运放方波发生器原理分析及实践过程

运放方波发生器

你好！十分感谢你能点开这篇文章，本文主要介绍了如何通过一个运放来设计一个频率和占空比可调的方波发生器。

运算比较器

通常来说，一个运算放大器标识出来的重要端口包括两个输入端和一个输出端。

当运放的 U+ > U-，输出电压为正向饱和电压，即+Vcc（但一般不能完全达到Vcc）。

当运放的 U+ < U-，输出电压为负向饱和电压，即-Vcc）。

一个方波发生器

由上图可以看到，方波发生器由两个反馈网络组成：

（1）同相输入端，R3，R5和输出端组成了正反馈网络。

（2）反向输入端，C1，R2和输出端组成了负反馈网络。

上电之时，U+ = U- = 0，此时输出端为零，当某一时刻，输出端产生了一个微小的电压跳变时，这个微小的电压将会在输入端引起压差，因为理想运放的放大倍数为无穷大，从而使得输出端电压饱和。

如果假设U+ > U-，那么输出端就达到正向饱和，Uo = +Vcc，U+ = (R3xUo)/(R3+R5) = (R3xVcc)/(R3+R5)，电容开始充电，当电容电压大于同相输入端电压时，U- > U+，Uo = -Vcc，U+ = (R3xUo)/(R3+R5) = -(R3xVcc)/(R3+R5)，此时电容开始放电，由此往复，从而产生方波信号。

改变方波频率

改变方波的频率，就要改变电容的充放电时间，电容的时间常数 t = RC（电容的端电压达到最大值的0.63倍时所需要的时间，充电时间常数的大小与电路的电阻有关），实际上，改变电容充放电时间的参数有三个：R，C和V(电容的充电电压，也就是U+)。可以这样理解，在方波发生器中，改变R2，可以改变电容的充放电速度，而改变R5，也就是改变电容的充电电压U+，可以改变电容的充电电压阈值。举个例子，如果此时电容正在充电，当我不改变R2，但把R5调大，U+会减小，那么电容的充电“路程”缩短，于是电容的充放电频率就会变高。如果我不改变R5，但增大R2，那么根据公式 t = RC，方波信号的周期变大，频率变小。

所以，调节R2和R5都可以改变输出信号的频率，一般在调试过程中先调节R5，达到合适的电容充电电压，再调节R2改变电容充放电时间。

（1）下图为输出信号（R2合R5都为50%）：

可以看到，输出电压的峰峰值为22.3v（在上图中，峰峰值电压可以通过观察格子数目估算出来），接近24v，也就是正负电源电压，周期为1.678ms，蓝色的波形为电容的电压。

（2）将R5增大到100%之后的输出电压，R2为50%：

输出电压的峰峰值为22.3v，周期为1.151ms，方波频率变大。

（3）将R2增大到100%后的输出电压，R5为50%：

输出电压的峰峰值为22.3v，周期为3.271ms，方波频率变小。

改变方波信号的占空比

改变方波信号的占空比，也就是改变输出信号的高低电平时间比例，可以设置电容不同的充放电时间来达到目的，从上图可以看到，改变R2和R6就可以使得电容具有不同的充放电时间，其中二极管起到限制电流流向的作用，从而改变输出信号的占空比。

但此时就会遇到一个小问题，由于在最开始上电的时候 U+ = U-，Uo = 0，很难在短时间内引起输出端电压的振荡，所以我对此电路做了一些改进，在运放的同相输入端手动输入一个激励信号。

改进后的方波发生器：

在电路通电之后，闭合开关，此时 U+ > U-，电路开始振荡，然后立即断开开关，于是将会输出一个稳定的方波信号，然后调节R2和R6来改变信号的占空比。

输出信号（R2和R6都为50%）：

将R2调整为30%，R6调整为70%之后的输出信号：

最后，还可以做一些改进

将原来的R2和R6替换成一个滑动变阻器，调整起来将会方便很多。

结语

十分感谢你能看到这里呀，敬礼，salute。

参考网址：

[1] https://baike.baidu.com/item/%E5%85%85%E7%94%B5%E6%97%B6%E9%97%B4%E5%B8%B8%E6%95%B0/953128?fr=aladdin

[2]

https://www.bilibili.com/video/BV1j4411o7bG?from=search&seid=2607954038050956572