【文章內(nèi)容簡介】 阻。集成運放電路的偏置級主要是為上述各級提供穩(wěn)定和合適的偏執(zhí)電流。 由于集成運算放大器具有開環(huán)增益高，輸入阻抗大，輸出阻抗小，體積小巧，功耗較低，工作穩(wěn)定，兼容性強，使用靈活等特點，使得其應(yīng)用非常廣泛，已經(jīng)滲透到電子技術(shù)的各個領(lǐng)域。它不僅可以用作對信號的放大、運算、處理和變換，也可以用來產(chǎn)生各種波形信號 [7]。 集成運放電路方波發(fā)生器組成 可變占空比方波發(fā)生器是由遲滯電壓 比較器和 RC 電路組成。 遲滯電壓比較器在電路中起到開關(guān)作用，而 RC 電路 所起到定時 作用 ， 即對產(chǎn)生電壓保持一定時長的穩(wěn)定 。RC 回路 既起到 延遲 作用又有 反饋 作用 ， 通過 RC 充、放電過程實現(xiàn)輸出 電壓不斷翻轉(zhuǎn) [8]。在 集成運放電路 的輸出端 對接如兩個穩(wěn)壓二極管，利用穩(wěn)壓二極管的反向?qū)ㄌ匦?，使產(chǎn)生的方波正負電壓幅度值限定在一定的范圍內(nèi)。集成運放電路方波發(fā)生器的組成電路可變占空比方波發(fā)生器的設(shè)計與應(yīng)用 8 如圖 31 所示 。 圖 31 集成運放電路方波發(fā)生器 集成運放電路方波發(fā)生器工作原理 遲滯 電壓 比較器 是一種特殊的開關(guān)電路，它可以判別出兩種控制狀態(tài)，在自動控制電路中具有廣發(fā)應(yīng)用。 將集成運放比較器的輸出電壓 通過反饋網(wǎng)絡(luò)加到 同（反） 相端，形成 正（負） 反饋 ，此設(shè)計方案中采用的為反向遲滯電壓比較器， 如圖 31所示 。遲滯電壓比較器又可理解為加正反饋的單限電壓比較器。 在理想情況下，它的比較特性如圖32所示。由圖可見 ,它有兩個門限電壓，分別稱為上門限電 OHU 和下門限電壓 OLU ， 其中 兩者的差值稱為門限寬度 。 圖 32 遲滯電壓表比較器比較特性 可變占空比方波發(fā)生器的設(shè)計與應(yīng)用 9 遲滯電壓比較器的上門 限電壓 65 6RR RUOH ?? （ 31） 下 門限電壓 65 6 RR RUOL ?? （ 32） 當電路接通后，同相輸入端電壓為 1TU ,電容 C1兩端電壓為零，此時輸出電壓OU = ZU? ，二極管 D1反向截止，二極管 D2正向?qū)ǎ娏魍ㄟ^ R2和 R3對電容 C1進行充電，電壓由零不斷增加，當電容 C1兩端電壓小于等于 1TU 時，輸出電壓 OU = ZU? 保持不變；當電容 C1兩端電壓大于 1TU 時，輸出電壓 OU 立即由 ZU? 躍變到 ZU ，此時二極管D1正向?qū)?，二極管 D2反向截止，電容 C1進行放電，當電容 C1兩端電壓大于 等于 1TU 時，輸出電壓 OU = ZU 保持不變；電容 C1兩端電壓減小到小于 1TU 時，輸出電壓 OU 立即由ZU 躍變到 ZU? ，電路又開始對電容 C1進行充電。可以看出此電路是振蕩電路，輸出端輸出電壓一直在 ZU? 和 ZU 之間變換。 其振蕩周期為 )56R21ln1)3221( RCRRRT ???? （ （ 33） 占空比為3221 32 RRR RRD ?? ?? （ 34） 此公式 32可以看出調(diào)節(jié)電路中 R1和 R2電阻 值大小，可以調(diào)節(jié)產(chǎn)生方波信號的占空比。 555定時器方波發(fā)生器 555定時器方波發(fā)生器利用 555定時器構(gòu)成多諧振動器產(chǎn)生方波信號，再利用控制元器件的參數(shù)，調(diào)節(jié)產(chǎn)生方波信號的占空比。 555定時器簡介 555定時器在我們生活具有廣泛的應(yīng)用，其內(nèi)部是由中等集成規(guī)模數(shù)字與模擬電路組成。 