1、0-10v 幅度可调锯齿波发生器设计 第 1 页 共 10 页0-10v 幅度可调锯齿波发生器设计朱勤 （ 安庆师范学院物理与电气工程学院 安徽 安庆 246011）指导老师：王陈宁摘要：锯齿波是常用的基本测试信号。在无线电通信、测量、自动化控制等技术领域广泛地应用着。如在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定规律运动，以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波产生器作为时基电路。因此锯齿波发生器是学习，科学研究等方面不可缺少的工具。在三角波发生器的基础上，改变积分电路的充放电时间，从而便可以得到锯齿波发生器。本论文设计了一款锯齿波发生器，它信号参数可调，且电路结构简单，性能较好。关键字：锯齿波发
2、生器，运算放大器，EDA，Multisim 91 引言在日常生活中，以及一些科学研究中，常常会应用到锯齿波发生器。例如，要在示波器荧光屏上不失真地观察到被测信号波形，要求在水平偏转板加上随时间作线性变化的电压锯齿波电压，使电子束沿水平方向匀速搜索荧光屏。而电视机中显像管荧光屏上的光点，是靠磁场变化进行偏转的，所以需要用锯齿波电流来控制。本电路中锯齿波发生器主要是用集成运算放大器实现的，它具有结构简单，调试方便等特点。2 电路设计本论文中，锯齿波发生器是运用相关器件组合而产生的电路，其中一个非常重要的部件就是集成运算放大器，以及由集成运算放大器组成的滞回比较器、积分器。用集成运放实现的电路结构简
3、单，调整方便。2.1 幅度可调锯齿波发生器的原理如果在三角波发生电路中,有意识地使积分电路充电和放电的时间常数相差悬殊,则在积分电路的输出端即可得到锯齿波信号。要实现幅度可调,则需将控制输出电压幅度的相应参数设置成可调参数即可。2.2 器件与单元电路的介绍2.2.1 集成运算放大器图 1 是集成运放的符号图，1、2 端是信号输入端，3、4 是工作电压端，5 是输出端，在实际中还有调零端，频率补偿端和偏置端等辅助端。集成运算放大器的输入级通常由差分放大电路组成，因此一般具有两个输入端以及一个输出端。图中标有“+”号的是同相输入端，标有“”号的是反相输入端，当信号从同相端输入时，输出信号和输入信号
4、同相，反之则反相。当集成运放工作在线性区时，它的输入信号电压和输出信号电压的关系是：（1）odnpAU式中 是运放器的放大倍数， 是非常大的，可达几十万倍，这是运算放大器和差分放大器odAod的区别，而且集成运放器的两个输入端对地输入阻抗非常高，一般达几百千欧到几兆欧，因此在实际应用中，常常把集成运放器看成是一个“理想运算放大器” 。理想运算放大器的两个重要指标为： 0-10v 幅度可调锯齿波发生器设计 第 2 页 共 10 页（1）差模输入阻抗为；（2）开环差模电压增益 Aod 为。根据这两项指标可知，当理想运算放大器工作在线性区时，因为其输入阻抗为，因此在其两个输入端均没有电流，即在图 1
5、 中 ，如同两点被断开一样，这种现象称为“虚断” 。02I又因为 ，根据输入和输出端的关系： ，所以认为运放的同相输入端与反odA odnpAU相输入端两点的电压相等，如同将该两点短路一样。这种现象成为“虚短” 。“虚短”和“虚断”是理想运放工作在线性区时的两个重要结论，常常作为分析许多运放电路的出发点。当理想运放工作在非线性区时，则“虚短”现象不复存在。图 1 集成运算放大器2.2.2 滞回比较器滞回比较器具有电路简单、灵敏度高等优点。在比较电路当中，如果输入电压受到干扰或噪声的影响，在门限电平上下波动，则输出电压将在高、低两个电平之间反复地跳变，如在控制系统中发生这种情况，将对执行机构产生
6、不利的影响。滞回比较器则克服了单限比较器的这种缺陷。滞回比较器又名施密特触发器，其电路如图 2 所示。图 2 滞回比较器电路原理图输入电压 Ui 经电阻 加在集成运放的反相输入端，参考电压 Uref 经电阻 接在同相输入端，此2R 1R外从输出端通过电阻 Rf 引回同相输入端。电阻 和背靠背稳压管 VDz 的作用是限幅，将输出电压的3R幅度限制在 Uz。在本电路中，当集成运方反相输入端与同相输入端的电位相等，即 时，输出端的状态将发生跳变。其中 U+则由参考电压 Uref 及输出电压 Uo 二者共同决定，而 Uo 有两种可能的状态：+U z 或U z。由此可见，这种比较器有两个不同的门限电平，
