CN101694990B - 斜齿波与pwm脉冲波双联波形发生器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及斜齿波与PWM脉冲波双联波形发生器及其应用，属于自动控制与电子设备领域。双联波形发生器主要由模拟信号驱动器、模拟开关、积分器、滞环比较器组成，模拟信号驱动器的输入端接为双联波形发生器的频率控制端，模拟信号驱动器的二个输出端接模拟开关的二个输入端，模拟开关的输出端与积分器的输入端连接，积分器的另二个输入端接为双联波形发生器的时间常数调整端、斜率控制输入端，积分器的输出端与滞环比较器的输入端连接并接为双联波形发生器的斜齿波输出端，滞环比较器的输出端与模拟开关的控制输入端连接并接为双联波形发生器的脉冲波输出端。双联波形发生器结构简单可靠、体积小、成本低廉、易于集成化，使用灵活方便，适用性强，有着广泛的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及斜齿波与PWM脉冲波双联波形发生器及其应用，属于自动控制与电子设备领域，特别是波形发生器领域。
背景技术
上升斜率与下降斜率不相同的三角波即为斜齿波，三角波、锯齿波均为斜齿波形的特殊形式；而脉宽可变的方波即为PWM脉冲波，方波(占空比固定)为PWM脉冲波形的特殊形式。
斜齿波形与PWM脉冲波形发生器有模拟、数字及模数混合三种形式。
数字式波形发生器通常采用单片机实现，电路比较复杂，占用CPU资源也较多，且成本高、使用不便。
模拟式波形发生器通常为固定频率的三角波、锯齿波与方波发生器，或可通过电阻调节输出波形频率或斜率，难以实现方波振荡频率与三角波斜率及脉冲占空比的电压控制，同时电路适用性较差、使用不够灵活。
而属于模拟与数字混合电路的555集成定时器，电路简单且适用性非常灵活，但要实现方波振荡频率与三角波斜率及脉冲占空比的电压控制其外围电路较为复杂，要实现方波振荡频率与三角波斜率及脉冲占空比的线性控制更为困难。
发明内容
本发明的目的是提供振荡频率与三角波斜率及脉冲占空比可控的斜齿波与PWM脉冲波双联波形发生器及调频拟正弦波发生器。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种斜齿波与PWM脉冲波双联波形发生器，有频率控制输入端Fctrl、斜率控制输入端Sctrl、斜齿波输出端STW、时间常数调整端Tadj、脉冲波输出端PSW、二个电源端即正负电源端+Vp和-Vp、接地端；双联波形发生器主要由模拟信号驱动器、单刀双掷模拟开关、积分器、滞环比较器组成，模拟信号驱动器有模拟信号输入端xs10、二个极性相反的模拟信号输出端xs11与xs12、二个电源端即正负电源端+Vp和-Vp、接地端，模拟开关有控制信号输入端sc20、二个模拟信号输入端ss21与ss22、复合信号输出端ss23、二个电源端即正负电源端+Vp和-Vp，积分器有三个模拟信号输入端gs30与gs31及gs32、模拟信号输出端gs33、二个电源端即正负电源端+Vp和-Vp，滞环比较器有模拟信号输入端bs40、开关信号输出端bs41、二个电源端即正负电源端+Vp和-Vp、接地端；模拟信号驱动器的输入端xs10接为双联波形发生器的频率控制端Fctrl，模拟信号驱动器的输出端xs11与xs12分别接模拟开关的输入端ss21与ss22，模拟开关的输出端ss23与积分器的输入端gs31连接，积分器的输入端gs32接为双联波形发生器的时间常数调整端Tadj，积分器的输入端gs30接为双联波形发生器的斜率控制输入端Sctrl，积分器的输出端gs33与滞环比较器的输入端bs40连接并接为双联波形发生器的斜齿波输出端STW，滞环比较器的输出端bs41与模拟开关的输入端sc20连接并接为双联波形发生器的脉冲波输出端PSW，模拟信号驱动器、模拟开关、积分器与滞环比较器的正负电源端分别相连接并分别接为双联波形发生器的正负电源端+Vp与-Vp。
双联波形发生器的结构框图如图1所示。
