的研究工作。
1 電路設計
矩形波發生器電路有多種方案，本設計以運算放大器為核心，由矩形波振蕩電路、幅值調節電路兩部分組成。電路設計方案和元器件選擇的原則是：工作穩定可靠、結構簡單合理、安裝調試方便、性能參數達標。
1．1 矩形波振蕩電路
矩形波振蕩電路(又稱多諧振蕩器)由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成。滯回比較器起開關作用，RC電路的作用是產生暫態過程。RC回路既是延遲環節，亦是反饋網絡，通過RC充、放電過程實現輸出狀態的自動轉換。在運放的輸出端引入限流電阻和兩個背靠背的穩壓管就組成了如圖1所示的雙向限幅矩形波發生器。
圖1中滯回比較器的閾值電壓
假設接通電源時，電容C兩端電壓uc=O，輸出電壓uo=+Uz，則運放同相輸入端電壓up=+UT，二極管VD2導通，VD1截止，uo通過電阻R3和R6給電容C充電，忽略二極管的動態電阻，充電時間常數近似為(R3+R6)C，使運放反相輸入端電壓uN由0逐漸上升，在uN
通常將矩形波輸出高電平的持續時間與振蕩周期的比定義為占空比。圖1所示電路利用二極管的單向導電性使電容充、放電的通路不同，從而使它們的時間常數不同，實現了輸出電壓占空比的調節。
圖1矩形波發生器的輸出電壓幅值等于穩壓管的穩壓值，電路輸出電壓正、負幅度對稱。
由上述分析可知，調節電位器R5或R6可改變矩形波發生器的振蕩頻率及占空比。如果在圖1中電容C處通過一只多路開關投入不同數值的電容，則可實現輸出信號的頻段控制。
在低頻范圍(如10 Hz～1O kHz)以內，對于固定頻率來說，圖1所示電路是一種較好的振蕩電路。當振蕩頻率較高時，為了獲得前后邊沿較陡的矩形波，宜選擇轉換速率較高的運放。
1．2 幅值調節電路
圖1中穩壓管雙向限幅電路結構簡單，選用不同穩壓值的穩壓管可改變輸出電壓，但限幅特性受穩壓管參數影響大，而且輸出限幅電壓完全取決于穩壓管的穩壓值，采用這種方法對輸出電壓進行調整很不方便也很不實用。
為了實現對矩形波發生器輸出電壓幅值的精確調節，同時提高電路帶負載的能力，可在圖1電路輸出端uo處并聯一只可調電位器將輸出電壓進行取樣，并將取樣電壓接至由運放和電阻網絡組成的同相放大電路，通過改變取樣電阻值即可精確調節矩形波輸出電壓的幅值，即構成了占空比、頻率及幅值可調的矩形波信號發生器。
1．3 元件參數選擇
為提高輸出信號頻率和占空比的調節范圍并減小二極管的動態電阻對電路參數的影響，設計電路時R5、R6應遠大于R3。為使電路輸出受頻率影響較小的理想矩形波信號，電容C1和C2取值不宜過小(可取0．01、O．1和1μF)，并選用具有高轉換速率的運算放大器，同時為簡化電路結構，可選用雙集成運放LF353P，其轉換速率(SR)為13 V／μs。
為減小對矩形波振蕩電路輸出信號的影響，設計幅值調節電路時應選用大阻值(可取100 kΩ)電壓取樣電位器。因電路為±12 V雙電源供電，考慮到集成運放最大輸出電壓的限制，設計同相放大電路的電壓放大倍數為2倍，同時反饋電阻不宜過大或過小(可取10 kΩ)。
為分析矩形波信號發生器的帶負載能力，在測量電路的輸出阻抗時，由于電路的閉環輸出電阻極小，而運放的最大輸出電流有限，所以負載電阻的取值不可太小。
2 Multisiin 10仿真分析
