CN106788347A

CN106788347A - 一种三角波的发生装置和调节方法

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Publication number: CN106788347A
Application number: CN201710029878.1A
Authority: CN
Inventors: 蔡慧; 张子省; 陈卫民
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2017-01-12
Filing date: 2017-01-12
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2037-01-12
Also published as: CN106788347B

Abstract

本发明公开了一种三角波的发生装置和调节方法。利用一种开关电容电路，通过控制四个MOSFET导通和关断使第一电容和第二电容不断地充电放电；通过调节串联电阻r，控制第一电容和第二电容的充放电时间常数。输入矩形波高电平时间为三角波的上升时间，矩形波的低电平时间为三角波下降时间。三角波的峰峰值，取决于τ的大小。三角波的幅值可由输入矩形波的幅值来调节。

Description

一种三角波的发生装置和调节方法

技术领域

本发明涉及一种三角波的发生装置和调节方法。

背景技术

人们在认识自然、改造自然的过程中，经常需要对各种各样的电子信号进行测量，因而如何根据被测量电子信号的不同特征和测量要求，灵活、快速的选用不同特征的信号源成了现代测量技术值得深入研究的课题。信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号(各种波形)，然后用其它仪表测量感兴趣的参数。

三角波发生器就是信号源的一种。

传统的三角波发生电路由两部分组成。两个部分均由集成运算放大器、电阻和电容构成。前一部分电路实现滞回比较器的功能，后一部分实现积分电路。滞回比较器可以产生稳定的方波信号，再通过积分电路积分产生所需要的三角波。

传统的三角波发生电路针对特定的频率的方波信号，通过积分电路产生所需要的三角波。电路产生特定频率的三角波。调节电路中的电阻的阻值和电容的容量，可以改变频率。

传统三角波发生电路适用于低压场合，往往需要和功率放大电路组合使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的三角波产生方法，这种方法结构简单、控制简便、无需运放、反馈电路。可直接用于较大输出功率的场合。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种三角波的发生装置和调节方法，其结构特征包括：一块单片机系统、一个PWM驱动放大电路、五个功率开关，两个电容、一个直流电源和一个可调电阻。五个功率开关分别为第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关、第四功率开关和第五功率开关。两个电容分别为第一电容、第二电容

单片机系统产生三路PWM波信号：两路互补的开关PWM信号和一路电源PWM信号。三路PWM信号经过驱动放大电路输出。单片机系统和驱动电路组成了信号发生电路。电源PWM信号通过驱动电路隔离放大后，用于第五功率开关，与直流电压源一起输出矩形波。两路互补的开关PWM信号通过驱动电路隔离放大后，输出4路隔离的PWM信号，其中2路PWM信号用于驱动第一功率开关和第三功率开关；另外2路互补PWM信号用于驱动第二功率开关和第四功率开关。第一电容并联在第一功率开关和第二功率开关串联连接后的两端，第二电容并联在第三功率开关和第四功率开关串联连接后的两端。第二功率开关和第三功率开关的两端作为矩形波的输入端。

第一电容和第二电容的两端作为三角波的输出端。五个功率开关和两个电容构成三角波发生电路。

由单片机系统产生三路PWM波信号：两路互补的开关PWM信号和一路电源PWM信号。三路PWM信号经过驱动放大电路输出。电源PWM信号通过驱动电路隔离放大后，用于第五功率开关，与直流电压源DC一起输出周期为T、占空比为D的矩形波。前半电源周期[0，DT]输出电压为u_i，后半电源周期[(1-D)T，T]输出电压为0。

两路互补的开关PWM信号通过驱动电路隔离放大后，输出4路周期为T_s、占空比为D_s隔离的PWM信号；其中2路PWM信号用于驱动第一功率开关和第三功率开关；另外2路互补PWM信号用于驱动第二功率开关和第四功率开关。在前半开关周期[0，D_sT_s]，第一功率开关和第三功率开关闭合；在后半开关周期[(1-D_s)T_s，T]，第二功率开关和第四功率开关闭合。

