矩形波发生器的实现

青 岛 科 技 大 学

矩形波发生器的实现 题 目 __________________________________

靳庆庆 指导教师__________________________

学生姓名__________________________

1108030204 学生学号__________________________

信息科学技术 _______________________________电子信息工程 专业________________11级2 班 学院（部）____________________________

2015 年 ___1 月 ___12 ______日

矩形波发生器的实现

1 概述

1.1矩形波发生电路在测量、自动控制、通讯、无线电广播和遥控等许多技术领 域中有着广泛的应用，甚至在收音机、电视机和电子表等日常生活用品中也离不 开它。总之矩形波发生电路广泛地用于工业生产、科学实验和日常生活等各个领域中。

2设计内容

2.1设计任务：用一个集成运放组成一个滞回比较器和一个RC 充放电回路构成一个矩形波

发生器。

2.2. 设计要求：（1）、进行电路参数分析计算；

（2）、设计电路；

（3）、焊接，组装、调试硬件，测试结果；

（4）、撰写实验报告，要求有电路图、原理说明、电路所需元件清单、

电路参数计算、元件选择、测试结果分析等。

2.3电路组成及工作原理：

矩形波发生电路实际上是由一个滞回比较器和一个 RC 充放电回路组成。 其 中，集成运放和电阻 R1 和 R2 组成滞回比较器，电阻 R 和电容 C 构成充放电回 路，稳压管和电阻 R3 的作用是钳位，将滞回比较器的电压限制在稳压管的稳定 电压±UZ 。在矩形波发生电路中，如图 1 所示电位器 Rw 和二极管 D1、D2 的作 用是将电容充电和放电的回路分开，并调节充电和放电两个时间常数的比。 矩形波发生电路没有稳态， 它有两个暂态， 一个是低电平， 另一个是高电平。 要想达到这种效果可采用滞回比较器， 同时利用 RC 充放电回路来改变集成运放 反向输入端的输入电压即 u-=uc。当电容上的电压上升到 u-=u+时，滞回比较器 的输出端将发生跳变， 由高电平跳变成低电平。 当电容上的电压下降到 u-=u+时， 滞回比较器的输出端将再次发生跳变，由低电平跳变成高电平。以后又重复上述 过程。如此电容反复地进行充电和放电，滞回比较器的输出端反复地在高电平和 低电平之间跳变，于是产生了正负交替的矩形波。 因此，

在选择矩形波发生电路时，采用滞回比较器和 RC 充放电回路来构成 矩形波发生器。

2.4设计方案选择论证及参数计算：矩形波发生器的电路实际上由一个滞回比较器和一个RC 充放电回路组成。其中集成运放和电阻组成滞回比较器，电阻和电容构成充放电回路，稳压管和电阻的作用是钳位，将滞回比较器的输出电压限制在稳压管的稳定电压值。如果要求矩形波的占空比能够根据需要进行调节，则可以通过改变电路中充电和放电的时间常数来实现。

2.4.1. 设计方案图：设计方案的整体框图如图所示

2.4.2. 单元电路设计：（1）RC 充放电回路的设计RC 充放电回路如图2所示。

设C=0.01μF,R=20K；

2.4.3滞回比较器电路的设计电路如图3所示

因为

将1式带入上式得

故

2.4.4占空比可调的矩形波发生电路的设计

如果要求矩形波的占空比能够根据需要进行调节，则可以通过改变电路中充电和放电的时间常数来实现，如图4所示

当忽略二极管VD1、VD2的导通电阻时，可求得电容充电和放电的时间分别为

输出波形的震荡周期为：

矩形波的占空比为：

按设计要求占空比：0.2～0.8连续可调，则

R/(2R+Rw)=0.2; (R+Rw)/(2R+Rw)=0.8

2.5. 原理图

完整原理图如图5所示

电容C 两端的电压Uc 以及输出电压Uo 的波形如图6所示

图5占空比可调的矩形波发生器原理图

2.6元器件的选择

选择元器件只要清楚“需要什么”和“有什么”，问题就好解决了。所谓

“需要什么”是指根据具体问题的要求选择方案，需要什么样的元器件，即每个 元器件各应具有哪些功能和什么样的性能指标；所谓“有什么”是指哪些元器件， 哪些在市场上买得到，他们的性能如何、价格如何、体积多大等。众所周知，电 子元器件的种类繁多，而且不断的出现新产品，这就需要用户经常关心元器件的 新信息和新动向，多查阅资料。

①集成电路的选择

集成电路的广泛运用，不仅减少了电子设备的体积和成本，提高了可靠性， 使安装调试和维修变得比较简单，而且大大简化了电子电路的设计。但是，并不 是采用集成电路就一定比采用分立元器件好。有时功能相当简单的电路，只要用 一只二极管或三极管就能解决问题，若采用集成电路反而会使问题复杂化，而且 增加成本。但在一般的情况下，应优先选用集成电路，必要时可画出两种电路进 行比较。

