【模電】0009 方波和三角波產生電路(RC和比較器實現)


本節我們來分析幾個波形產生電路,包括方波、三角波等波形產生電路。

這類電路一般由比較器、電阻、電容等組成。

我們先來看看比較器的特性。

1)比較器的特性

比較器的原理圖符號如下:

與運放的畫法是一樣的,其特性也很相似。

當比較器的正輸入比負輸入電壓高時,即 Vi+ > Vi- 時,Vo會輸出高電壓(接近正電源的電壓);當Vi+ < Vi- 時,Vo會輸出低電壓(接近負電源的電壓)。

如下圖,是比較器的特性仿真圖。輸入一個峰峰值為1V的正弦波,當輸入大於0時,輸出接近正電源10V,當輸入小於0時,輸出接近負電源-10V。

比較器和運放的區別:

通過上述仿真,我們發現比較器和運放的特性很相似。

但是,比較器是專門用於電壓比較的,其運行速率一般比運放要快;而且,比較器一般只用於開環狀態,線性度不好,不能像運放一樣接成負反饋電路;比較器的輸出一般需要接一個上拉電阻,而運放不需要。

很多情況下,如果運行速率不高,且輸入電壓不超出電源電壓的情況下,可以用運放代替比較器。

2)遲滯比較器

直接使用比較器作為 電壓的比較電路會產生一些問題,例如上圖電路,如果輸入電壓在0V附近,而此時外界有很小的干擾,使得輸入電壓在0V上下來回變化,則輸出也會在+10V和-10V間來回變化。因此,這個電路抗干擾性不好。

一般在使用時,要接成遲滯比較器,其原理圖如下:

在輸出和正輸入端使用了兩個電阻作為反饋回路,注意這里的反饋與以前分析過的運放電路不同,這里是正反饋。例如,當輸出電壓升高時,經R3和R4分壓后到正輸入端,使得正輸入端電壓也升高;此時輸入正負端的壓差會更大,會使得輸出電壓升得更高。因此,這里是正反饋。

這個正反饋回路,可以使得比較器能抵御一定的外界干擾。

例如,當輸出為高電壓時,經R3和R4分壓后到輸入端的電壓為正電壓V+;這樣,如果負輸入端的電壓升高時,需要升高到V+以上,才能使得輸出端跳變為低電壓。

而當輸出為低電壓時,經R3和R4分壓后到輸入端的電壓為一個負電壓V-;這樣,如果負輸入端的電壓降低時,需要降低到V-以下時,才能使得輸出端變為高電壓。

這樣,輸入電壓在需要變化到V+和V-的范圍之外,才能引起輸出端的變化,所以能抵御一定的干擾。

上圖的仿真中,需要把輸入正弦波的峰峰值設到2V以上,否則輸出端不會變化。

2)方波產生電路

利用比較器的特性,可以設計出方波產生電路,電路圖如下:

這個電路分析如下:

當輸出為高電平時,運放的輸入正端,Vc為正電壓;電容C1通過R3充電,Vb緩慢升高;

當Vb升高到Vb>Vc時,比較器的負輸入端高於正輸入端,輸出Va會跳變為低電壓;

當輸出為低電壓時,運放的輸入正端,Vc也變為負電壓,電容C1通過R3放電,Vb緩慢下降;

當Vb下降到Vb<Vc時,比較器的負輸入端低於正輸入端,輸出Va會跳變為高電壓;

如此循環跳變,輸出方波。

D1和D2是穩壓管,用作限幅用的,使得輸出電壓不至於幅值過大。

3)三角波產生電路

由於方波的積分就是三角波,所以三角波產生電路,簡單在方波產生電路后級增加一個能產生積分效應的電路路即可實現,如下圖所示:

 原理分析如下:

當輸出Va為高電壓時,C1通過R2電阻充電,充電電流恆定為Va/R2,Vb電壓線性下降。

當Vb下降到使得R3、R4的分壓Vc低於0V時,Va跳變為低電壓。

Va為低電壓時,C1通過R2電阻放電,放電電流恆定為Va/R2,Vb電壓線性上升。

當Vb上升到使得R3、R4的分壓Vc高於0V時,Va跳變為高電壓。

如此循環,Va輸出方波,Vb輸出三角波。

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