CN114024528A - 一种方波发生器电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种方波发生器电路，包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第一二极管、第二二极管、比较器以及第一电容；第一电阻与供电电压源和比较器的同相输入端连接；第二电阻与第一电阻连接；第三电阻与第一电阻和第二二极管连接；第二二极管与比较器的输出端连接；第四电阻与第一电阻和第五电阻连接，第五电阻与比较器的反相输入端连接；第六电阻与第一电阻和比较器的输出端连接；第一二极管与第四电阻和比较器的输出端连接；第一电容与第五电阻连接；比较器的供电端与供电电压源连接，比较器的逻辑接地端以及输出接地端接地；实施本发明能满足产生更高频率的方波的需求且结构简单无需配置复杂的数字电路。

Description

一种方波发生器电路

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种方波发生器电路。

背景技术

常规的方波发生器电路，主要有三类：第一类是利用模拟电路产生。主要是以运算放大器为核心，配合电阻、电容，甚至电感或变压器，通过多谐振荡或自激振荡方式产生方波。第二类是利用数字电路产生。主要是以单片机或其它数字信号处理电路，配合必要的稳压供电电压源、晶振以及其它外围电路，通过数字分频等方式产生方波。第三类是采用如555定时器等模数混合电路产生。主要将这类定时器电路设置成多谐振荡工作模式，通过多谐振荡产生方波。上述第一类方法所得到的方波频率一般不超过50KHz,方波频率过低，无法满足需要高频方波的应用场景。第二类方法需要设定特定的供电电压以及数字信号处理电路，电路结构复杂，成本较高。第三类方法，采用CMos型555电路可得到的稳定实用的方波频率达300kHz左右，方波频率依旧过低。

发明内容

本发明实施例提供一种方波发生器电路，与现有技术相比能够满足产生更高频率的方波的需求且结构简单无需配置复杂的数字电路。

本发明一实施例提供一种方波发生器电路，包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第一二极管、第二二极管、第三二极管、比较器以及第一电容；

所述第一电阻的第一端与供电电压源连接，所述第一电阻的第二端与所述比较器的同相输入端连接；所述第二电阻的第一端与所述第一电阻的第二端连接，所述第二电阻的第二端接地；所述第三电阻的第一端与所述第一电阻的第二端连接，所述第三电阻的第二端与所述第二二极管的正极连接，所述第二二极管的负极与所述第一二极管的负极连接；所述第四电阻的第一端与所述第一电阻的第一端连接，所述第四电阻第二端与所述第五电阻的第一端连接，所述第五电阻的第二端与所述比较器的反相输入端连接；所述第六电阻的第一端与所述第一电阻的第一端连接，所述第六电阻的第二端与所述比较器的输出端连接；所述第一二极管的正极与所述第四电阻的第二端连接，所述第一二极管的负极与所述比较器的输出端连接；所述第一电容的第一端与所述第五电阻的第二端连接，所述第一电容的第二端接地；所述比较器的电源端与所述供电电压源连接，所述比较器的逻辑接地端以及输出接地端接地。

进一步的，所述方波发生器电路同时满足以下条件：

r₅≥10r₄；

其中，r₄为第四电阻的阻值，r₅为第五电阻的阻值，Vah为所述比较器同相输入端处于高电位时的电压值，Val为所述比较器同相输入端处于低电位时的电压值，Vcc为所述供电电压源的供电电压。

进一步的，还包括第三二极管；所述第三二极管的正极与所述第四电阻的第二端连接，所述第三二极管的负极为所述方波发生器的输出禁止端；在所述输出禁止端拉低时，所述方波发生器电路停止输出方波。

