多种波形产生与变换电路

张东海

摘 要：波形产生与变换是电子技术中广泛使用的电路，波形产生电路是产生特定波形，频率和幅度信号的电路。通过对反相放大器，同相放大器，积分电路，微分电路的理解和使用，产生方波，三角波，正弦波一系列波形。波形变换电路是能把外加输入信号的波形变换成指定的适合于系统应用和处理的波形。正弦波电路，广泛应用于通讯，广播，电视等系统。非正弦波产生电路如方波，三角波，广泛应用于测量设备，数字系统和自控系统。

关键词：方波;三角波;正弦波

一、方波发生电路

因为方波电压只有两种状态，不是高电平就是低电平，所以电压比较器是它的重要组成部分;因为产生振荡，就是要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈;因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态的维持时间。方波发生电路，它由反相输入的滞回比较器和RC电路组成RC回路，既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充放电实现输出状态的自动转换。设某一时刻输出电压U0等于+U2，同相输入端电位U3=+U4.输出电压通过电阻对电容正向充电。反相输入端电位随时间增长而逐渐升高，当时间趋于无穷时，同相输入端电压趋于+U2，一旦同相输入端电位U3=+U4，再稍增大，U0就从+U2跃变为-U2，与此同时同相输入端电位从+U4变成-U4。随后，输出电压又通过电阻对电容放电。反相输入端电位随时间增长而逐渐降低，当时间趋于无穷时，U3趋于-U2，一旦U3=-U4，再稍减小，输出电压从-U4跃变为+U4，电容又开始反向充电。而上述过程周而复始，电路产生了输出状态的自动转换，便输出方波。方波发生电路，改变积分回路时间常数的方法调整频率，调整范围较宽。方波发生电路输出信号的幅度不受电源变化的影响，只适用于低频应用。

二、三角波发生电路

方波到三角波采用积分电路，积分是一种常见的数学运算，这里讨论的是模拟积分。利用虚地和虚断的概念给电容器进行充电，积分电路输出电压和输入电压的关系是，输出是输入对时间的积分，输入电压和输出电压在相位上是相反的。当输入信号为阶跃电压时，在它的作用下，电容器将被充电，输出电压与时间的关系为近似线性关系。直流电源电压限制运放输出电压的最大值，运放将进入饱和状态，输出电压不变，而停止积分。如果积分出不来波形，就运放而言，如果同向端接地则需要提供双电源运放，必须接入交流信号，不能是直流信号，正负电源值不必相等。R向C充电，使输出电压按线性规律增长，如果充放电时间不等则会产生锯齿波，充放电时间相等会产生三角波。通过积分电路输出波形频率不变，通过输出频率来确定积分电路上电阻值和电容值。积分电路一般选择较大的电容值，而且电容值不能大于1UF。

三、正弦波产生电路

滤波电路是一种电子装置，这种电子装置能抑制无用频率信号使其不能通过，起到滤波作用。但是能使有用频率信号通过的滤波装置。工程上这种滤波装置常用来做信号处理，除此之外还有数据传送和抑制干扰等。这里主要指的是模拟滤波器，以往这种滤波电路主要采用无源器件R.L.和C组成。构成一个简单的一阶有源低通滤波电路，电压跟随器在一级RC低通电路的输出端加上的话，这样就会使与负载很好地隔离开来就构成了一阶有源低通滤波电路。由于电压跟随器的输入阻抗很高，输出阻抗很低，所以，其带负载的能力变的更强了。

方波通过低通滤波器，通过电容的充放电，把方波快速变化的上升沿和下降沿弄的平滑，当平滑得趋于无穷时，就得到了直流信号。根据傅里叶理论任何一种波形都是由多条正弦波叠加而成，只是幅值和频率不同。比如1KHZ的方波，基波为1KHZ正弦波，然后叠加了3次，5次等等的高次谐波。傅里叶分解方波，方波除了基波以外还有一系列各次谐波，由它们组成的方波通过低通滤波器，基波附近的频率才能通过低通滤波器，其余的谐波都被阻断了，因此低通滤波器使方波信号通过，得到的波形更接近于正弦。

如果希望电路起到放大作用和滤波功能，则同相比例放大电路起着重要的作用，只要将电路中的电压跟随器替换为同相比例放大器即可。一般來说，一阶滤波器的滤波效果还不够好，采用二阶，三阶的滤波电路，滤波阶数越多，滤波效果越好。输出信号避免失真，在设计滤波电路时相位和时延需要考虑，怎样使信号通过滤波电路的失真小。

结语

正弦波电路在很多领域有着重要的作用，比如：农业领域，工业领域，生物学领域，医学等领域。正弦波振荡电路在各个科学技术领域的应用十分广泛，如：高频感应加热，超声波焊接，超声诊断，核磁共振成像等，都需要功率或大或小，频率或高或低的振荡器。非正弦波电路，一些电子系统，如数字系统需要的特殊信号，如方波，三角波等，就可以通过非正弦产生电路来产生，并且获得了日益广泛的应用。

波形失真，采集波形实际上也是能量传递的过程，削波说明输入信号太大或者放大倍数太大，要是有杂乱的波形可以考虑加上抗干扰电路（输入端加电容滤波），还可以调节电阻和电源。每个电路上电阻，电容的选择非常重要。

运放只用一种电源供电，输出只有一种电压叫做单电源供电。单电源供电，输出电压也只在正电压波形变化，输出波形是变化的。当调理双极性信号时，必须为其提供“直流偏置电压”，使得输出电压以一个正确的电平为中心摆动，一方面可获得最大的动态范围的输出，另一方面是使得输入的负电压能够被正确的输出。直流偏置电压的方法，采用交直流耦合。参考地给出的输入和输出电压，由一个正电源和一个相等的负电源组成双电压供电。其实任何运放的两个电源端，只要满足有足够的压差，运放就可以工作，不存在单电源供电还是双电源供电。

在运放电路中的电阻一般为几千欧至几十千欧较合适，不宜选择的太大或太小，电容不易太小，一般选择100PF至1NF之间。

参考文献

[1]康华光，陈大钦，张林.电子技术基础 模拟部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.