矩形波被廣泛用于數(shù)字開關(guān)電路，兩個(gè)二進(jìn)制（2級(jí)）是從邏輯電路中產(chǎn)生。邏輯電路的同步操作，嚴(yán)格規(guī)定的時(shí)間間隔，使方波快速轉(zhuǎn)換和定時(shí)參考信號(hào)適當(dāng)“時(shí)鐘”被使用。這可以從圖中頻域看到，但是，包含了頻率帶寬方波。他們不在，造成電磁輻射脈沖電流，影響了閉路的結(jié)果，造成噪音和錯(cuò)誤。公元準(zhǔn)確和非常敏感的電路，如傳感器，以避免這個(gè)問題，以此作為時(shí)序參考方波，而不是正弦波。因?yàn)榫匦尾妷褐挥袃煞N狀態(tài)，不是高電平，就是低電平，所以電壓比較器是它的重要組成部分；因?yàn)楫a(chǎn)生振蕩，就是要求輸出的兩種狀態(tài)自動(dòng)地相互轉(zhuǎn)換，所以電路中必須引入反饋；因?yàn)檩敵鰻顟B(tài)應(yīng)按一定的時(shí)間間隔交替變化，即產(chǎn)生周期性變化，所以電路中要有延遲環(huán)節(jié)來確定每種狀態(tài)維持的時(shí)間。 矩形波發(fā)生電路只有高電平、低電平兩個(gè)暫態(tài)，而且兩個(gè)暫態(tài)自動(dòng)地相互轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生自激振蕩。矩形波信號(hào)發(fā)生器通常用作數(shù)字電路的信號(hào)源或模擬電子開關(guān)的控制信號(hào)，亦是其他非正弦波發(fā)生器的基礎(chǔ)。

　　1 電路設(shè)計(jì)

　　矩形波發(fā)生器電路有多種方案，本設(shè)計(jì)以運(yùn)算放大器為，由矩形波振蕩電路、幅值調(diào)節(jié)電路兩部分組成。電路設(shè)計(jì)方案和元器件選擇的原則是：工作穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理、安裝調(diào)試方便、性能參數(shù)達(dá)標(biāo)。

　　由于矩形波發(fā)生電路中電容正向充電與反向充電的時(shí)間常數(shù)均為R3C，而且充電的總幅值也相等，所以也稱該電路為方波發(fā)生電路。矩形波的寬度Tk與周期T之比稱為占空比，因此占空比為1/2的矩形波。利用一階RC電路的三要素法可列出方程，求出振蕩周期。

　　1.1 矩形波振蕩電路

　　矩形波振蕩電路：利用深度正反饋，通過阻容耦合使兩個(gè)電子器件交替導(dǎo)通與截止，從而自激產(chǎn)生方波輸出的振蕩器。常用作方波發(fā)生器。多諧振蕩器是一種能產(chǎn)生矩形波的自激振蕩器，也稱矩形波發(fā)生器?！岸嘀C”指矩形波中除了基波成分外，還含有豐富的高次諧波成分。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。在工作時(shí)，電路的狀態(tài)在這兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間自動(dòng)地交替變換，由此產(chǎn)生矩形波脈沖信號(hào)，常用作脈沖信號(hào)源及時(shí)序電路中的時(shí)鐘信號(hào)。 在運(yùn)放的輸出端引入限流電阻和兩個(gè)背靠背的穩(wěn)壓管就組成了如圖1所示的雙向限幅矩形波發(fā)生器。

　　圖1中滯回比較器的閾值電壓

　　假設(shè)接通電源時(shí)，電容C兩端電壓uc=O，輸出電壓uo=+Uz，則運(yùn)放同相輸入端電壓up=+UT，二極管VD2導(dǎo)通，VD1截止，uo通過電阻R3和R6給電容C充電，忽略二極管的動(dòng)態(tài)電阻，充電時(shí)間常數(shù)近似為（R3+R6）C，使運(yùn)放反相輸入端電壓uN由0逐漸上升，在uNup時(shí)，uo=-Uz保持不變。當(dāng)uN≤up時(shí)，uo又從-Uz躍變?yōu)?Uz，電容C又開始充電，運(yùn)放輸出狀態(tài)再次翻轉(zhuǎn)。如此周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩，輸出端輸出矩形波信號(hào)。