集成电路的种类繁多，选用方法一般是“先粗后细”，即先根据主体方案考

虑应选用什么功能的集成电路，再进一步考虑它的具体性能，然后再根据价格等 因素选用什么型号。选择的集成电路不仅要在功能和特性上实现设计方案，而且 要满足功耗、电压、温度、价格等多方面的要求，而且应考虑封装方式。集成电 路常见的封装方式有双列直插式、扁平式和直立式三种（其他封装形式还有：引 线载体式、无引线载体式、锯齿双列式等十余种），一般尽可能选用双列直插式， 因为这种封装易更换。选用集成电路时，还应尽量选择全国集成电路标准化委员 会提出的优选集成电路系列中的产品。

②电阻器的选择

电阻器除阻值和功耗等参数以外，还应从以下几方面进行考虑：

掌握所设计电路对电阻器的特殊要求，所谓特殊要求是指对高频特性、过载 能力、精度、温度系数等方面的技术要求。

优先选用通用型电阻器，因为此类电路价格低、货源足。

根据电路的工作频率要求，选用相应的电阻器。各种电阻器由于他们的结构 与制造工艺不同，分布参数也不同。RX 型绕线电阻器的分布电容和分布电感较 大，仅用于工作频率低于50KHz 的电路中；RH 型合成膜电阻器的RS 型有机实心

电阻器的工作频率在数十MHz 左右；RT 型碳膜电阻器的工作频率可达100MHz ； RJ 型氧化膜电阻器的工作频率可高达数百MHz 。

按照电路对温度稳定性的要求，选择温度系数不同的电阻器。在实际的电路 中，有时需要选用正（或负）温度系数的电阻器作为温度补偿元件。

在高增益前置放大电路中，应选用噪声电动势小的电阻器。RJ 型、RX 型电 阻器以及RT 型电阻器均具有较小的噪声电动势。

所选电阻器的额定功率必须大于实际承受功率的两倍

③电容器的选择

选择电容器除容量和耐压等主要参数外，还应从以下几个方面进行考虑： a ． 合理确定对电容器精度的要求。在延时电路、音调控制电路、滤波器以 及接收机的本振电路和中频放大电路中，对某些电容器的精度要求较高或很高， 应选用高精度的电容器来满足电路的要求。而在旁路、去耦合、低频耦合等电路 中对电容及精度无很严格的要求，因此，仅需按设计值选用相近的容量或稍大容 量的电容器。

b ． 注意所设计电路对电容器绝缘电阻和损耗角正切值tan δ的要求。绝缘 电阻小的电容器，漏电流则较大，漏电流产生的功率损耗将使电容器发热升温， 从而导致漏电流进一步上升，轻则是电路性能恶化，重则是电容器失效甚至爆炸。 对在高温和高压下工作的电阻器尤其要注意绝缘电阻参数。在保持采样电路和电 桥电路中作为桥臂使用的电容器，其绝缘电阻值的高低将直接影响测量精度。电 容器的损耗有时也直接影响到电路性能，在震荡电路、中频回路和滤波器等电路 中，要求tan δ尽可能小，以提高电路的品质因数Q 。

c ． 注意对电容器高频特性的要求。在高频应用时某些电容器不可忽视的自 身电感、引线电感和高频损耗，会使电容器自身频率下降，导致电路不能正常工 作。有时为了解决电容器自身分布的影响，常在自身等效电感较大的电容器的两 端并接一个自身等效电感很小的小容量电容器。

④电位器的选择。电位器的主要参数有标称电阻、精度、额定功率、电阻温 度系数、阻值变化规律、噪声、分辨率、绝缘电阻、耐磨寿命、平滑性、零位电 阻、起动力矩、耐潮性等。其制作材料、结构形式和调节方式繁多，选用时应根 据设计电路的要求确定。

选择电位器的结构形式和调节方式。在电视机及许多测量仪器中，电源开关 和亮度（或音量）、灵敏度的控制常要求用一个旋钮来实现，这是可选用带开关 的电位器；在校正电路中，可选用紧锁型电位器；在计算机伺服系统及某些精密 仪器中，常选用多圈电位器；在晶体管放大器的偏置电路中，可选用半可调型电 位器。

选择电位器的阻值变化规律。为了适应各种不同的用途，电位器的阻值变化 规律通常做成三种，即直线式、对数式、反对数式（亦称指数式）。直线式电位 器可用于示波器和电视接收机总控制示波管和显像管的聚焦和亮度。在稳压电源 的取样电路中，也可选用直线式电位器。此外，直线式电位器还可用于晶体管电 路中工作点的调节，接收机AGC 电压的控制以及电视机中帧线性、帧幅、行同步、