7、故传输特性呈滞回形状，如图 3 所示。0-10v 幅度可调锯齿波发生器设计 第 3 页 共 10 页图 3 滞回比较器的传输特性下面对此电路进行定性的分析：利用叠加原理可求得同相输入端的电位为： of2ref2f URRU（2）若原先 Uo=+Uz,当 Ui 逐渐增大时，使 Uo 从+ Uz 跳变为U z 所需的门限电平用 UT 表示，由上式可知：（3）zf2ref2fTRR若原先 Uo=U z，当 Ui 逐渐减小，使 Uo 从U z 跳变为+U z 所需的门限电平用 UT 表示，则：（4）f2ref2fT上述两个门限电平之差成为门限宽度，用符号 表示，由以上两式可求得：T（5）zf2TURU
8、由此可见，门限宽度 的值取决于稳压管的稳定电压 Uz 以及电阻 和 的值，但与参考电T 2fR压 Uref 无关。也就是说，当 Uref 增大或减小时，滞回比较器的传输特性将平行地右移或左移，但滞回曲线的宽度将保持不变。说明滞回比较器的抗干扰能力强。当输入信号受干扰或噪声的影响而上下波动时，只要根据干扰或噪声电平适当调整滞回比较器两个门限电平 UT 和 UT的值，就可以避免比较器的输出电压在高低电平间反复跳变。2.2.3 积分电路积分电路时一种应用比较广泛的模拟信号运算电路，它是组成模拟计算机的基本单元，可以实现对微分方程的模拟。同时，积分电路也是控制和测量系统中常用的重要单元，利用其充放电过
9、程可以实现延时、定时以及各种波形的产生。电路组成如图 4，根据理想运放工作在线型区时“虚短”和“虚断”的特点可知：电路的输出电压 Uo 与电容两端的电压 Uc 成正比，而电路的输入电压 Ui 与流过电容的电流 ic 成正比，即 Uo 与 Ui 之间成为积分运算关系。0-10v 幅度可调锯齿波发生器设计 第 4 页 共 10 页图 4 积分电路由于集成运放的反相输入端“虚地” ，故 可见输出电压与电容两端电压成正比。又由于coU“虚断” ，运方反相输入端的电流为零，则 ，故 即输入电压与流过电容的电流成ciRici1正比。由以上几个表达式可得：（6）dtdtiC1Uicco 由此可知，当输入电压
10、为矩形波时，通过积分换算，输出电压即可转变为三角波。2.3 0-10v 幅度可调锯齿波发生器整体电路2.3.1 电路组成图 5 所示为一个锯齿波发生电路。图中集成运放 A1 组成滞回比较器；二极管 VD1、VD 2 和电位器Rw，使积分电路的充放电回路分开，故 A2 组成充放电时间常数不等的积分电路。调节电位器 Rw 滑动端的位置，使 Rw1 远小于 Rw2，则电容放电的时间常数将比充电的时间常数小得多，于是放电过程很快，而充电过程很慢，即可得锯齿波。滞回比较器输出的矩形波加在积分电路的反相输入端，而积分电路输出的锯齿波又接到滞回比较器的同相输入端，控制滞回比较器输出端的状态发生跳变，从而在A
11、2 的输出端得到周期性的锯齿波。图 5 010 v 幅度可调锯齿波发生器整体电路2.3.2 工作原理假设初始时刻滞回比较器输出端为高电平，而且假设积分电容上的初始电压为零。由于 A1 同相输入端的电压 U+同时与 Uo1 和 Uo 有关，根据叠加原理，可得：（7）o21o21URR0-10v 幅度可调锯齿波发生器设计 第 5 页 共 10 页则此时 U+也为高电平。但当 时，积分电路的输出电压 Uo 将随着时间往负方向线性增长，z1oUU+随之减小，当减小至 时，滞回比较器的输出端将发生跳变，使 ，同时 U+0 z1oU将跳变为一个负值。以后，积分电路的输出电压将随着时间往正方向线性增长，U
12、+也随之增大，当增大至 时，滞回比较器的输出端再次发生跳变，使 ,同时 U+也跳变为一个正值。0 z1o然后重复以上过程，于是可得滞回比较器的输出电压 为矩形波，而由于积分电路的充放电时间不1o等，故积分电路输出电压 Uo 为锯齿波。如图 6 所示：图 6 锯齿波发生电路的波形图由上图可知，当 发生跳变时，锯齿波输出 Uo 达到最大值 Uom，而 发生跳变的条件是：1oU1o，将条件 ， 代入（7）式，可得：0Uz 0（8）mo21z21R-R）（由此可解得锯齿波输出的幅度为： (9)z21omU要使得幅度可调，由（9）式可知，改变参数 即可，所以实际电路中 采用滑动变阻器；调1 1节滑动变阻
