一种矩形波信号发生器仿真与实现

　　矩形波被广泛用于数字开关电路，两个二进制（2级）是从逻辑电路中产生。逻辑电路的同步操作，严格规定的时间间隔，使方波快速转换和定时参考信号适当“时钟”被使用。这可以从图中频域看到，但是，包含了频率带宽方波。他们不在，造成电磁辐射脉冲电流，影响了闭路的结果，造成噪音和错误。公元准确和非常敏感的电路，如传感器，以避免这个问题，以此作为时序参考方波，而不是正弦波。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。 矩形波发生电路只有高电平、低电平两个暂态，而且两个暂态自动地相互转换，从而产生自激振荡。矩形波信号发生器通常用作数字电路的信号源或模拟电子开关的控制信号，亦是其他非正弦波发生器的基础。

　　1 电路设计

　　矩形波发生器电路有多种方案，本设计以运算放大器为，由矩形波振荡电路、幅值调节电路两部分组成。电路设计方案和元器件选择的原则是：工作稳定可靠、结构简单合理、安装调试方便、性能参数达标。

　　由于矩形波发生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，所以也称该电路为方波发生电路。矩形波的宽度Tk与周期T之比称为占空比，因此占空比为1/2的矩形波。利用一阶RC电路的三要素法可列出方程，求出振荡周期。

　　1.1 矩形波振荡电路

　　矩形波振荡电路：利用深度正反馈，通过阻容耦合使两个电子器件交替导通与截止，从而自激产生方波输出的振荡器。常用作方波发生器。多谐振荡器是一种能产生矩形波的自激振荡器，也称矩形波发生器。“多谐”指矩形波中除了基波成分外，还含有丰富的高次谐波成分。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态。在工作时，电路的状态在这两个暂稳态之间自动地交替变换，由此产生矩形波脉冲信号，常用作脉冲信号源及时序电路中的时钟信号。 在运放的输出端引入限流电阻和两个背靠背的稳压管就组成了如图1所示的双向限幅矩形波发生器。

　　图1中滞回比较器的阈值电压

　　假设接通电源时，电容C两端电压uc=O，输出电压uo=+Uz，则运放同相输入端电压up=+UT，二极管VD2导通，VD1截止，uo通过电阻R3和R6给电容C充电，忽略二极管的动态电阻，充电时间常数近似为（R3+R6）C，使运放反相输入端电压uN由0逐渐上升，在uNup时，uo=-Uz保持不变。当uN≤up时，uo又从-Uz跃变为+Uz，电容C又开始充电，运放输出状态再次翻转。如此周而复始，电路产生了自激振荡，输出端输出矩形波信号。

　　通常将矩形波输出高电平的持续时间与振荡周期的比定义为占空比。图1所示电路利用二极管的单向导电性使电容充、放电的通路不同，从而使它们的时间常数不同，实现了输出电压占空比的调节。

　　图1矩形波发生器的输出电压幅值等于稳压管的稳压值，电路输出电压正、负幅度对称。

　　由上述分析可知，调节电位器R5或R6可改变矩形波发生器的振荡频率及占空比。如果在图1中电容C处通过一只多路开关投入不同数值的电容，则可实现输出信号的频段控制。

　　在低频范围（如10 Hz～1O kHz）以内，对于固定频率来说，图1所示电路是一种较好的振荡电路。当振荡频率较高时，为了获得前后边沿较陡的矩形波，宜选择转换速率较高的运放。

　　1.2 幅值调节电路

　　图1中稳压管双向限幅电路结构简单，选用不同稳压值的稳压管可改变输出电压，但限幅特性受稳压管参数影响大，而且输出限幅电压完全取决于稳压管的稳压值，采用这种方法对输出电压进行调整很不方便也很不实用。

　　为了实现对矩形波发生器输出电压幅值的调节，同时提高电路带负载的能力，可在图1电路输出端uo处并联一只可调电位器将输出电压进行取样，并将取样电压接至由运放和电阻网络组成的同相放大电路。

