怎样通过RC延迟和运放来实现三角波和方波呢？

冬至子 2023-10-23 6395

电子说

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描述

1.先看结果

按照惯例，我们先来看一下结果！

Multisim仿真

↑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↓

Multisim仿真

** 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↓

Multisim仿真

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↓

Multisim仿真

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↓

Multisim仿真

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↓

Multisim仿真

** 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↓

Multisim仿真

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↓

Multisim仿真

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↓

Multisim仿真

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↓

Multisim仿真

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↓

Multisim仿真

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 ）↓

Multisim仿真

↑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↓

Multisim仿真

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↓

Multisim仿真

↑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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