0-10v 幅度可调锯齿波发生器设计（ 燕山大学电气工程学院）摘要：锯齿波是常用的基本测试信号。

在无线电通信、测量、自动化控制等技术领域广泛地应用着。

如在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定规律运动，以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波产生器作为时基电路。

因此锯齿波发生器是学习，科学研究等方面不可缺少的工具。

在三角波发生器的基础上，改变积分电路的充放电时间，从而便可以得到锯齿波发生器。

本论文设计了一款锯齿波发生器，它信号参数可调，且电路结构简单，性能较好。

关键字：锯齿波发生器，运算放大器，EDA ，Multisim 91 引言在日常生活中，以及一些科学研究中，常常会应用到锯齿波发生器。

例如，要在示波器荧光屏上不失真地观察到被测信号波形，要求在水平偏转板加上随时间作线性变化的电压——锯齿波电压，使电子束沿水平方向匀速搜索荧光屏。

而电视机中显像管荧光屏上的光点，是靠磁场变化进行偏转的，所以需要用锯齿波电流来控制。

本电路中锯齿波发生器主要是用集成运算放大器实现的，它具有结构简单，调试方便等特点。

2 电路设计本论文中，锯齿波发生器是运用相关器件组合而产生的电路，其中一个非常重要的部件就是集成运算放大器，以及由集成运算放大器组成的滞回比较器、积分器。

用集成运放实现的电路结构简单，调整方便。

2.1 幅度可调锯齿波发生器的原理如果在三角波发生电路中,有意识地使积分电路充电和放电的时间常数相差悬殊,则在积分电路的输出端即可得到锯齿波信号。

要实现幅度可调,则需将控制输出电压幅度的相应参数设置成可调参数即可。

2.2 器件与单元电路的介绍2.2.1集成运算放大器图1是集成运放的符号图，1、2端是信号输入端，3、4是工作电压端，5是输出端，在实际中还有调零端，频率补偿端和偏置端等辅助端。

集成运算放大器的输入级通常由差分放大电路组成，因此一般具有两个输入端以及一个输出端。

图中标有“+”号的是同相输入端，标有“—”号的是反相输入端，当信号从同相端输入时，输出信号和输入信号同相，反之则反相。

当集成运放工作在线性区时，它的输入信号电压和输出信号电压的关系是：odo n p A U U U =- （1） 式中od A 是运放器的放大倍数，od A 是非常大的，可达几十万倍，这是运算放大器和差分放大器的区别，而且集成运放器的两个输入端对地输入阻抗非常高，一般达几百千欧到几兆欧，因此在实际应用中，常常把集成运放器看成是一个“理想运算放大器”。

理想运算放大器的两个重要指标为：（1）差模输入阻抗为∞；（2）开环差模电压增益A od 为∞。

根据这两项指标可知，当理想运算放大器工作在线性区时，因为其输入阻抗为∞，因此在其两个输入端均没有电流，即在图1中021==I I ，如同两点被断开一样，这种现象称为“虚断”。

又因为∞=od A ，根据输入和输出端的关系：odo n p A U U U =-，所以认为运放的同相输入端与反相输入端两点的电压相等，如同将该两点短路一样。

这种现象成为“虚短”。

“虚短”和“虚断”是理想运放工作在线性区时的两个重要结论，常常作为分析许多运放电路的出发点。

当理想运放工作在非线性区时，则“虚短”现象不复存在。

图1 集成运算放大器2.2.2 滞回比较器滞回比较器具有电路简单、灵敏度高等优点。

在比较电路当中，如果输入电压受到干扰或噪声的影响，在门限电平上下波动，则输出电压将在高、低两个电平之间反复地跳变，如在控制系统中发生这种情况，将对执行机构产生不利的影响。

滞回比较器则克服了单限比较器的这种缺陷。

滞回比较器又名施密特触发器，其电路如图2所示。

图2 滞回比较器电路原理图输入电压U i 经电阻2R 加在集成运放的反相输入端，参考电压U ref 经电阻1R 接在同相输入端，此外从输出端通过电阻R f 引回同相输入端。

电阻3R 和背靠背稳压管VD z 的作用是限幅，将输出电压的幅度限制在±U z 。

在本电路中，当集成运方反相输入端与同相输入端的电位相等，即+-=U U 时，输出端的状态将发生跳变。

其中U +则由参考电压U ref 及输出电压U o 二者共同决定，而U o 有两种可能的状态：+U z 或－U z 。

由此可见，这种比较器有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状，如图3所示。

图3 滞回比较器的传输特性下面对此电路进行定性的分析：利用叠加原理可求得同相输入端的电位为： o f22ref f 2f U R R R U R R R U ++++＝ （2） 若原先U o =+U z ,当U i 逐渐增大时，使U o 从+U z 跳变为—U z 所需的门限电平用U T ＋表示，由上式可知：z f22ref f 2f T U R R R U R R R U ++++＝ （3） 若原先U o =－U z ，当U i 逐渐减小，使U o 从—U z 跳变为+U z 所需的门限电平用U T －表示，则：z f22ref f 2f T U R R R U R R R U +-+-＝ （4） 上述两个门限电平之差成为门限宽度，用符号T U ∆表示，由以上两式可求得：z f22T T T U R R 2R U U U +∆-+＝－＝ （5） 由此可见，门限宽度T U ∆的值取决于稳压管的稳定电压U z 以及电阻2R 和f R 的值，但与参考电压U ref 无关。