555定時器只需要外接簡單的元器件（電源、電阻、電容等），就可以實現(xiàn)一些簡單功能，像多諧振蕩器等。目前電子設(shè)備廠商生產(chǎn)的 555定時器主要有兩種，分別是采用雙極性（ Bipolar Junction Transistor， BJT）和互補金屬氧化物（ Complementary Metal Oxide Semiconductor， CMOS）的制作工藝。 由于現(xiàn)代工藝的不斷進步， 555定時器的生產(chǎn)成本不斷降低，目前其成本較為低廉。555定 時器廣泛應(yīng)用于時鐘控制，電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，電子電路測量等。尤其是利用 555定時器內(nèi)振蕩性質(zhì)來生產(chǎn)的方波信號，其方波信號的質(zhì)量非常好，具有較強的應(yīng)用前景 [9]。 可變占空比方波發(fā)生器的設(shè)計與應(yīng)用 10 555定時器方波發(fā)生器組成 采用 555定時器的方波發(fā)生器，主要是由 555定時器和 RC電路 ， RC電路 所起到充放電 作用。通過 RC充、放電過程實現(xiàn)輸出狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。 如圖 33所示，其為 555定時器電路符號 [10]。 圖 33 555定時器 電路符號 1引腳 :接地端，與地相接； 2引腳 :觸發(fā)輸入端； 3引腳 :電壓輸出端； 4引腳 :RD復位端： 若 此端接入為信號為低電平時， 555定時器不工作，電路輸出為0。 5引腳 :電壓控制端 ： 如果外部電壓 接入這個 端 口時 ， 555定時器中的電壓比較器的參考電壓 將發(fā)生改變 改變 。 在不使用時，應(yīng)串入一個 ， 并接地， 以防止干擾。 6引腳 : 閾值輸入端； 7引腳 :放電端； 8引腳 : 電源輸入端。 雙極型 555定時器 外接電源 VCC的范圍是 ~ 16V， CMOS型555定時器 外接電源 VCC的范圍是 3 ~ 18V， 一般 都是 用 5V[10]。 555定時器方波發(fā)生器原理 如圖 34 所示 為基于 555 定時器的 方波 發(fā)生器 。 可變占空比方波發(fā)生器的設(shè)計與應(yīng)用 11 圖 34 555定時器方波發(fā)生器 電路 當接通電源后，充電二極管 D1正向?qū)ǎ?電源 VDD通過電阻 AR 對電容 C1充電，當電容 C1兩端電壓 CU 小于三分之一的 VDD時， 555定時器 輸出電壓 OU =1，放電二極管 D2反向 截止。當電容 C1兩端電壓 CU 充電到大于等于三分之二的 VDD后， 555定時器 輸出電壓 OU 翻轉(zhuǎn)變?yōu)?0，此時放電二極管 D2正向 導通，充電二極管 D1反向 截止 ,使放電端接地，電容 C1通過電阻 BR 對地放電，使電容 C1兩端電壓 CU 下降。當電容 C1兩端電 壓 CU下降到小于等于三分之一的 VDD后， 555定時器 輸出電壓 OU 又翻轉(zhuǎn)變?yōu)?OU =1，此時放電二極管 D2反向 截止，使放電端不接地，電 源 VDD通過 AR 又對電容 C1進行 充電，當電容 C1兩端電壓 CU 從三分之一的 VDD上升到三分之二的 VDD,觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)變?yōu)?0。如此周而復始，從而在 555定時器 輸出端 OU 得到連續(xù)變化的振蕩脈沖波形 [11]。如圖 35所示。 電容器的充電周期： ? （ 35） 電容器 的放電周期為： ? （ 36） 可變占空比方波發(fā)生器的設(shè)計與應(yīng)用 12 方波信號的占空比：BABD RR R??t （ 37） 圖 35 555定時工作波形 由公式 27可以看出調(diào)節(jié)電路中 R3電阻值大小，可以控制對 電容器的充電和放電周期，進而達到對 555定時器 輸出 的 方波信號占空比的調(diào)控。 