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(tǒng)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(tǒng)。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(tǒng)和自控系統(tǒng)。

關鍵詞：方波;三角波;正弦波

一、方波發(fā)生電路

因為方波電壓只有兩種狀態(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;因為產生振蕩，就是要求輸出的兩種狀態(tài)自動地相互轉換，所以電路中必須引入反饋;因為輸出狀態(tài)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(huán)節(jié)來確定每種狀態(tài)的維持時間。方波發(fā)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(huán)節(jié)，又作為反饋網絡，通過RC充放電實現輸出狀態(tài)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?yōu)?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?yōu)?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(tài)的自動轉換，便輸出方波。方波發(fā)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(fā)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(fā)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(tài)，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(guī)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(yè)領域，工業(yè)領域，生物學領域，醫(yī)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(tǒng)，如數字系統(tǒng)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(jié)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(tài)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.