所述的模拟信号驱动器由运算放大器A11与A12、阻值相同的电阻R11与R12组成，运放A11的正输入端接为模拟信号驱动器的输入端xs10，运放A11的负输入端与输出端直接连接，即：运放A11接成电压跟随器形式，运放A11的输出端接为模拟信号驱动器的输出端xs11；运放A12的正输入端接地，运放A12的负输入端通过电阻R11接运放A11的输出端，电阻R12跨接在运放A12的负输入端与输出端之间，运放A12与电阻R11及R12构成放大倍数为-1的反相比例放大器，运放A12的输出端接为模拟信号驱动器的输出端xs12，运放A11与A12的正负电源端分别相连接并分别接为模拟信号驱动器的正负电源端+Vp与-Vp，模拟信号驱动器为单个信号输入、二个极性相反信号输出的模拟驱动器。
所述的积分器由运算放大器A31与电阻R31及电容C31组成，电阻R31跨接在积分器的输入端gs31与gs32之间，运放A31的正输入端接为积分器的输入端gs30，运放A31的负输入端接积分器的输入端gs32，电容C31跨接在运放A31的负输入端与输出端之间，运放A31的输出端接为积分器的输出端gs33，运放A31的正负电源端分别接为积分器的正负电源端+Vp与-Vp。
所述的滞环比较器由电压比较器B41、电阻R40与R41组成，比较器B41的负输入端接地，比较器B41的正输入端通过电阻R40接为滞环比较器的输入端bs40，电阻R41跨接在比较器B41的正输入端与输出端之间，比较器B41的输出端接为滞环比较器的输出端bs41，比较器B41的正负电源端分别接为滞环比较器的正负电源端+Vp与-Vp。
所述的单刀双掷模拟开关，其常开触点与常闭触点分别接为模拟开关的输入端ss21与ss22，公共端接为模拟开关的输出端ss23，其开关控制端接为模拟开关的输入端sc20，控制信号为负时常闭触点闭合、常开触点断开，控制信号为正时常闭触点断开、常开触点闭合；单刀双掷模拟开关也可用控制信号互补的双刀单掷模拟开关来实现。
双联波形发生器的电路原理图如图2所示。
当双联波形发生器的频率控制端Fctrl输入电压极性为正时，即：模拟信号驱动器输入端xs10输入正电压时，模拟信号驱动器的输出端xs11输出正电压、xs12输出负电压；斜率控制端Sctrl输入电压的绝对值小于频率控制电压的绝对值，积分器在滞环比较器输出不同状态时其输入电流方向相反。滞环比较器输出电压为负电平时，模拟开关常闭触点闭合(即ss22与ss23连通)，模拟开关输出负电平，积分器输出电压(即滞环比较器的输入电压)逐步升高，当该电压高于滞环比较器的阀值电压时(即比较器正输入端电压高于零时)滞环比较器输出跃变为正电平。滞环比较器输出电压为正电平时，模拟开关常开触点闭合(即ss21与ss23连通)，模拟开关输出正电平，积分器输出电压(即滞环比较器的输入电压)逐步降低，当该电压低于滞环比较器的阀值电压时(即比较器正输入端电压低于零时)滞环比较器输出跃变为低电平；如此循环往复，形成振荡。
模拟信号驱动器输入模拟控制电压，输出二个极性相反(互补)的模拟电压信号；模拟开关在滞环比较器输出的脉冲电压信号的控制下轮流切换来自模拟信号驱动器的二个模拟电压信号，输出一个脉冲幅度与占空比分别受调制的脉冲波形；积分器以输入端gs30的输入电压为基准对脉冲波形进行积分，产生一个斜齿波输出，此斜齿波的斜率受积分器输入电压(或电流)的控制；滞环比较器输入斜齿波信号，输出一个PWM脉冲信号。
双联波形发生器频率控制端Fctrl输入电压越大，积分器输出电压达到阀值电压的速度就越快，振荡频率就与高；斜率控制端Sctrl输入电压绝对值越小，积分器正负输入信号的绝对值差异就越小，斜齿波就越接近三角波，PWM脉冲波形的正负脉冲宽度就越接近，反之斜齿波上升与下降斜率差异就越大，PWM脉冲波形的正负脉冲宽度差异就大。控制端Fctrl的输入电压实现对斜齿波与脉冲波的频率控制，控制端Sctrl的输入电压实现对斜齿波斜率与脉冲波占空比的控制。
双联波形发生器的工作波形图如图3a、3b、3c所示。
本发明斜齿波与PWM脉冲波双联波形发生器属模拟开关混合电路，仅采用半导体器件与阻容元件构成，结构简单可靠、体积小、成本低廉、易于集成化。
双联波形发生器使用灵活方便，适用性强，在信号运算与处理、自控系统及电子仪器设备等方面有着广泛的应用价值。
附图说明
图1斜齿波与PWM脉冲波双联波形发生器的结构框图。
图2斜齿波与PWM脉冲波双联波形发生器的电路原理图。
图3a、3b、3c双联波形发生器的工作波形图。
图4固定频率的三角波与方波发生器。