　　通常將矩形波輸出高電平的持續(xù)時(shí)間與振蕩周期的比定義為占空比。圖1所示電路利用二極管的單向?qū)щ娦允闺娙莩?、放電的通路不同，從而使它們的時(shí)間常數(shù)不同，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓占空比的調(diào)節(jié)。

　　圖1矩形波發(fā)生器的輸出電壓幅值等于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值，電路輸出電壓正、負(fù)幅度對(duì)稱。

　　由上述分析可知，調(diào)節(jié)電位器R5或R6可改變矩形波發(fā)生器的振蕩頻率及占空比。如果在圖1中電容C處通過一只多路開關(guān)投入不同數(shù)值的電容，則可實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的頻段控制。

　　在低頻范圍（如10 Hz～1O kHz）以內(nèi)，對(duì)于固定頻率來說，圖1所示電路是一種較好的振蕩電路。當(dāng)振蕩頻率較高時(shí)，為了獲得前后邊沿較陡的矩形波，宜選擇轉(zhuǎn)換速率較高的運(yùn)放。

　　1.2 幅值調(diào)節(jié)電路

　　圖1中穩(wěn)壓管雙向限幅電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，選用不同穩(wěn)壓值的穩(wěn)壓管可改變輸出電壓，但限幅特性受穩(wěn)壓管參數(shù)影響大，而且輸出限幅電壓完全取決于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值，采用這種方法對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)整很不方便也很不實(shí)用。

　　為了實(shí)現(xiàn)對(duì)矩形波發(fā)生器輸出電壓幅值的調(diào)節(jié)，同時(shí)提高電路帶負(fù)載的能力，可在圖1電路輸出端uo處并聯(lián)一只可調(diào)電位器將輸出電壓進(jìn)行取樣，并將取樣電壓接至由運(yùn)放和電阻網(wǎng)絡(luò)組成的同相放大電路。

　　1.3 元件參數(shù)選擇

　　為提高輸出信號(hào)頻率和占空比的調(diào)節(jié)范圍并減小二極管的動(dòng)態(tài)電阻對(duì)電路參數(shù)的影響，設(shè)計(jì)電路時(shí)R5、R6應(yīng)遠(yuǎn)大于R3。為使電路輸出受頻率影響較小的理想矩形波信號(hào)，電容C1和C2取值不宜過?。扇?.01、O.1和1μF），并選用具有高轉(zhuǎn)換速率的運(yùn)算放大器，同時(shí)為簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，可選用雙集成運(yùn)放LF353P，其轉(zhuǎn)換速率（SR）為13 V／μs。

　　為減小對(duì)矩形波振蕩電路輸出信號(hào)的影響，設(shè)計(jì)幅值調(diào)節(jié)電路時(shí)應(yīng)選用大阻值（可取100 kΩ）電壓取樣電位器。因電路為±12 V雙電源供電，考慮到集成運(yùn)放輸出電壓的限制，設(shè)計(jì)同相放大電路的電壓放大倍數(shù)為2倍，同時(shí)反饋電阻不宜過大或過?。扇?0 kΩ）。

　　2 Multisiin 10仿真分析

　　在Muhisim 10中建立如圖2所示的矩形波信號(hào)發(fā)生器，打開仿真開關(guān)，觀察電路的起振過程，并觀測(cè)當(dāng)R5、R6及R7變化時(shí)電路輸出波形的參數(shù)。文中參數(shù)及波形以電容C1為例，開關(guān)撥至C2時(shí)電路的測(cè)試方法相同。

　　R5、R6均為值時(shí)，矩形波發(fā)生器輸出波形的頻率，如圖3（a）；R5、R6均為0時(shí)，輸出波形頻率，如圖3（b）。輸出信號(hào)頻率調(diào)節(jié)范圍為1.77～21.5 kHz。如作為方波信號(hào)源（占空比嚴(yán)格為50％）使用時(shí)，方波信號(hào)的頻率調(diào)節(jié)范圍為2.64—21.5 kHz。

