源使用時頻率可調范圍為2．9～30．2 kHz，占空比調節(jié)范圍為8．9％～95％，電壓幅值調節(jié)范圍為0～10 V，理論參數(shù)與Multisim 10仿真分析及應用電路測試結果略有不同，主要是由于電路中二極管的動態(tài)電阻以及穩(wěn)壓二極管的正向導通電壓引起的誤差。
5 結束語
本文在電路設計過程中，先后選用了μA741和LF353P兩種運放電路。通過仿真分析和應用電路測試比較后發(fā)現(xiàn)，采用具有高轉換速率的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。
本文設計的矩形波信號發(fā)生器的頻率調節(jié)范圍可達到16 Hz～23．8 kHz(三頻段控制)，占空比調節(jié)范圍可達到11．4％～94％，電壓幅值在0～1O.5V之間連續(xù)可調，同時可作為方波信號源使用，為三角波、鋸齒波、階梯波等其他非正弦波信號產(chǎn)生電路的研究工作提供了條件。 Multisim 10仿真分析和應用電路測試結果表明：該電路能產(chǎn)生較理想的可控矩形波信號，具有低失真、簡單實用、調試方便、性能穩(wěn)定的優(yōu)點，各項性能指標均達到了設計要求。