进一步的，所述比较器的型号包括：LM119、LM193或LM139。

通过实施本发明实施例具有如下有益效果：

本发明实施例提供了一种方波发生器电路，所述方波发生器电路以比较器为核心结合电容、电阻以及二极管，实现方波输出，通过方波发生器电路内各器件的参数，即可实现输出高频率方波的输出。相比于基于运算放大器为核心，配合电阻、电容，甚至电感或变压器，通过多谐振荡或自激振荡方式产生方波的方法，或采用555定时器等模数混合电路产生方波的方法来说，能够满足产生更高频率的方波的需求。此外本发明所提供的方波发生器电路无需设置数字电路以及稳压供电电压源等其他外围电路，电路结构简单，成本低。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的一种方波发生器电路的结构示意图。

图2是本发明另一实施例提供的一种方波发生器电路的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明一实施例提供了一种方波发生器电路，包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第一二极管D1、第二二极管D2、比较器U1A以及第一电容C1；

所述第一电阻R1的第一端与供电电压源连接，所述第一电阻R1的第二端与所述比较器U1A的同相输入端连接；所述第二电阻R2的第一端与所述第一电阻R1的第二端连接，所述第二电阻R2的第二端接地；所述第三电阻R3的第一端与所述第一电阻R1的第二端连接，所述第三电阻R3的第二端与所述第二二极管D2的正极连接,所述第二二极管D2的负极与所述第一二极管D1的负极连接；所述第四电阻R4的第一端与所述第一电阻R1的第一端连接，所述第四电阻R4第二端与所述第五电阻R5的第一端连接，所述第五电阻R5的第二端与所述比较器U1A的反相输入端连接；所述第六电阻R6的第一端与所述第一电阻R1的第一端连接，所述第六电阻R6的第二端与所述比较器U1A的输出端连接；所述第一二极管D1的正极与所述第四电阻R4的第二端连接，所述第一二极管D1的负极与所述比较器U1A的输出端连接；所述第一电容C1的第一端与所述第五电阻R5的第二端连接，所述第一电容C1的第二端接地；所述比较器U1A的电源端与所述供电电压源连接，所述比较器U1A的逻辑接地端以及输出接地端接地。

电路的具体工作原理如下：

初始上电阶段：

由于比较器U1A内部OC门输出的电路结构特点，供电电压Vcc初始上电时，随着Vcc从0V开始升高，此时比较器U1A同相输入端a点电位Va随Vcc即时分压，则此时a点的电压：

比较器U1A反相输入端c点电位是经由R4以及R5所构成的电阻网络(所构成的电阻网络的阻值为(r4+r5))对第一电容C1充电所得，被第一电容C1电压钳位为低，所以有Va＞Vc，此时比较器U1A内部输出OC门对地不导通，由R6上拉，比较器U1A输出高。其中，r₁为第一电阻R1的阻值，r₂为第二电阻R2的阻值，Vcc为供电电压源的供电电压。

随着Vcc的确定，Va电位被确定。而Vc虽然从0V开始上升滞后于Va，但是经阻值为(r4+r5)的电阻网络对第一电容C1充电，理论上Vc会一直上升到Vcc。所以，从一开始Vc＜Va，经过一段时间充电后必然会达到Vc≥Vah，即比较器反相输入端电压升高到等于甚至大于同相输入端电压，比较器输出翻转，导致比较器U1A内部输出OC门对地导通，比较器U1A输出由高跳变为低。这一期间，第一电容C1的初始充电时间为：

c1为第一电容C1的电容值，r₄为第四电阻R4的阻值，r₅为第五电阻R5的阻值。

稳定工作阶段：

(1)当比较器U1A输出跳变为低后第一二极管D1导通、第二二极管D2导通。忽略第一二极管D1和第二二极管D2导通压降，则b点电位约等于GND，即有Vb≈0V。此时比较器U1A同相输入端a点的电位Va由高电位Vah已跳变为低电位Val,且Val为：

