怎样通过RC延迟和运放来实现三角波和方波呢?

1.先看结果
按照惯例,我们先来看一下结果!
↑电路产生了约500hz的三角波和占空比为50%的方波(此电路是通过rc电路充电放电产生的三角波,所以并不是十分标准,在对三角波波形没有严格要求的场合下可以使用)。
下面将叙述电路的工作原理,以及各元器件参数对波形产生的影响。
2.波形发生电路原理从电路图可以看到,此电路使用了两个运放,分别产生了三角波和方波。我们先来搞清楚三角波的发生过程,在三角波发生的原理搞定之后一切就迎刃而解!
** 2.1三角波发生原理**
三角波的产生分为 上升 和 下降 两部分,如下图所示↓
** 2.1.1.三角波的上升沿(c1的充电过程)**
当电路启动时需要短暂的时间电路产生振荡,随后便进入电容充电放电的循环。电容c1的充电通路如下↓
1.当刚上电时,由于电路是正反馈网络,且运放输出端不为0,输出端会迅速达到高电平约为13v。
2.运放输出高电平后,通过r4给c1进行充电,根据经验公式:t=3rc时,电容电压uc=0.95*电源电压u。
r=100k、c1=3.3nf, t=3rc≈1ms。和仿真结果基本一致↓
当我们搞明白电容电压的充电过程后,面临一个重要问题,电压上升到什么时候为止呢?我们来继续分析↓
当运算放大器输出高电平时,会近似于将输出连接到vcc15v上,所以电阻r3近似与r1并联,那么此时运算放大器的﹢引脚电压由r1//r3 与 r2分压决定, * vop+= 15 (10/10.5)≈14v。也就是说c1上的电压会上升到14v左右停止。* *
由于运放lm358p并非轨到轨运放(rail to rail)所以实际输出的高电平会比我们的理论值14v低一些,在仿真的测试结果中约为12v↓
** 2.1.2 三角波的下降沿(c1的放电过程)**
当c1的充电过程完成后,会产生一个过冲,过冲会导致运算放大器的 u- > u+,运算放大器输出低电平。
我们再来看三角波的下降阶段↓
当运算放大器输出低电平时,输出(运算放大器1脚)近似于接地,则c1通过r4进行放电,这里为了方便计算,我们认为c1的放电时间约等于c1充电放电时间。
同样的,电压下降到什么时候为止呢?我们来继续分析↓
运算放大器输出低电平时,r3与r2为并联关系,则运算放大器的正极电压由 r1和r2//r3决定, * u+ = 15 (0.5/10.5) ≈ 0.9v。* *
我们可以看到实际的输出波形,波谷时也会略微高出0v一点点↓
至此三角波的发生过程已经叙述完毕,下面开始讲解方波的产生(就简单多了,哈哈)
** 2.2 方波发生原理**
方波的产生依靠于三角波和比较器,具体原理如下↓
1.当三角波超出比较器的vref时,比较器输出低电平;
2.当三角波低于比较器的vref时,比较器输出高电平;
从而产生方波,我们也自然可以通过调整vref来调整方波的占空比。
调整占空比后的方波,如下图所示↓
3.器件参数对波形的影响
1.方波的占空比 : 刚才已经提到可以通过调整比较器的vref来调整方波的占空比,如何调整vref相信大家都知道,通过调整r5、r6便可以调整vref。
2.三角波与方波的频率: 我们可以通过调节c1或者r4的值来控制电容c1的充电、放电时间,从而调整波形的频率,我们来试一下( 将r4缩小为50k,那么c1充电、放电的时间均为原先的一半,频率会提升一倍左右 )↓
↑从上图可以看到,基本和理论相差不大,频率提升了一倍。依旧满足经验公式:t=3rc时,电容电压uc=0.95*电源电压u
注意: 当我们将频率提升至15k左右时,三角波便会出现变形,所以本文中所设计的信号发生器上限频率为 15k左右↓
3.三角波幅值的偏移量
本文中的原理已经介绍过,在运放输出高低电平时,r3分别与r1、r2并联改变了 第一个运放 的u﹢,那么我们便可以在r1、r2不变的情况下通过改变r3的大小来改变三角波幅值的偏移量( 因为r3改变后,与r1、r2并联后的分压会变化 )
我们来看一下效果↓
↑可以看到三角波的偏置电压发生了改变,但是注意由于也改变了充电、放电时间,所以频率也会改变,这一点要注意!

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