13、器即可改变锯齿波的输出幅度。从而满足设计要求。3.电路仿真3.1 multisim9 仿真软件的介绍加拿大的 Interactive Image Technologies 公司(简称 IIT 公司)从 21 世纪 80 年代开始陆续推出了 EWB5.0、Multisim2001、Multisim7、Multisim8，它们已经为电子工程师和广大电子专业的师生所熟悉，并得到广泛应用。IIT 公司于 2005 年 12 月发布了最新电子仿真软件 Multisim 9。它将以前推出的 EWB5.0 和 Multisim2001 版本功能大大提高，比如 EWB5.0 版本，在做电路仿真实验调用虚拟仪器
14、时，一个品种每次只能调用一台，这是一个很大的缺陷。又如 Multisim2001 版本，它的与实际元件相对应的现实性仿真元件模型只有 6 种，而 Multisim9 版本增加到 10 种；Multi sim2001 版本的虚拟仪器只有 11 种，而 Multisim9 版本增加到 17 种；特别象示波器这种最常用的电子仪器，Multi sim20010-10v 幅度可调锯齿波发生器设计 第 6 页 共 10 页版本只能提供双踪示波器，而 Multisim9 版本却能提供 4 踪示波器，这给诸如试做数字电路仿真实验等需要同时观察多路波形提供了极大的方便。又比如 Multisim2001 版本只能
15、提供“ 亮”与“灭”两种状态黑白指示灯，而 Multisim9 版本却能提供蓝、绿、红、黄、白 5 种颜色的指示灯，使用起来更加方便和直观。总之，Multisim9 版本电子仿真软件是比较先进、功能最强大的仿真软件，是仿真软件的佼佼者。当启用后，它的基本界面如图 7 所示：图 7 Multisim7 的基本界面基本界面最上方是菜单栏(Menus)，共 11 项，包括编辑、视图等。基本界面的左侧为元件工具栏，其中 13 个元件库中分别放置同一类型的元件，左列从上到下分别是：电源库(Sources)、基本元件库(Basic)、二极管库(Diode)、晶体管库(Transistor)、模拟元件库(A
16、nalog) 、TTL 器件库(TTL)、CMOS 器件库(CMOS)、各种数字元件库(Miscellaneous Digital)等。基本界面右侧为仪表工具栏，该工具栏含有用来对电路工作状态进行测试的仪器仪表，从上到下分别为：数字万用表(MultiMate)、函数信号发生器(Function Generator)、瓦特表(Wattmeter) 、示波器(Oscilloscope)、 4 通道示波器(4 channel Oscilloscope)、扫频仪(Bode Plotter)、频率计(Frequency Counter)、数字信号发生器(Word Generator)等 17 种测试的仪
17、器仪表。选择元器件可以点击基本界面左侧的元件工具栏，如果选择基本元件，可以单击左侧元件工具栏Basic 按钮，则将出现下列对话框，如图 8 所示。倘若选择滑动变阻器，单击“OK ”按钮即可。0-10v 幅度可调锯齿波发生器设计 第 7 页 共 10 页图 8 操作界面的基本对话框图 9 更改元件参数对话框选择元件之后，若要对其进行相应的改动，双击选中的元件，通过对话框可以更改元件的显示，若是虚拟元件还可以更改它的大小。如图 9 所示。3.2 0-10v 幅度可调锯齿波发生器整体电路的仿真3.2.1 仿真幅度可调锯齿波发生电路包括两部分，一是由集成运算放大器组成的滞回比较器电路，二是由集成运算放