其中，r₃为第三电阻R3的阻值。

a点电位由Vah跳低为Val的同时，第一电容C1开始经由R5放电。第一电容C1经过一段时间放电后必然会达到Vc≤Val，即比较器反相输入端电压降低到等于甚至小于同相输入端电压，比较器输出翻转，导致比较器U1A内部输出OC门对地不导通，由R6上拉，比较器U1A输出由低跳变为高。这段期间第一电容C1的放电时间为：

(2)当比较器U1A输出跳变为高后第一二极管D1以及第二二极管D2反偏截止。比较器U1A同相输入端a点低电位Val已跳变回高电位Vah，同时第一电容C1开始经阻值为(r4+r5)的电阻网络充电，比较器U1A反相输入端c点电位从低电位Val开始逐渐升高，直到Vc≥Vah，即比较器反相输入端电压升高到等于甚至大于同相输入端电压，比较器输出翻转，导致比较器U1A内部输出OC门对地导通，比较器U1A输出由高跳变为低。这段期间第一电容C1的充电时间为：

当比较器U1A输出为低后，又开始重复上述(1)，即D1导通，比较器U1A同相输入端a点高电位Vah跳变为低电位Val，第一电容C1开始经由R5放电……。可见电路经由初始上电阶段后，进入稳定工作阶段后，在稳定工作阶段的(1)和(2)之间不断重复，在比较器U1A同相输入端不断在Val和Vah之间跳变、反相输入端的第一电容C1不断放、充电过程中，比较器U1A的输出端就不断高、低电平跳变而输出方波。

因为第一电容C1充电时间Δt_r对应比较器U1A输出高电平时间段，第一电容C1放电时间Δt_f对应比较器U1A输出低电平时间段，所以输出方波的周期Tp为：

Tp＝Δt_r+Δt_f；

方波的频率f为：

方波的占空比D为：

因此在本发明中根据所需产生的高频方波的频率，调整方波发生器电路中，第一电容C1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4以及第五电阻R5的参数即可使方波发生器输出相对应高频的方波，且由于设置了第二二极管，使得比较器同相输入端Vah和Val的变化，与反相输入端充放电回路完全独立，使比较器反相输入端充放电电流回路简洁单一，进而使得各器件的参数计算简单直接，实际电路易于调试。

示意性的，当供电电压源的电压Vcc为5V～15V，第一电容C1的电容值为10uF,第一电阻R1的阻值为20kΩ，第二电阻R2的阻值为39kΩ,第三电阻R3的阻值为5.1kΩ，第四电阻R4的阻值为10kΩ，第五电阻R5的阻值为270kΩ，第六电阻R6的阻值为3kΩ时，上述方波发生器电路能够输出频率为0.1Hz的方波。

当供电电压源的电压Vcc为5V～15V，第一电容C1的电容值为150pF,第一电阻R1的阻值为10kΩ，第二电阻R2的阻值为11kΩ，第三电阻R3的阻值为43kΩ，第四电阻R4的阻值为1kΩ，第五电阻R5的阻值为11kΩ，第六电阻R6的阻值为1kΩ时，上述方波发生器电路能够输出频率为2.78MHz的方波。

当供电电压源的电压Vcc为5V～15V，第一电容C1的电容值为150pF,第一电阻R1的阻值为10kΩ，第二电阻R2的阻值为11kΩ,第三电阻R3的阻值为51kΩ，第四电阻R4的阻值为1kΩ，第五电阻R5的阻值为11kΩ，第六电阻R6的阻值为510Ω时，上述方波发生器电路能够输出频率为3.12MHz的方波。

需要说明的是，上述各器件参数的设定只是示意性的，3MHz并不是本发明所公开的方波发生器电路所产生的方波频率的极限，还可以更高，工程人员可以根据实际的频率需求，根据本发明所公开的方波放生器的电路结构，进行器件参数的调整以满足频率需求。