也就是说，当U ref 增大或减小时，滞回比较器的传输特性将平行地右移或左移，但滞回曲线的宽度将保持不变。

说明滞回比较器的抗干扰能力强。

当输入信号受干扰或噪声的影响而上下波动时，只要根据干扰或噪声电平适当调整滞回比较器两个门限电平U T ＋和U T —的值，就可以避免比较器的输出电压在高低电平间反复跳变。

2.2.3 积分电路积分电路时一种应用比较广泛的模拟信号运算电路，它是组成模拟计算机的基本单元，可以实现对微分方程的模拟。

同时，积分电路也是控制和测量系统中常用的重要单元，利用其充放电过程可以实现延时、定时以及各种波形的产生。

电路组成如图4，根据理想运放工作在线型区时“虚短”和“虚断”的特点可知：电路的输出电压U o 与电容两端的电压U c 成正比，而电路的输入电压U i 与流过电容的电流i c 成正比，即U o 与U i 之间成为积分运算关系。

图4 积分电路由于集成运放的反相输入端“虚地”，故c o U U -=可见输出电压与电容两端电压成正比。

又由于“虚断”，运方反相输入端的电流为零，则c i i =，故R i iR U c i ==1即输入电压与流过电容的电流成正比。

由以上几个表达式可得：dt U 1dt i C 1U U i c c o ⎰⎰--RC ＝＝＝－ （6） 由此可知，当输入电压为矩形波时，通过积分换算，输出电压即可转变为三角波。

2.3 0-10v 幅度可调锯齿波发生器整体电路2.3.1 电路组成图5所示为一个锯齿波发生电路。

图中集成运放A 1组成滞回比较器；二极管VD 1、VD 2和电位器R w ，使积分电路的充放电回路分开，故A 2组成充放电时间常数不等的积分电路。

调节电位器R w 滑动端的位置，使R w1远小于R w2，则电容放电的时间常数将比充电的时间常数小得多，于是放电过程很快，而充电过程很慢，即可得锯齿波。

滞回比较器输出的矩形波加在积分电路的反相输入端，而积分电路输出的锯齿波又接到滞回比较器的同相输入端，控制滞回比较器输出端的状态发生跳变，从而在A 2的输出端得到周期性的锯齿波。

图5 0—10 v 幅度可调锯齿波发生器整体电路2.3.2工作原理假设初始时刻滞回比较器输出端为高电平，而且假设积分电容上的初始电压为零。

由于A 1同相输入端的电压U +同时与U o1和U o 有关，根据叠加原理，可得：o 2121o 211U R R R U R R R U ++++＝ （7）则此时U +也为高电平。

但当z 1o U U +＝时，积分电路的输出电压U o 将随着时间往负方向线性增长，U +随之减小，当减小至0==-+U U 时，滞回比较器的输出端将发生跳变，使z 1o U U -＝，同时U+将跳变为一个负值。

以后，积分电路的输出电压将随着时间往正方向线性增长，U +也随之增大，当增大至0==-+U U 时，滞回比较器的输出端再次发生跳变，使z 1o U U +＝,同时U +也跳变为一个正值。

然后重复以上过程，于是可得滞回比较器的输出电压1o U 为矩形波，而由于积分电路的充放电时间不等，故积分电路输出电压Uo 为锯齿波。

如图6所示：图6 锯齿波发生电路的波形图由上图可知，当1o U 发生跳变时，锯齿波输出U o 达到最大值U om ，而1o U 发生跳变的条件是： 0==-+U U ，将条件z 1o U U -＝，0=+U 代入（7）式，可得：m o 212z 211U R R R U -R R R 0+++）（＝ （8） 由此可解得锯齿波输出的幅度为：z 21om U R R U ＝(9) 要使得幅度可调，由（9）式可知，改变参数1R 即可，所以实际电路中1R 采用滑动变阻器；调节滑动变阻器即可改变锯齿波的输出幅度。

从而满足设计要求。

3.电路仿真3.1 multisim9仿真软件的介绍加拿大的Interactive Image Technologies 公司(简称IIT 公司)从21世纪80年代开始陆续推出了EWB5.0、Multisim2001、Multisim7、Multisim8，它们已经为电子工程师和广大电子专业的师生所熟悉，并得到广泛应用。

IIT 公司于2005 年12月发布了最新电子仿真软件Multisim 9。

它将以前推出的EWB5.0和Multi sim 2001版本功能大大提高，比如EWB5.0版本，在做电路仿真实验调用虚拟仪器时，一个品种每次只能调用一台，这是一个很大的缺陷。

又如Multi sim 2001版本，它的与实际元件相对应的现实性仿真元件模型只有6种，而Multi sim 9版本增加到10种；Multi sim 2001版本的虚拟仪器只有11种，而Multi sim 9版本增加到17种；特别象示波器这种最常用的电子仪器，Multi sim 2001版本只能提供双踪示波器，而Multi sim9版本却能提供4踪示波器，这给诸如试做数字电路仿真实验等需要同时观察多路波形提供了极大的方便。

又比如Multi sim2001版本只能提供“亮”与“灭”两种状态黑白指示灯，而Multi sim9版本却能提供蓝、绿、红、黄、白5种颜色的指示灯，使用起来更加方便和直观。

总之，Multi sim9版本电子仿真软件是比较先进、功能最强大的仿真软件，是仿真软件的佼佼者。

当启用后，它的基本界面如图7所示：图7 Multisim7的基本界面基本界面最上方是菜单栏(Menus)，共11项，包括编辑、视图等。