在前半电源周期[0，DT]的一个开关周期中，第一电容C₁上升时间为前半个开关周期[0，D_sT_s]，后半开关周期[(1-D_s)T_s，T_s]电压保持不变。第二电容上升时间为后半个开关周期[(1-D_s)T_s，T_s]，前半个开关周期电压[0，D_sT_s]保持不变。串联电阻为r，第一电容值和第二电容值相等。则在一个开关周期中，第一电容的电压表达式为：

(其中τ＝rc，c为电容值，u_c1(t₀)为电容初始电压值)期间第二电容的电压表达式为：

在一个开关周期中，输出电压表达式为：

电容下一个开关周期的电压可以通过迭代上一个开关周期末的电压值。

第一电容上升时间为前半个开关周期即[0，D_sT_s]，后半开关周期[(1-D_s)T_s，T_s]电压保持不变。第二电容上升时间为后半个开关周期[(1-D_s)T_s，T_s]，前半个开关周期电压[0，D_sT_s]保持不变。所以在下一个开关周期中第一电容的电压为：

化简得：

同理，下一个开关周期中第二电容的电压为：

在一个电源周期T中，于是有

根据所输入的矩形波频率，调节串联电阻r。使电路的时间常数τ是约为T_r(上升时间)的2倍或以上。输入矩形波高电平时间为三角波的上升时间，矩形波的低电平时间为三角波下降时间。

后半个电源周期(1-D)T末第一电容C₁和第二电容C₂的放电结束的电压值为下一个电源周期的初始值。因此：

由此解得：

三角波的峰峰值为

化简得

D、T、u_i为常量，因此上式取决于τ的大小。峰峰值可由r调节，r越大峰峰值越小。

由三角波的输出电压

可知，三角波的幅值可由输入矩形波的幅值来调节。

本发明提供了一种新的三角波产生方法，这种方法结构简单、控制简便、无需运放、反馈电路。可直接用于较大输出功率的场合。

附图说明：

图1是三角波发生装置的结构图。

图2是三角波发生装置中MOSFET的接收的PWM信号波形图。

图1和图2中：u_i是输入电压，u_out是输出电压。S₁、S₂、S₃和S₄是第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管和第四功率开关管。D是PWM波信号的占空比，T_S是开关周期。

图3是输出为10KHz占空比为50％的三角波仿真图。

图4为输出为1KHz占空比为50％的三角波仿真图。

图5为输出为1KHz占空比为20％的三角波仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示一种三角波的发生装置和调节方法，其结构特征包括：一块单片机系统M₁、一个PWM驱动放大电路M₂、五个功率开关，两个电容、一个直流电源DC和一个可调电阻r。五个功率开关分别为第一功率开关S₁、第二功率开关S₂、第三功率开关S₃、第四功率开关S₄和第五功率开关S₅。两个电容分别为第一电容C₁、第二电容C₂。

单片机系统产生三路PWM波信号：两路互补的开关PWM信号和一路电源PWM信号。三路PWM信号经过驱动放大电路输出。单片机系统和驱动电路组成了信号发生电路。电源PWM信号通过驱动电路隔离放大后，用于第五功率开关S₅，与直流电压源DC一起输出矩形波。两路互补的开关PWM信号通过驱动电路隔离放大后，输出4路隔离的PWM信号，其中2路PWM信号用于驱动第一功率开关S₁和第三功率开关S₃；另外2路互补PWM信号用于驱动第二功率开关S₂和第四功率开关S₄。第一电容C₁并联在第一功率开关S₁和第二功率开关S₂串联连接后的两端，第二电容C₂并联在第三功率开关S₃和第四功率开关S₄串联连接后的两端。第二功率开关S₂和第三功率开关S₃的两端作为矩形波的输入端。

第一电容C₁和第二电容C₂的两端作为三角波的输出端。五个功率开关S₁～S₅和两个电容C₁～C₂构成三角波发生电路。

由单片机系统产生三路PWM波信号：两路互补的开关PWM信号和一路电源PWM信号。三路PWM信号经过驱动放大电路输出。电源PWM信号通过驱动电路隔离放大后，用于第五功率开关S₅，与直流电压源DC一起输出周期为T、占空比为D的矩形波。前半电源周期[0，DT]输出电压为u_i，后半电源周期[(1-D)T，T]输出电压为0。