在一个优选的实施例中，所述方波发生器电路还同时满足以下条件：

r₅≥10r₄；

在实际情况中，由于比较器U1A输入输出的延迟使得方波输出高电平期间和低电平期间所占时间比例不相等。方波频率越高，输出延迟对于方波输出高电平期间和低电平期间所占时间比例越高，实际输出的方波高电平时间与上文所计算出来的Δt_r的误差越大，而实际输出的方波低电平时间与Δt_f的误差越大。由此就导致Vcc在宽范围(例如10V的浮动范围)内变化时，方波的频率和占空比就会发生一定的变化，使得输出的方波不稳定，为此在这一实施例中，通过设置方波发生器电路中各个器件的参数值，使得方波发生器电路同时满足r₅＞10r₄；

这两个条件，即可使得所述方波发生器电路所输出的方波在宽供电电压范围内，保持频率和占空比几乎不发生改变，从而提高所输出的方波的稳定性。

具体的，当方波发生器电路满足r₅≥10r₄时，会使得第一电容C1的充电时间约等于放电时间，即(r4+r5)·c1≈r5·c1；当方波发生器电路满足

时，就使得比较器U1A同相输入端高低电压跳变的中心电压为0.5Vcc，高电压Vah高于0.5Vcc的距离等于低电压Val低于0.5Vcc的距离。这意味着第一电容C1的充电起始电压Val、充电理论最终电压Vcc、充电截止电压Vah，对应放电起始电压Vah、放电理论最终电压0V，放电截止电压Val，三者以0.5Vcc为中心具有“对称性”，以0.5Vcc为中心，Vcc与0V“对称”，Val与Vah“对称”，亦即可以得到关于0.5Vcc完全对称的充电曲线与放电曲线。充电和放电曲线范围相同、充电和放电曲线斜率绝对值和斜率变化率的绝对值总是相同,则：

进而有：

则：Δt_r≈Δt_f；

从上述推理可以得出，当方波发生器电路同时满足r₅≥10r₄和

时，可以使得方波发生器电路所发出的方波的占空比大致在50％，使得输出的方波更加的稳定。

示意性的下表为实际工程试验中在Vcc＝5V～15V，采用型号为LM119的高速比较器U1A，在上述发生器电路满足r₅≥10r₄以及

时，所生成的方波频率和占空比。

从上表可以看出，在实际工程试验中在供电电压为5V～15V的宽电压范围的条件下，本发明这一实施例所提供的方波发生器电路的方波频率和方波占空比基本保持不变。需要说明的是，在其他可选的实施例中，r₅也可以不满足r₅≥10r₄这一条件，只需要保持r₅远远大于r₄即可。

如图2所示，在一个优选的实施例中，所述方波发生器电路，还包括第三二极管D3；所述第三二极管D3的正极与所述第四电阻R4的第二端连接，所述第三二极管D3的负极为所述方波发生器的输出禁止端；在所述输出禁止端拉低时，所述方波发生器电路停止输出方波。

在这一实施例中，在方波发生器电路中增设了第三二极管D3和对应的输出禁止端

输出禁止端

悬空或拉高时，该端不参与比较器U1A同相输入端和反相输入端电位的变化，电路可以正常工作输出方波。当输出禁止端

被拉低时，第三二极管D3，b点的电位被拉低，比较器U1A同相输入端电位Va被钳位于Vah，比较器U1A反相输入端电位Vc经R5被放电并钳位于约等于0V，因为Vah＞Vc，所以比较器U1A内部输出OC门对地不导通，由R6上拉，比较器U1A输出一直为高。因此电路方波输出被禁止。通过增设第三二极管D3和对应的输出禁止端

能让用户更灵活方便地控制方波的输出或禁止，并能更出色地控制电路的功耗。

在一个优选的实施例中，所述第六电阻R6的阻值为1KΩ。所述比较器U1A的型号包括：LM119、LM193或LM139等。当然第六电阻R6的具体阻值以及比较器U1A的型号可以根据实际的工程情况进行选定。