图5a、5b固定频率的三角波与方波发生器的工作波形。
图6频率可调的三角波与方波发生器。
图7a、7b频率可调的三角波与方波发生器的工作波形。
图8PWM脉冲信号发生器。
图9a、9b PWM脉冲信号发生器的工作波形。
图10调频拟正弦波发生器。
图11a、11b调频拟正弦波发生器的工作波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述。
实施例1
频率固定的三角波与方波发生器
频率固定的三角波与方波发生器如图4所示。
频率固定的三角波与方波发生器由双联波形发生器与电阻R0及电容C0组成。
双联波形发生器的频率控制端Fctrl和斜率控制端Sctrl均接地，电阻R0跨接在脉冲波输出端PSW与时间常数调整端Tadj之间，电容C0跨接在斜齿波输出端STW与时间常数调整端Tadj之间。
双联波形发生器的斜齿波输出端STW输出频率固定的三角波、脉冲波输出端PSW输出频率固定的方波。
不同RC时间常数的固定频率的三角波与方波发生器的工作波形如图5a、5b所示。
实施例2
频率可调的三角波与方波发生器
频率可调的三角波与方波发生器如图6所示。
频率可调的三角波与方波发生器由双联波形发生器与可变电阻R1及电容C1组成。
可变电阻R1的二个固定端分别接正电源与接地、可调端接双联波形发生器的频率控制端Fctrl，双联波形发生器的斜率控制端Sctrl接地，电容C1则跨接在斜齿波输出端STW与时间常数调整端Tadj之间。
双联波形发生器的斜齿波输出端STW输出频率可调的三角波、脉冲波输出端PSW输出频率可调的方波。
频率可调的三角波与方波发生器的工作波形如图7a、7b所示。
实施例3
PWM脉冲信号发生器
PWM脉冲信号发生器如图8所示。
PWM脉冲信号发生器由双联波形发生器与可变电阻R1及电容C1组成。
可变电阻R1的二个固定端分别接正电源与负电源，可调端则接双联波形发生器的斜率控制端Sctrl，频率控制端Fctrl接正电源，而电容C1跨接在斜齿波输出端STW与时间常数调整端Tadj之间。
双联波形发生器的脉冲波输出端PSW输出占空比可调的PWM脉冲电压波形、斜齿波输出端STW输出斜率可调的斜齿波形。
PWM脉冲信号发生器的工作波形如图9a、9b所示。
实施例4
调频拟正弦波发生器
调频拟正弦波发生器主要由双联波形发生器、可变电阻Rp1与Rp2、电阻R1、电容C1、二极管D1与D2或压敏电阻、乘法器M1、驱动器D1组成，如图10所示。
可变电阻Rp1的二个固定端分别接正电源与接地、可调端接双联波形发生器的频率控制端Fctrl，斜率控制端Sctrl接地，电容C1跨接在斜齿波输出端STW与时间常数调整端Tadj之间，电阻R1跨接在双联波形发生器的斜齿波输出端STW与乘法器M1的一个输入端之间，乘法器M1的该输入端通过二极管D1与D2反向并联电路或压敏电阻接地，可变电阻Rp2的二个固定端分别接正负电源端、可调端接乘法器M1的另一个输入端，乘法器M1的输出端接驱动器D1的输入端，驱动器D1的输出端即为调频拟正弦波发生器的输出端。
双联波形发生器、可变电阻Rp1、电容C1组成频率可调的三角波与方波发生器，而可变电阻Rp2、电阻R1、二极管D1与D2或压敏电阻、乘法器M1、驱动器D1则组成幅度可调的三角波——拟正弦波转换电路。
双联波形发生器的脉冲波输出端PSW输出频率可调的方波、斜齿波输出端STW输出频率可调的三角波形，驱动器D1的输出端则输出一个频率与幅度均可调节的近似正弦波的拟正弦波形。
调频拟正弦波发生器的工作波形如图11a、11b所示。
Claims (6)
1.一种斜齿波与PWM脉冲波双联波形发生器，有频率控制输入端Fctrl、斜率控制输入端Sctrl、斜齿波输出端STW、时间常数调整端Tadj、脉冲波输出端PSW、二个电源端即正负电源端+Vp和-Vp、接地端；其特征在于：双联波形发生器主要由模拟信号驱动器、单刀双掷模拟开关、积分器、滞环比较器组成，模拟信号驱动器有模拟信号输入端xs10、二个极性相反的模拟信号输出端xs11与xs12、二个电源端即正负电源端+Vp和-Vp、接地端，模拟开关有控制信号输入端sc20、二个模拟信号输入端ss21与ss22、复合信号输出端ss23、二个电源端即正负电源端+Vp和-Vp，积分器有三个模拟信号输入端gs30与gs31