两路互补的开关PWM信号通过驱动电路隔离放大后，输出4路周期为T_s、占空比为D_s隔离的PWM信号；其中2路PWM信号用于驱动第一功率开关S₁和第三功率开关S₃；另外2路互补PWM信号用于驱动第二功率开关S₂和第四功率开关S₄。在前半开关周期[0，D_sT_s]，第一功率开关S₁和第三功率开关S₃闭合；在后半开关周期[(1-D_s)T_s，T_s]第二功率开关S₂和第四功率开关S₄闭合。两组PWM信号使功率开关管交替导通。

功率开关管由驱动电路提供PWM信号进行驱动，驱动电路与各个开关的栅极连接。取信号频率为100kHz。

首先采用PWM控制芯片产生PWM信号，驱动电路提供驱动各个MOSFET的PWM信号，控制MOSFET导通和关断。产生的PWM信号如图2所示。

在一个开关周期中，输出电压表达式为：

化简得：

同理，下一个开关周期中第二电容的电压为：

在一个电源周期T中，于是有

由此解得：

三角波的峰峰值为

化简得

由三角波的输出电压

可知，三角波的幅值可由输入矩形波的幅值来调节。

本发明具体工作过程如下：

第一个状态：第一功率开关管S₁和第三功率开关管S₃闭合，第二功率开关管S₂和第四功率开关管S₄断开。在这个状态下，第一电容C₁通过输入电源充电直至第一功率开关管S₁和第三功率开关管S₃断开。

第二个状态：第一功率开关管S₁和第三功率开关管S₃断开，第二功率开关管S₂和第四功率开关管S₄闭合。在这个状态下，第二电容C₂通过输入电源充电直至第二功率开关管S₂和第四功率开关管S₄断开。

第二状态结束后，新的开关周期从第一状态开始。

具体仿真：

输入电源为频率为10KHz、占空比为50％、幅值为30V的矩形波，开关频率为100kHz，C₁为100μf，C₂为100μf。电阻r为0.5欧姆，仿真结果如下图3所示。

输入电源为频率为1KHz、占空比为50％、幅值为30V的矩形波，开关频率为100kHz，C₁为100μf，C₂为100μf，r＝5欧姆仿真结果如图4所示。

输入电源频率为1kHz、占空比为0.2、幅值为30V的矩形波，开关频率为100kHz，C₁为100μf，C₂为100μf，r＝8欧姆。仿真结果如图5所示。

由此本发明提供了一种新的三角波产生方法，这种方法结构简单、控制简便、无需运放、反馈电路。可直接用于较大输出功率的场合。

上述具体仿真用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种三角波的发生装置和调节方法，其结构特征包括：

①一块单片机系统M₁、一个PWM驱动放大电路M₂、五个功率开关，两个电容、一个直流电源DC和一个可调电阻r。五个功率开关分别为第一功率开关S₁、第二功率开关S₂、第三功率开关S₃、第四功率开关S₄和第五功率开关S₅。两个电容分别为第一电容C₁、第二电容C₂。

②单片机系统产生三路PWM波信号：两路互补的开关PWM信号和一路电源PWM信号。三路PWM信号经过驱动放大电路输出。单片机系统和驱动电路组成了信号发生电路。电源PWM信号通过驱动电路隔离放大后，用于第五功率开关S₅，与直流电压源DC一起输出矩形波。两路互补的开关PWM信号通过驱动电路隔离放大后，输出4路隔离的PWM信号，其中2路PWM信号用于驱动第一功率开关S₁和第三功率开关S₃；另外2路互补PWM信号用于驱动第二功率开关S₂和第四功率开关S₄。第一电容C₁并联在第一功率开关S₁和第二功率开关S₂串联连接后的两端，第二电容C₂并联在第三功率开关S₃和第四功率开关S₄串联连接后的两端。第二功率开关S₂和第三功率开关S₃的两端作为矩形波的输入端。