　　R5為值、R6為0時(shí)，矩形波發(fā)生器輸出波形的占空比，如圖4（a）；R5為0、R6為值時(shí)，輸出波形的占空比，如圖4（b）。輸出信號(hào)占空比調(diào)節(jié)范圍為11％～94％。

　　通過參數(shù)掃描分析（Parameter Sweep Analysis）中的瞬態(tài)分析（Transient Analysis）選擇電阻R7為掃描元件，設(shè)置取樣電阻值由O至值時(shí)，矩形波輸出電壓幅值在0～10.45 V之間連續(xù)可調(diào)，如圖5所示。

　　在圖2電路輸出端并聯(lián)一只200 Ω負(fù)載電阻，測(cè)得電路的輸出阻抗為144 Ω，同理測(cè)出未接入幅值調(diào)節(jié)電路時(shí)的輸出阻抗為968 Ω?？梢?，幅值調(diào)節(jié)電路提高了矩形波信號(hào)發(fā)生器的帶負(fù)載能力。

　　3 應(yīng)用電路測(cè)試

　　選用LF353P雙集成運(yùn)放（±12 V雙電源供電），選用1N4001二極管、HZ5C2雙向穩(wěn)壓管，對(duì)圖2所示矩形波信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行應(yīng)用電路實(shí)測(cè)分析，調(diào)節(jié)電位器R5、R6及R7，通過示波器觀測(cè)應(yīng)用電路的輸出波形分別如圖6、圖7所示。

　　由圖6、圖7測(cè)得矩形波發(fā)生器應(yīng)用電路的輸出波形參數(shù)如下：頻率調(diào)節(jié)范圍為1.72～23.8 kHz，作為方波信號(hào)源時(shí)頻率調(diào)節(jié)范圍為2.6～23.8 kHz；占空比調(diào)節(jié)范圍為11.4％～94％；電壓幅值調(diào)節(jié)范圍為0～10.5 V；電路的輸出阻抗為224 Ω。未接入幅值調(diào)節(jié)電路時(shí)的輸出阻抗為l 042 Ω。所測(cè)參數(shù)與Multisim 10仿真分析結(jié)果基本接近。

　　本文亦對(duì)電容C2分別取100 nF和1μF時(shí)的應(yīng)用電路進(jìn)行了測(cè)試，綜合測(cè)試結(jié)果分析可知：圖2矩形波發(fā)生器相鄰兩擋頻率的可調(diào)范圍互相覆蓋，輸出信號(hào)的頻率在16 Hz～23.8 kHz之間連續(xù)可調(diào)，電路實(shí)現(xiàn)了多頻段的控制。

　　4 理論參數(shù)分析

　　通過對(duì)矩形波信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行理論分析，可知電路理論參數(shù)如下：矩形波輸出信號(hào)頻率調(diào)節(jié)范圍為1.92～30.2 kHz，作為方波信號(hào)源使用時(shí)頻率可調(diào)范圍為2.9～30.2 kHz，占空比調(diào)節(jié)范圍為8.9％～95％，電壓幅值調(diào)節(jié)范圍為0～10 V，理論參數(shù)與Multisim 10仿真分析及應(yīng)用電路測(cè)試結(jié)果略有不同。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　本文設(shè)計(jì)的矩形波信號(hào)發(fā)生器的頻率調(diào)節(jié)范圍可達(dá)到16 Hz～23.8 kHz（三頻段控制），占空比調(diào)節(jié)范圍可達(dá)到11.4％～94％，電壓幅值在0～1O.5V之間連續(xù)可調(diào)，同時(shí)可作為方波信號(hào)源使用，為三角波、鋸齒波、階梯波等其他非正弦波信號(hào)產(chǎn)生電路的研究工作提供了條件。  Multisim 10仿真分析和應(yīng)用電路測(cè)試結(jié)果表明：該電路能產(chǎn)生較理想的可控矩形波信號(hào)，具有低失真、簡(jiǎn)單實(shí)用、調(diào)試方便、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。