帧同步等的调节；反对数电位器阻值在转角较小时变化较大，以后逐渐变小。这 种变化规律使用于音调调制电路以及电视机中对比度的调节。对数式电位器可用 于音响设备、收音机及电视机的接收机的音量控制电路中。因为人耳对声音响度 的听觉特性是符合对数规律的，即在声音微弱时，若声音响度稍有增加，人耳的 感觉十分灵敏，但当声音增大到一定程度，再继续增大声音响度，人耳的反映反 而比较迟钝了。音量电位器选用对数式阻值变化规律，恰可与人耳的听觉特性相 互补偿，使音量电位器转角从零开始逐渐增大时，人对音量的增加有均匀的感觉。 ⑤ 分立元器件的选择

分立元器件包括二极管、三极管、场效应管、晶闸管等，选择器件的种类不 同，注意事项也不同。例如三极管，应考虑是PNP 管还是NPN 管，是大功率管还

是小功率管，是高频管还是低频管，并注意管子的电流放大倍数、击穿电压、特 征频率、静态功耗等是否满足电路设计的要求。

2.7元器件参数

名称 型号 数量

双踪示波器 VP5220D或GOS622B 1台

集成运算放大器 μA741 1台

面包板 1块

电阻R 10k 2个

名称 型号 数量

电阻R3 2k 1个

电阻R 20k 1个

滑动变阻器 最大阻值100k 1个

稳压管 4.3V 2个

数字万用 DT-890

直流稳压电源

JWY-30 1台 1台 电容 0.01μF 1个

3测试与调试

3.1焊接电路

3.1.1组装实物图如下所示：

3.2焊接过程

事先准备好焊接板与焊接设备，按照上边搭建的电路进行实际组装和焊接，焊接过程中出现的问题如下：

（1）、焊接中布线的问题，防止出现错误。

（2）、确定焊接线路时电路连接不会出错，以及不会漏焊

（3）、在确保上述电路焊接完整准确的同时要提高焊接点的美观度

3.3调试过程

在将各元器件安装并焊接完成后，接入示波器，观察示波器波形，并记录波形和电压。 调试注意事项

a ．调试之前要熟悉各种仪器的使用方法，并仔细加以检查，避免由于仪器 使用不当或出现故障而做出的错误判断。

b ．测试仪器和被测试电路应具有良好的共地，只有使仪器和电路之间建立 一个公共地参考点，测试的结果才是准确的。

c ．调试过程中，发现器件或接线有问题需要更换或修改时，应关断电源， 待更换完毕认真检查后方可重新通电。

d ．调试过程中，不但要认真观察和检测，还要认真记录。包括记录观察的

现象，测量的数据、波形及相位关系，必要时在记录中应附加说明，尤其是那些 和设计不符合的现象更是记录的重点。依据记录的数据才能把实际观察的现象和 理论预计的结果加以定量比较，从中发现问题，加以改进，最终完善设计方案。 通过收集第一手资料可以帮助自己积累实际经验，切不可低估记录的重要作用。 e ．安装和调试自始至终要有严谨的科学作风，不能抱有侥幸心理。出现故

障时，不要手忙脚乱，马虎从事，要认真查找故障原因，仔细做出判断，切不可 一遇到故障解决不了时就拆线重新安装，因为重新安装的线路仍然存在各种问 题，况且原理上的问题也不是重新安装电路就能解决的。

3.4测试结果

1. 输出电压和震荡频率的关系：

2. 变阻器变化输出波形的频率响应：

随着变阻器的增大输出波形的占空比反而减小。

3. 电容电压输出波形的变化：

4. 总结

通过这次对波形发生器的设计与制作，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于波形发生器的原理与设计理念，最后的成品却不一定与预期的完全一样，因为在实际接线中有着各种各样的条件制约，而且由于元器件本身的特性而产生各种各样的误差。所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。

在这次实习过程中，让我深入了解运算放大器，RC 振荡回路，等电子电路的原理和使用方法以及将其应用于实际电路中。本次课程设计，我深刻认识到自己理论知识的不足，各部分的原理图设计经过和同学们的讨论以及请教老师后才得出。总之，要多思考，多比较，多尝试把所学的书本知识应用于实际，培养自己的动手能力。所以说，坐而言不如立而行，对于实际电路应该自己动手实践操作才有深刻体会和理解。

5.参考文献：

1．童诗白主编：《模拟电子技术基础》第四版，高等教育出版社，2006年出版。

2．康华光主编：《电子技术基础（模拟部分）》第四版，高等教育出版社，1999年出版。

3．朱定华、吴建新、饶志强编著：《模拟电子技术》，清华大学出版社， 2005年出版。

4．高吉祥主编：《模拟电子技术》，电子工业出版社，2004年出版。

5. 李进 宋滨主编：《电子技术基础实验》，化学工业出版社，2011年出版。

6. 彭介华主编：《电子技术课程设计指导》，高等教育出版社，2010年出版。