18、大器组成的积分电路。它的主要元器件包括集成运算放大器、电容、电阻、可调电位器、二极管、稳压管等。将滞回比较器的输出电压接在示波器通道 A 一端，积分电路的输出电压接在示波器的通道 B 一端，便可对电路进行仿真，得出仿真结果。0-10v 幅度可调锯齿波发生器设计 第 8 页 共 10 页图 10 010v 幅度可调锯齿波仿真图图 12 仿真结果为满足锯齿波 010v 幅度可调以及调试的方便，我们取 为 的可调滑动变阻器，1Rk5，稳压管的幅度为 5v。由（9）式可知：锯齿波的最大幅度理论值为：5.72R（10）v0.75URz21om3.2.1 仿真结果的分析电路中采用的是虚拟器件，因此有可能影
19、响仿真结果，由图 11 可知，仿真时锯齿波的最大幅度可达 11.2v，比理论值稍大。仿真结果同预期结果大体相同。0-10v 幅度可调锯齿波发生器设计 第 9 页 共 10 页4.总结用集成运算放大器实现的锯齿波发生器电路基本上符合了要求；电路优点:它不仅电路简单，器件选择灵活，而且性能较好，市场价格便宜。电路的不足之处：电路中通过 引入了深度的负反馈，以保证集成运放工作在线性区，在线性区1R内，差模输入电压的范围特别小，这就限制了集成运放输入电压的幅度，如果想得到更大幅度的锯齿波，则不宜采用这种电路。此外，电路中采用了滑动变阻器，在对电路精度要求严格的场合下，不适合采用此电路。参考文献1 童诗
20、白，模拟电子技术基础（第二版） ，高等教育出版社，1988。2 康华光，电子技术基础，高等教育出版社，1988。3 陈大钦，电子技术基础实验，高等教育出版社，2000。4 杨素行，模拟电子技术基础简明教程（第二版） ，高等教育出版社，1997。5 邱关源，电路（第四版） ，高等教育出版社，1999。6 Bobrw, L.S.Elementary Linear Analysis Holt, Rinehart and Winston, Inc., 1981。7 冯民昌，模拟集成电路基础，中国铁道出版社，1995。 0-10v 幅度可调锯齿波发生器设计 第 1 页 共 10 页0-10v Range
21、 Adjustable Sawtooth Generator DesignZhu qin(School of Physics and Electrical Engineering of Anqing Normal College, Anqing 246011)Abstract：Sawtooth is a common basic test signal. It is wildly used in radio communications, measurement and automatic control and other technology fields. For example,in
22、oscilloscopes, television and other equipment, in order to make electronic movement according to a certain law, so that the ekran could display images, the sawtooth generator is always used as a time-base circuit. Therefore sawtooth generator is an indispensable tool in learning, scientific research
23、 and other fields. On the basis of the triangular wave generator, if change the charge and discharge time of the integral circuit, so get the sawtooth generator. This paper have designed a sawtooth generator, the signal parameters are adjustable, the structure is simple and the performance is good as well. Keywords：Sawtooth Generator，Integrated Operational Amplifier，Electronic Design Automation， Multisim 9
