多種波形產生與變換電路

張東海

摘 要：波形產生與變換是電子技術中廣泛使用的電路，波形產生電路是產生特定波形，頻率和幅度信號的電路。通過對反相放大器，同相放大器，積分電路，微分電路的理解和使用，產生方波，三角波，正弦波一系列波形。波形變換電路是能把外加輸入信號的波形變換成指定的適合于系統應用和處理的波形。正弦波電路，廣泛應用于通訊，廣播，電視等系統。非正弦波產生電路如方波，三角波，廣泛應用于測量設備，數字系統和自控系統。

關鍵詞：方波;三角波;正弦波

一、方波發生電路

因為方波電壓只有兩種狀態，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;因為產生振蕩，就是要求輸出的兩種狀態自動地相互轉換，所以電路中必須引入反饋;因為輸出狀態應按一定的時間間隔交替變化即產生周期性變化，所以電路中要有延遲環節來確定每種狀態的維持時間。方波發生電路，它由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成RC回路，既作為延遲環節，又作為反饋網絡，通過RC充放電實現輸出狀態的自動轉換。設某一時刻輸出電壓U0等于+U2，同相輸入端電位U3=+U4.輸出電壓通過電阻對電容正向充電。反相輸入端電位隨時間增長而逐漸升高，當時間趨于無窮時，同相輸入端電壓趨于+U2，一旦同相輸入端電位U3=+U4，再稍增大，U0就從+U2躍變為-U2，與此同時同相輸入端電位從+U4變成-U4。隨后，輸出電壓又通過電阻對電容放電。反相輸入端電位隨時間增長而逐漸降低，當時間趨于無窮時，U3趨于-U2，一旦U3=-U4，再稍減小，輸出電壓從-U4躍變為+U4，電容又開始反向充電。而上述過程周而復始，電路產生了輸出狀態的自動轉換，便輸出方波。方波發生電路，改變積分回路時間常數的方法調整頻率，調整范圍較寬。方波發生電路輸出信號的幅度不受電源變化的影響，只適用于低頻應用。

二、三角波發生電路

方波到三角波采用積分電路，積分是一種常見的數學運算，這里討論的是模擬積分。利用虛地和虛斷的概念給電容器進行充電，積分電路輸出電壓和輸入電壓的關系是，輸出是輸入對時間的積分，輸入電壓和輸出電壓在相位上是相反的。當輸入信號為階躍電壓時，在它的作用下，電容器將被充電，輸出電壓與時間的關系為近似線性關系。直流電源電壓限制運放輸出電壓的最大值，運放將進入飽和狀態，輸出電壓不變，而停止積分。如果積分出不來波形，就運放而言，如果同向端接地則需要提供雙電源運放，必須接入交流信號，不能是直流信號，正負電源值不必相等。R向C充電，使輸出電壓按線性規律增長，如果充放電時間不等則會產生鋸齒波，充放電時間相等會產生三角波。通過積分電路輸出波形頻率不變，通過輸出頻率來確定積分電路上電阻值和電容值。積分電路一般選擇較大的電容值，而且電容值不能大于1UF。

三、正弦波產生電路

濾波電路是一種電子裝置，這種電子裝置能抑制無用頻率信號使其不能通過，起到濾波作用。但是能使有用頻率信號通過的濾波裝置。工程上這種濾波裝置常用來做信號處理，除此之外還有數據傳送和抑制干擾等。這里主要指的是模擬濾波器，以往這種濾波電路主要采用無源器件R.L.和C組成。構成一個簡單的一階有源低通濾波電路，電壓跟隨器在一級RC低通電路的輸出端加上的話，這樣就會使與負載很好地隔離開來就構成了一階有源低通濾波電路。由于電壓跟隨器的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，所以，其帶負載的能力變的更強了。

方波通過低通濾波器，通過電容的充放電，把方波快速變化的上升沿和下降沿弄的平滑，當平滑得趨于無窮時，就得到了直流信號。根據傅里葉理論任何一種波形都是由多條正弦波疊加而成，只是幅值和頻率不同。比如1KHZ的方波，基波為1KHZ正弦波，然后疊加了3次，5次等等的高次諧波。傅里葉分解方波，方波除了基波以外還有一系列各次諧波，由它們組成的方波通過低通濾波器，基波附近的頻率才能通過低通濾波器，其余的諧波都被阻斷了，因此低通濾波器使方波信號通過，得到的波形更接近于正弦。

如果希望電路起到放大作用和濾波功能，則同相比例放大電路起著重要的作用，只要將電路中的電壓跟隨器替換為同相比例放大器即可。一般來說，一階濾波器的濾波效果還不夠好，采用二階，三階的濾波電路，濾波階數越多，濾波效果越好。輸出信號避免失真，在設計濾波電路時相位和時延需要考慮，怎樣使信號通過濾波電路的失真小。

結語

正弦波電路在很多領域有著重要的作用，比如：農業領域，工業領域，生物學領域，醫學等領域。正弦波振蕩電路在各個科學技術領域的應用十分廣泛，如：高頻感應加熱，超聲波焊接，超聲診斷，核磁共振成像等，都需要功率或大或小，頻率或高或低的振蕩器。非正弦波電路，一些電子系統，如數字系統需要的特殊信號，如方波，三角波等，就可以通過非正弦產生電路來產生，并且獲得了日益廣泛的應用。

波形失真，采集波形實際上也是能量傳遞的過程，削波說明輸入信號太大或者放大倍數太大，要是有雜亂的波形可以考慮加上抗干擾電路（輸入端加電容濾波），還可以調節電阻和電源。每個電路上電阻，電容的選擇非常重要。

運放只用一種電源供電，輸出只有一種電壓叫做單電源供電。單電源供電，輸出電壓也只在正電壓波形變化，輸出波形是變化的。當調理雙極性信號時，必須為其提供“直流偏置電壓”，使得輸出電壓以一個正確的電平為中心擺動，一方面可獲得最大的動態范圍的輸出，另一方面是使得輸入的負電壓能夠被正確的輸出。直流偏置電壓的方法，采用交直流耦合。參考地給出的輸入和輸出電壓，由一個正電源和一個相等的負電源組成雙電壓供電。其實任何運放的兩個電源端，只要滿足有足夠的壓差，運放就可以工作，不存在單電源供電還是雙電源供電。

在運放電路中的電阻一般為幾千歐至幾十千歐較合適，不宜選擇的太大或太小，電容不易太小，一般選擇100PF至1NF之間。

參考文獻

[1]康華光，陳大欽，張林.電子技術基礎 模擬部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.