許振霞

一種新型的高頻三角波發(fā)生器的設(shè)計(jì)

許振霞

摘要:本文介紹了一種高頻三角波發(fā)生器，系統(tǒng)由晶振作為頻率源，對分頻得到方波信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)整，得到雙極性的對稱方波，通過三角波運(yùn)算電路，得到頻率和幅度穩(wěn)定的三角波。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，輸出信號(hào)頻率穩(wěn)定等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:三角波發(fā)生器；晶振；方波

在通信、雷達(dá)、PWM電力變換等領(lǐng)域，經(jīng)常需要高精度、高頻率的三角波作為載波信號(hào)。傳統(tǒng)方法是采用單片模擬芯片(如NE555等)構(gòu)成振蕩電路來產(chǎn)生三角波，但是頻率穩(wěn)定度差，調(diào)試?yán)щy。隨著嵌入試硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展，采用DDS等新的波形發(fā)生技術(shù)來產(chǎn)生三角波的方法也被廣泛使用[1]，但是硬件組成復(fù)雜，成本過高。本文介紹了一種新的高頻三角波的設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，輸出信號(hào)的頻率穩(wěn)定度高。

1基礎(chǔ)概念

晶振：晶體振蕩器是指從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片(簡稱為晶片)，石英晶體諧振器，簡稱為石英晶體或晶體、晶振。

三角波：(英語：triangle wave)是一種非正弦波，其波形是三角形，因此得名。它具有周期性、分段連續(xù)性，并且是一個(gè)實(shí)函數(shù)。

三角波的無窮傅里葉級(jí)數(shù)展開為：

方波：是一種非正弦曲線的波形，通常會(huì)于電子和訊號(hào)處理時(shí)出現(xiàn)。理想方波只有“高”和“低”這兩個(gè)值。

在現(xiàn)實(shí)世界，方波只有有限的帶寬。由于一般電子零件只有高(1)和低(0)兩個(gè)值，方波就自然產(chǎn)生，并于數(shù)碼開關(guān)電路中廣泛應(yīng)用。因?yàn)榉讲梢钥焖購囊粋€(gè)值轉(zhuǎn)至另一個(gè)(即0→1或1→0)，所以方波就用作時(shí)鐘訊號(hào)來準(zhǔn)確地觸發(fā)同步電路。但是如果用頻率定義域來表示方波，就會(huì)出現(xiàn)一連串的諧波。這可能會(huì)產(chǎn)生電磁波和電流脈波，影響周圍的電路，產(chǎn)生噪聲和錯(cuò)誤，對一些精密儀器如類比數(shù)位資料轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter)影響十分明顯，所以設(shè)計(jì)會(huì)使用正弦波作時(shí)鐘訊號(hào)來代替方波。

在音樂上，方波被視為空洞的聲音，因此會(huì)以減法合成過濾方波作管樂的基礎(chǔ)。另外，電吉他的失真效果(distortion)把波形的外層削去，令波形趨向成為方波。失真越大會(huì)令波形越像方波。

一個(gè)“簡單二能級(jí)萊德馬契函數(shù)”(simple two-level Rademacher function)就是一個(gè)方波。

DDS：DDS同 DSP(數(shù)字信號(hào)處理)一樣，是一項(xiàng)關(guān)鍵的數(shù)字化技術(shù)。DDS是直接數(shù)字式頻率合成器(Direct Digital Synthesizer)的英文縮寫。與傳統(tǒng)的頻率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速轉(zhuǎn)換時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，廣泛使用在電信與電子儀器領(lǐng)域，是實(shí)現(xiàn)設(shè)備全數(shù)字化的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

2系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用晶振作為頻率源，通過起振電路和數(shù)字分頻電路得到頻率和幅度穩(wěn)定的方波，然后以此方波為基準(zhǔn)產(chǎn)生高精度的三角波。由數(shù)字分頻得到的是單極性方波，為得到雙極性的三角波，需要對方波信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)整，再加入適當(dāng)?shù)闹绷髌?，然后對方波信?hào)進(jìn)行積分運(yùn)算放大，得到需要的三角波。圖1為系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖。

圖1高頻三角波發(fā)生器系統(tǒng)框圖

3硬件電路設(shè)計(jì)

3.1　起振電路

系統(tǒng)采用頻率穩(wěn)定的晶振作為頻率源。晶振分為有源和無源兩種，有源晶振雖不需要起振電路可直接輸出頻率信號(hào)，但其輸出的信號(hào)電平是固定的，靈活性較差，而且相對價(jià)格高，無源晶振輸出信號(hào)的電壓大小由外部起振電路決定，因此本系統(tǒng)采用無源晶振作為頻率源。晶振的起振電路種類較多，比較常見有皮爾斯電路(如圖2a)等[2]。本系統(tǒng)采用的起振電路如圖2b，與皮爾斯電路相比，該電路結(jié)構(gòu)簡單，輸出信號(hào)電平更適合于數(shù)字分頻。