③第一电容C₁和第二电容C₂的两端作为三角波的输出端。五个功率开关S₁～S₅和两个电容C₁～C₂构成三角波发生电路。

2.一种用于权利1所述的三角波的发生装置和调节方法，其控制步骤如下：

①由单片机系统产生三路PWM波信号：两路互补的开关PWM信号和一路电源PWM信号。三路PWM信号经过驱动放大电路输出。电源PWM信号通过驱动电路隔离放大后，用于第五功率开关S₅，与直流电压源DC一起输出周期为T、占空比为D的矩形波。前半电源周期[0，DT]输出电压为M_i，后半电源周期[(1-D)T，T]输出电压为0。

②两路互补的开关PWM信号通过驱动电路隔离放大后，输出4路周期为T_s、占空比为D_s隔离的PWM信号；其中2路PWM信号用于驱动第一功率开关S₁和第三功率开关S₃；另外2路互补PWM信号用于驱动第二功率开关S₂和第四功率开关S₄。在前半开关周期[0，D_sT_s]，第一功率开关S₁和第三功率开关S₃闭合；在后半开关周期[(1-D_s)T_s，T_s]第二功率开关S₂和第四功率开关S₄闭合。

③在前半电源周期[0，DT]的一个开关周期中，第一电容C₁上升时间为前半个开关周期即[0，D_sT_s]，后半开关周期[(1-D_s)T_s，T_s]电压保持不变。第二电容上升时间为后半个开关周期[(1-D_s)T_s，T_s]，前半个开关周期电压[0，D_sT_s]保持不变。假设串联电阻为r，第一电容值和第二电容值相等。则在一个开关周期中，第一电容的电压表达式为：

\{\begin{matrix} u_{c 1} (t_{0} + t) = u_{i} + [u_{c 1} (t_{0}) - u_{i}] e^{\frac{- t}{τ}}, 0 \leq t \leq D_{s} T_{s} \\ u_{c 1} (t_{0} + t) = u_{i} + [u_{c 1} (t_{0}) - u_{i}] e^{- \frac{{DT}_{s}}{τ}}, D_{s} T_{s} \leq t \leq T_{s} \end{matrix}

\{\begin{matrix} u_{c 2} (t_{0} + t) = u_{i} + [u_{c 2} (t_{0}) - u_{i}] e^{\frac{- t_{0}}{τ}}, 0 \leq t \leq D_{s} T_{s} \\ u_{c 2} (t_{0} + t) = u_{i} + [u_{c 2} (t_{0}) - u_{i}] e^{\frac{- ({DT}_{s} + t)}{τ}}, D_{s} T_{s} \leq t \leq T_{s} \end{matrix}

在一个开关周期中，输出电压表达式为：

\{\begin{matrix} u_{o} (t_{0} + t) = 2 u_{i} + [u_{c 2} (t_{0}) - u_{i}] e^{\frac{- t_{0}}{τ}} + [u_{c 1} (t_{0}) - u_{i}] e^{\frac{- t}{τ}}, 0 \leq t \leq D_{s} T_{s} \\ u_{o} (t_{0} + t) = 2 u_{i} + [u_{c 2} (t_{0}) - u_{i}] e^{\frac{- ({DT}_{s} + t)}{τ}} + [u_{c 1} (t_{0}) - u_{i}] e^{\frac{- {DT}_{s}}{τ}}, D_{s} T_{s} \leq t \leq T_{s} \end{matrix}

\{\begin{matrix} u_{c 1} (t_{0} + T_{s} + t) = u_{i} + [u_{i} + [u_{c 2} (t_{0}) - u_{i}] e \frac{- D_{s} T_{s}}{τ} - u_{i}] e^{\frac{- t}{τ}}, 0 \leq t \leq D_{s} T_{s} \\ u_{c 1} (t_{0} + T_{s} + t) = u_{i} + [u_{i} + [u_{c 2} (t_{0}) - u_{i}] e^{\frac{- D_{s} T_{s}}{τ}} - u_{i}] e^{\frac{- {DT}_{s}}{τ}}, D_{s} T_{s} \leq t \leq T_{s} \end{matrix}