　　1.3 元件参数选择

　　为提高输出信号频率和占空比的调节范围并减小二极管的动态电阻对电路参数的影响，设计电路时R5、R6应远大于R3。为使电路输出受频率影响较小的理想矩形波信号，电容C1和C2取值不宜过小（可取0.01、O.1和1μF），并选用具有高转换速率的运算放大器，同时为简化电路结构，可选用双集成运放LF353P，其转换速率（SR）为13 V／μs。

　　为减小对矩形波振荡电路输出信号的影响，设计幅值调节电路时应选用大阻值（可取100 kΩ）电压取样电位器。因电路为±12 V双电源供电，考虑到集成运放输出电压的限制，设计同相放大电路的电压放大倍数为2倍，同时反馈电阻不宜过大或过小（可取10 kΩ）。

　　2 Multisiin 10仿真分析

　　在Muhisim 10中建立如图2所示的矩形波信号发生器，打开仿真开关，观察电路的起振过程，并观测当R5、R6及R7变化时电路输出波形的参数。文中参数及波形以电容C1为例，开关拨至C2时电路的测试方法相同。

　　R5、R6均为值时，矩形波发生器输出波形的频率，如图3（a）；R5、R6均为0时，输出波形频率，如图3（b）。输出信号频率调节范围为1.77～21.5 kHz。如作为方波信号源（占空比严格为50％）使用时，方波信号的频率调节范围为2.64—21.5 kHz。

　　R5为值、R6为0时，矩形波发生器输出波形的占空比，如图4（a）；R5为0、R6为值时，输出波形的占空比，如图4（b）。输出信号占空比调节范围为11％～94％。

　　通过参数扫描分析（Parameter Sweep Analysis）中的瞬态分析（Transient Analysis）选择电阻R7为扫描元件，设置取样电阻值由O至值时，矩形波输出电压幅值在0～10.45 V之间连续可调，如图5所示。

　　在图2电路输出端并联一只200 Ω负载电阻，测得电路的输出阻抗为144 Ω，同理测出未接入幅值调节电路时的输出阻抗为968 Ω。可见，幅值调节电路提高了矩形波信号发生器的带负载能力。

　　3 应用电路测试

　　选用LF353P双集成运放（±12 V双电源供电），选用1N4001二极管、HZ5C2双向稳压管，对图2所示矩形波信号发生器进行应用电路实测分析，调节电位器R5、R6及R7，通过示波器观测应用电路的输出波形分别如图6、图7所示。

　　由图6、图7测得矩形波发生器应用电路的输出波形参数如下：频率调节范围为1.72～23.8 kHz，作为方波信号源时频率调节范围为2.6～23.8 kHz；占空比调节范围为11.4％～94％；电压幅值调节范围为0～10.5 V；电路的输出阻抗为224 Ω。未接入幅值调节电路时的输出阻抗为l 042 Ω。所测参数与Multisim 10仿真分析结果基本接近。

　　本文亦对电容C2分别取100 nF和1μF时的应用电路进行了测试，综合测试结果分析可知：图2矩形波发生器相邻两挡频率的可调范围互相覆盖，输出信号的频率在16 Hz～23.8 kHz之间连续可调，电路实现了多频段的控制。

　　4 理论参数分析

　　通过对矩形波信号发生器进行理论分析，可知电路理论参数如下：矩形波输出信号频率调节范围为1.92～30.2 kHz，作为方波信号源使用时频率可调范围为2.9～30.2 kHz，占空比调节范围为8.9％～95％，电压幅值调节范围为0～10 V，理论参数与Multisim 10仿真分析及应用电路测试结果略有不同。

　　5 结束语

　　本文设计的矩形波信号发生器的频率调节范围可达到16 Hz～23.8 kHz（三频段控制），占空比调节范围可达到11.4％～94％，电压幅值在0～1O.5V之间连续可调，同时可作为方波信号源使用，为三角波、锯齿波、阶梯波等其他非正弦波信号产生电路的研究工作提供了条件。  Multisim 10仿真分析和应用电路测试结果表明：该电路能产生较理想的可控矩形波信号，具有低失真、简单实用、调试方便、性能稳定的优点，各项性能指标均达到了设计要求。