圖2　起振電路

3.2　分頻電路

頻率源輸出信號(hào)的頻率是單一的，為得到需要的頻率，需要設(shè)計(jì)分頻電路，其電路輸出的信號(hào)為頻率幅度穩(wěn)定的高頻方波。電路采用CD4040分頻芯片，兩級(jí)分頻，通過選擇開關(guān)來選擇不同的頻率，分頻電路的原理圖如圖3所示。

圖3　分頻器電路

若一級(jí)分頻率為N1，二級(jí)分頻率為N2，則最后輸出方波信號(hào)的頻率為晶振頻率的N1*N2分之一。方波輸出之前通過反相器CD4049可以提高方波信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，輸出信號(hào)的的低電平為0V,高電平為12V，為單極性方波。

3.3　幅度調(diào)整電路

分頻電路輸出的方波為單極性信號(hào)，若想直接得到雙極性三角波信號(hào)，則在積分放大電路中必須加入精確的直流偏置電壓，且直流電壓的幅度為方波信號(hào)幅度的一半，但這一精確電壓往往很難獲得，因此需要設(shè)計(jì)方波幅度調(diào)整電路，輸出對稱的雙極性高頻方波信號(hào)。方波幅度調(diào)整電路的原理圖如圖4所示。

圖4　方波幅度調(diào)整電路

幅度調(diào)整電路主要應(yīng)用三極管的工作特性來進(jìn)行幅度調(diào)整。D1為穩(wěn)壓二極管，正極電壓為-5.1V，此電壓經(jīng)運(yùn)算放大器反相為5.1V，即三極管2N3906的射極電壓始終保持5.1V。方波信號(hào)(Square)的高電平為12V，低電平為0V。

當(dāng)方波為高電平時(shí)，三極管射極電壓低于基極電壓，被截止，此時(shí)三極管的集電極電壓被電阻RL下拉至0V；當(dāng)方波為低電平時(shí)，三極管射極電壓高于其基極電壓，導(dǎo)通，此時(shí)集電極電壓等于其射極電壓為5.1V。因此，圖4中UL方波信號(hào)，低電平為0V，高電平為5.1V。取穩(wěn)壓二極管輸出電壓作直流偏置，通過運(yùn)算放大器之后，其輸出電壓為：

=-2UL+5.1

當(dāng)UL=0V時(shí)Uout=5.1V,當(dāng)UL=5.1時(shí)，Uout=-5.1V時(shí)，因此方波調(diào)整電路輸出信號(hào)為對稱的雙極性高頻方波。

3.4　三角波運(yùn)算電路

將得到雙極性方波，通過三角波運(yùn)算電路，即可得到所需要的高頻三角波。如圖5三角波運(yùn)算電路的原理圖，圖6為實(shí)際電路的輸出波形，采用3.579M的晶振為頻率源，圖6a為分頻得到的112KHz方波信號(hào)，圖6b 為最終得到的112KHz的雙極性三角波信號(hào)。

圖5　三角波運(yùn)算電路

圖6　實(shí)驗(yàn)電路輸出波形

4結(jié)束語

本文提出的高頻三角波發(fā)生器具有很多特點(diǎn)。首先，使用晶振作為頻率源，保證了輸出信號(hào)頻率的穩(wěn)定性；其次，使用數(shù)字分頻得到方波信號(hào)，輸出信號(hào)的頻率是可以按照需要調(diào)節(jié)；最后，系統(tǒng)利用三極管的開關(guān)特性與穩(wěn)壓二極管來實(shí)現(xiàn)方波信號(hào)的幅度調(diào)整，得到了對稱的雙極性方波，為將單極性信號(hào)轉(zhuǎn)換為單極性信號(hào)提供了新的思路。實(shí)踐證明這一設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)的三角波發(fā)生器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，輸出信號(hào)頻率穩(wěn)定。

[參考文獻(xiàn)]

[1]丁勇.一種高精度三角波發(fā)生器的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009，12(2)：162-164.

[2]李德昌.晶體振蕩器[J].國外電子測量技術(shù)，2004，1：19-22.

[3]童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第五版)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]田清華.方波三角波發(fā)生器的設(shè)計(jì)與仿真[J].電子制作,2013(05).

[5]孫辰朔，金祖洋，劉山松，等.基于Howland電流源產(chǎn)生更優(yōu)線性度三角波的設(shè)計(jì)[J].電子器件，2014(03).

責(zé)任編輯：劉海濤

收稿日期：2015-01-03

作者簡介：許振霞，山東淄博師范高等專科學(xué)校教師(山東 淄博 236800)。

中圖分類號(hào):TN741

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-1794(2015)02-0056-04