化简得：

\{\begin{matrix} u_{c 1} (t_{0} + T_{s} + t) = u_{i} + [u_{c 2} (t_{0}) - u_{i}] e^{\frac{- (D_{s} T_{s} + t)}{τ}}, 0 \leq t \leq D_{s} T_{s} \\ u_{c 1} (t_{0} + T_{s} + t) = u_{i} + [u_{c 2} (t_{0}) - u_{i}] e^{\frac{- 2 D_{s} T_{s}}{τ}}, D_{s} T_{s} \leq t \leq T_{s} \end{matrix}

下一个开关周期中第二电容的电压为：

\{\begin{matrix} u_{c 1} (t_{0} + T_{s} + t) = u_{i} + [u_{c 2} (t_{0}) - u_{i}] e^{\frac{- (D_{s} T_{s} + t_{0})}{τ}}, 0 \leq t \leq D_{s} T_{s} \\ u_{c 1} (t_{0} + T_{s} + t) = u_{i} + [u_{c 2} (t_{0}) - u_{i}] e^{\frac{- (2 D_{s} T_{s} + t)}{τ}}, D_{s} T_{s} \leq t \leq T_{s} \end{matrix}

在一个电源周期[0，T]中，于是有

\{\begin{matrix} u_{o} (t_{0} + t) = 2 u_{i} + [u_{c 2} (t_{0}) - u_{i}] e^{\frac{- t}{2 τ}} + [u_{c 1} (t_{0}) - u_{i}] e^{\frac{- t}{2 τ}}, 0 \leq t \leq D T \\ u_{o} (t_{0} + t) = 2 u_{i} + [u_{c 2} (t_{0}) - u_{i}] e^{\frac{- (t_{0} + D T + t)}{2 τ}} + [u_{c 1} (t_{0}) - u_{i}] e^{\frac{- (t_{0} + D T + t)}{2 τ}}, D T \leq t \leq T \end{matrix}

④根据所输入的矩形波频率，调节串联电阻r。使电路的时间常数τ是约为T_r(上升时间)的2倍或以上。输入矩形波高电平时间为三角波的上升时间，矩形波的低电平时间为三角波下降时间。

后半个电源周期[(1-D)T，T]末第一电容C₁和第二电容C₂的放电结束的电压值为下一个电源周期的初始值。因此：

u_{c 1} (t_{0}) = u_{c 2} (t_{0}) = {u_{i} + [u_{c 1} (t_{0}) - u_{i}] e^{\frac{- (D T)}{2 τ}}} e^{\frac{- (1 - D) T}{2 τ}}

由此解得：

u_{c 1} (t_{0}) = u_{c 2} (t_{0}) = u_{i} \cdot (e^{- \frac{(1 - D) T}{2 τ}} - e^{- \frac{T}{2 τ}}) / (1 - e^{- \frac{T}{2 τ}})

三角波的峰峰值为

2 u_{i} + [u_{c 2} (t_{0}) - u_{i}] e^{\frac{- D T}{2 τ}} + [u_{c 1} (t_{0}) - u_{i}] e^{\frac{- D T}{2 τ}} - u_{c 1} (t_{0}) - u_{c 2} (t_{0})

化简得

\frac{e^{\frac{T}{2 τ}} - e^{\frac{D T}{2 τ}}}{e^{\frac{T}{2 τ}} - 1} u_{i}

⑤D、T、u_i为常量，因此上式取决于τ的大小。峰峰值可由r调节，r越大峰峰值越小。

由三角波的输出电压

\{\begin{matrix} u_{o} (t_{0} + t) = 2 u_{i} + [u_{c 2} (t_{0}) - u_{i}] e^{\frac{- t}{2 τ}} + [u_{c 1} (t_{0}) - u_{i}] e^{\frac{- t}{2 τ}}, 0 \leq t \leq D T \\ u_{o} (t_{0} + t) = 2 u_{i} + [u_{c 2} (t_{0}) - u_{i}] e^{\frac{- (t_{0} + D T + t)}{2 τ}} + [u_{c 1} (t_{0}) - u_{i}] e^{\frac{- (t_{0} + D T + t)}{2 τ}}, D T \leq t \leq T \end{matrix}

可知，三角波的幅值可由输入矩形波的幅值来调节。