在Muhisim 10中建立如圖2所示的矩形波信號發生器，打開仿真開關，觀察電路的起振過程，并觀測當R5、R6及R7變化時電路輸出波形的參數。文中參數及波形以電容C1為例，開關撥至C2時電路的測試方法相同。
R5、R6均為最大值時，矩形波發生器輸出波形的頻率最小，如圖3(a)；R5、R6均為0時，輸出波形頻率最大，如圖3(b)。輸出信號頻率調節范圍為1．77～21．5 kHz。如作為方波信號源(占空比嚴格為50％)使用時，方波信號的頻率調節范圍為2．64—21．5 kHz。
R5為最大值、R6為0時，矩形波發生器輸出波形的占空比最小，如圖4(a)；R5為0、R6為最大值時，輸出波形的占空比最大，如圖4(b)。輸出信號占空比調節范圍為11％～94％。
通過參數掃描分析(Parameter Sweep Analysis)中的瞬態分析(Transient Analysis)選擇電阻R7為掃描元件，設置取樣電阻值由O至最大值時，矩形波輸出電壓幅值在0～10．45 V之間連續可調，如圖5所示。
在圖2電路輸出端并聯一只200 Ω負載電阻，測得電路的輸出阻抗為144 Ω，同理測出未接入幅值調節電路時的輸出阻抗為968 Ω。可見，幅值調節電路提高了矩形波信號發生器的帶負載能力。
3 應用電路測試
選用LF353P雙集成運放(±12 V雙電源供電)，選用1N4001二極管、HZ5C2雙向穩壓管，對圖2所示矩形波信號發生器進行應用電路實測分析，調節電位器R5、R6及R7，通過示波器觀測應用電路的輸出波形分別如圖6、圖7所示。
由圖6、圖7測得矩形波發生器應用電路的輸出波形參數如下：頻率調節范圍為1．72～23．8 kHz，作為方波信號源時頻率調節范圍為2．6～23．8 kHz；占空比調節范圍為11．4％～94％；電壓幅值調節范圍為0～10．5 V；電路的輸出阻抗為224 Ω。未接入幅值調節電路時的輸出阻抗為l 042 Ω。所測參數與Multisim 10仿真分析結果基本接近。
本文亦對電容C2分別取100 nF和1μF時的應用電路進行了測試，綜合測試結果分析可知：圖2矩形波發生器相鄰兩擋頻率的可調范圍互相覆蓋，輸出信號的頻率在16 Hz～23．8 kHz之間連續可調，電路實現了多頻段的控制。
4 理論參數分析
通過對矩形波信號發生器進行理論分析，可知電路理論參數如下：矩形波輸出信號頻率調節范圍為1．92～30．2 kHz，作為方波信號源使用時頻率可調范圍為2．9～30．2 kHz，占空比調節范圍為8．9％～95％，電壓幅值調節范圍為0～10 V，理論參數與Multisim 10仿真分析及應用電路測試結果略有不同，主要是由于電路中二極管的動態電阻以及穩壓二極管的正向導通電壓引起的誤差。
5 結束語
本文在電路設計過程中，先后選用了μA741和LF353P兩種運放電路。通過仿真分析和應用電路測試比較后發現，采用具有高轉換速率的LF353P矩形波發生器輸出波形的上升沿(下降沿)更為陡直，波形更為穩定。
本文設計的矩形波信號發生器的頻率調節范圍可達到16 Hz～23．8 kHz(三頻段控制)，占空比調節范圍可達到11．4％～94％，電壓幅值在0～1O.5V之間連續可調，同時可作為方波信號源使用，為三角波、鋸齒波、階梯波等其他非正弦波信號產生電路的研究工作提供了條件。 Multisim 10仿真分析和應用電路測試結果表明：該電路能產生較理想的可控矩形波信號，具有低失真、簡單實用、調試方便、性能穩定的優點，各項性能指標均達到了設計要求。