通过实施本发明上述实施例，具有如下效果：

(1)采用比较器实现的方法比采用运放实现的方法得到的方波频率高得多，方波幅值也大得多。相比以运算放大器为核心，配合电阻、电容，甚至电感或变压器，通过多谐振荡或自激振荡方式产生方波的方法，所得方波频率往往只有20kHz以内，且方波幅值较小、方波边沿陡度较差的情况相比；本发明以比较器为核心，配合电阻和电容，即实现了频率高达2MHz、幅值可高达15V的方波输出。本发明所提供的方波发生器电路，在高频、高压摆率、高幅值方面，具有显著优点。

(2)采用比较器实现方法，比数字电路实现方法电路简单得多，也不需要专门的稳压供电电压源，供电电压范围宽得多。相比以单片机或其它数字信号处理电路，配合必要的稳压供电电压源、晶振以及其它外围电路，通过分频等方式产生方波的方法，本发明所提供的方波发生器电路以高速比较器为核心，配合电阻和电容，即实现了频率高达2MHz、幅值可高达15V的方波输出，不需要稳压供电电压源、晶振以及其它数字信号处理电路的外围电路。在电路简洁、可靠、供电电压范围超宽等方面，具有显著优点。

(3)采用比较器实现方法，比采用双极型555定时器模数混合电路产生高频方波的方法得到的稳定方波频率更高，比采用CMos型555定时器模数混合电路具有更好的防静电能力、抗干扰性和更强的驱动能力。

(4)工作可靠、稳定，能应用于军用等高可靠应用场合。电路原理直观，参数计算和调试简单，起振可靠，在超宽电压供电、频率稳定性、占空比稳定性等方面都具有优异的性能，能应用于军用等高可靠性应用场合。

(5)能完全国产化。不论是采用高速比较器，还是普通比较器，都是常见的国产集成电路。本案所提的一种能适应超宽供电电压的高频方波发生器电路，所用比较器集成电路、二极管、电阻、电容等外围元器件，都能完全国产化。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种方波发生器电路，其特征在于，包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第一二极管、第二二极管、比较器以及第一电容；

所述第一电阻的第一端与供电电压源连接，所述第一电阻的第二端与所述比较器的同相输入端连接；所述第二电阻的第一端与所述第一电阻的第二端连接，所述第二电阻的第二端接地；所述第三电阻的第一端与所述第一电阻的第二端连接，所述第三电阻的第二端与所述第二二极管的正极连接，所述第二二极管的负极与所述第一二极管的负极连接；所述第四电阻的第一端与所述第一电阻的第一端连接，所述第四电阻第二端与所述第五电阻的第一端连接，所述第五电阻的第二端与所述比较器的反相输入端连接；所述第六电阻的第一端与所述第一电阻的第一端连接，所述第六电阻的第二端与所述比较器的输出端连接；所述第一二极管的正极与所述第四电阻的第二端连接，所述第一二极管的负极与所述比较器的输出端连接；所述第一电容的第一端与所述第五电阻的第二端连接，所述第一电容的第二端接地；所述比较器的电源端与所述供电电压源连接，所述比较器的逻辑接地端以及输出接地端接地。

2.如权利要求1所述的方波发生器电路，其特征在于，所述方波发生器电路还同时满足以下条件：

其中，r₄为第四电阻的阻值，r₅为第五电阻的阻值，Vah为所述比较器同相输入端处于高电位时的电压值，Val为所述比较器同相输入端处于低电位时的电压值，Vcc为所述供电电压源的供电电压。

3.如权利要求1所述的方波发生器电路，其特征在于，还包括第三二极管；所述第三二极管的正极与所述第四电阻的第二端连接，所述第三二极管的负极为所述方波发生器的输出禁止端；在所述输出禁止端拉低时，所述方波发生器电路停止输出方波。

4.如权利要求1所述的方波发生器电路，其特征在于，所述比较器的型号包括：LM119、LM193或LM139。

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