及gs32、模拟信号输出端gs33、二个电源端即正负电源端+Vp和-Vp，滞环比较器有模拟信号输入端bs40、开关信号输出端bs41、二个电源端即正负电源端+Vp和-Vp、接地端；模拟信号驱动器的输入端xs10接为双联波形发生器的频率控制端Fctrl，模拟信号驱动器的输出端xs11与xs12分别接模拟开关的输入端ss21与ss22，模拟开关的输出端ss23与积分器的输入端gs31连接，积分器的输入端gs32接为双联波形发生器的时间常数调整端Tadj，积分器的输入端gs30接为双联波形发生器的斜率控制输入端Sctrl，积分器的输出端gs33与滞环比较器的输入端bs40连接并接为双联波形发生器的斜齿波输出端STW，滞环比较器的输出端bs41与模拟开关的输入端sc20连接并接为双联波形发生器的脉冲波输出端PSW，模拟信号驱动器、模拟开关、积分器与滞环比较器的正负电源端分别相连接并分别接为双联波形发生器的正负电源端+Vp与-Vp。
2.按权利要求1所述的斜齿波与PWM脉冲波双联波形发生器，其特征在于：所述的模拟信号驱动器由运算放大器A11与A12、阻值相同的电阻R11与R12组成，运放A11的正输入端接为模拟信号驱动器的输入端xs10，运放A11的负输入端与输出端直接连接，即：运放A11接成电压跟随器形式，运放A11的输出端接为模拟信号驱动器的输出端xs11；运放A12的正输入端接地，运放A12的负输入端通过电阻R11接运放A11的输出端，电阻R12跨接在运放A12的负输入端与输出端之间，运放A12与电阻R11及R12构成放大倍数为-1的反相比例放大器，运放A12的输出端接为模拟信号驱动器的输出端xs12，运放A11与A12的正负电源端分别相连接并分别接为模拟信号驱动器的正负电源端+Vp与-Vp，模拟信号驱动器为单个信号输入、二个极性相反信号输出的模拟驱动器。
3.按权利要求1所述的斜齿波与PWM脉冲波双联波形发生器，其特征在于：所述的积分器由运算放大器A31与电阻R31及电容C31组成，电阻R31跨接在积分器的输入端gs31与gs32之间，运放A31的正输入端接为积分器的输入端gs30，运放A31的负输入端接积分器的输入端gs32，电容C31跨接在运放A31的负输入端与输出端之间，运放A31的输出端接为积分器的输出端gs33，运放A31的正负电源端分别接为积分器的正负电源端+Vp与-Vp。
4.按权利要求1所述的斜齿波与PWM脉冲波双联波形发生器，其特征在于：所述的滞环比较器由电压比较器B41、电阻R40与R41组成，比较器B41的负输入端接地，比较器B41的正输入端通过电阻R40接为滞环比较器的输入端bs40，电阻R41跨接在比较器B41的正输入端与输出端之间，比较器B41的输出端接为滞环比较器的输出端bs41，比较器B41的正负电源端分别接为滞环比较器的正负电源端+Vp与-Vp。
5.按权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4所述的斜齿波与PWM脉冲波双联波形发生器，其特征在于：所述的单刀双掷模拟开关，其常开触点与常闭触点分别接为模拟开关的输入端ss21与ss22，公共端接为模拟开关的输出端ss23，其开关控制端接为模拟开关的输入端sc20。
6.一种采用斜齿波与PWM脉冲波双联波形发生器的调频拟正弦波发生器，其特征在于：调频拟正弦波发生器主要由如权利要求1所述的双联波形发生器、可变电阻Rp1与Rp2、电阻R1、电容C1、二极管D1与D2或压敏电阻、乘法器M1、驱动器D1组成；可变电阻Rp1的二个固定端分别接正电源与接地、可调端接如权利要求1所述的双联波形发生器的频率控制端Fctrl，斜率控制端Sctrl接地，电容C1跨接在斜齿波输出端STW与时间常数调整端Tadj之间，电阻R1跨接在如权利要求1所述的双联波形发生器的斜齿波输出端STW与乘法器M1的一个输入端之间，乘法器M1的该输入端通过二极管D1与D2反向并联电路或压敏电阻接地，可变电阻Rp2的二个固定端分别接正负电源端、可调端接乘法器M1的另一个输入端，乘法器M1的输出端接驱动器D1的输入端，驱动器D1的输出端即为调频拟正弦波发生器的输出端。
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