555定時器 +集成運放方波發(fā)生器 555定時器 +集成運放方波發(fā)生器組成 根據(jù)前兩種方案的優(yōu)缺性， 555 定時器 +集成 運放方波發(fā)生器結(jié)合電壓比較器和 555定時器的優(yōu)缺性設(shè)計，將兩者結(jié)合，利用 555 定時器的產(chǎn)生穩(wěn)定的方波，再利用電壓比較器調(diào)節(jié)輸出方波的幅度。 555 定時器 +集成運放方波發(fā)生器原理 555 定時器 +集成 運放方波發(fā)生器 中 555 定時器的工作原理與上一節(jié)所述一致，此電路中集成運放電路主要是起到幅度調(diào)節(jié)作用，對 555 定時器產(chǎn)生 方波信號的幅度值 1U進行調(diào)節(jié)。當 方波信號 輸入到集成運放電路后，其電壓的幅度值會進行相應(yīng)的幅度調(diào)節(jié)，即增大或減小，其輸出為 0U 。 555 定時器 +集成 運放方波發(fā)生器的原理圖，如圖 36 所示。 可變占空比方波發(fā)生器的設(shè)計與應(yīng)用 13 圖 36 555定時器 +集成運放方波發(fā)生器電路 可變占空比方波發(fā)生器的設(shè)計與應(yīng)用 14 4 可變占空比方波發(fā)生器的仿真設(shè)計 集成運放電路方波發(fā)生器的仿真設(shè)計 運放方波發(fā)生器元器件選擇 由于二極管的動態(tài)電 阻存在，其對輸出信號占空比有一定的影響，為減小對電路的影響，應(yīng)時 R R2 應(yīng)遠大于 R3[12]。同時為了減少電路對輸出方波信號的頻率的影響，電容 C1 的數(shù)值應(yīng)適中，不宜過小。對于遲滯電壓比較器的選擇，應(yīng)該選用高效率的運算放大器。穩(wěn)壓二極管的選擇上，應(yīng)考慮到輸出端電壓，應(yīng)保證其在穩(wěn)壓二極管工作電壓區(qū)間內(nèi)。而對于整流二極管應(yīng)考慮其工作電壓范圍，合理選擇，參考表 41。綜合考慮以上分析，具體參數(shù)如表 42 所示。 表 41 整流 1N4001 二極管參數(shù)表 [13] 型號 電流（ A） 電壓（ V） 1N4001 1 50 1N4001 1 100 1N4001 1 200 1N4001 1 400 1N4001 1 600 1N4001 1 800 1N4001 1 1000 表 42 集成運放方波發(fā)生器元器件選擇 參數(shù)名稱 參數(shù)或型號 參數(shù)名稱 參數(shù)或型號 R1 0~47k VEE 12V R2 0~100k VCC 12V R3 D1 1N4001 R4 D2 1N4001 R5 51k D3 BZT52HC5V6 R6 10k D4 BZT52HC5V6 C1 50nF U1B LF353P 集成運放方波發(fā)生器仿真電路 結(jié)合 表 42，在仿真軟件 Multisim 中進行電路建立、分析與仿真，仿真電路如圖 41所示。 可變占空比方波發(fā)生器的設(shè)計與應(yīng)用 15 圖 41 集成 運放方波發(fā)生器仿真電路 集成運放方波發(fā)生器仿真結(jié)果 經(jīng)過在仿真軟件 Multisim 的電路建立，經(jīng)測試準備無誤后，通過控制電阻 R1 和 R2的阻值，來分析電路輸出方波的波形與占空比。當可變電阻 R1 調(diào)到 50%， R2 也調(diào)到50%，其仿真結(jié)果如圖 42（ a）所示 周期為 T=，占空比 D=?？勺冸娮?R1調(diào)到 85%， R2 也調(diào)到 50%，其仿真結(jié)果如圖 42（ b）所示 ，此時其周期為 T=