可变占空比方波发生器的设计与应用
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图3-6 555定时器+集成运放方波发生器电路
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4 可变占空比方波发生器的仿真设计
4.1 集成运放电路方波发生器的仿真设计
4.1.1 运放方波发生器元器件选择
由于二极管的动态电阻存在，其对输出信号占空比有一定的影响，为减小对电路的影响，应时R1、R2应远大于R3[12]。同时为了减少电路对输出方波信号的频率的影响，电容C1的数值应适中，不宜过小。对于迟滞电压比较器的选择，应该选用高效率的运算放大器。稳压二极管的选择上，应考虑到输出端电压，应保证其在稳压二极管工作电压区间内。而对于整流二极管应考虑其工作电压范围，合理选择，参考表4-1。综合考虑以上分析，具体参数如表4-2所示。
表4-1 整流1N4001二极管参数表
[13]
电压（V） 50 100 200 400 600 800 1000 型号 1N4001 1N4001 1N4001 1N4001 1N4001 1N4001 1N4001
电流（A） 1 1 1 1 1 1 1 表4-2集成运放方波发生器元器件选择
参数名称 R1 R2 R3 R4 R5 R6 C1
参数或型号 0~47k 0~100k 5.1k 2.0k 51k 10k 50nF 参数名称 VEE VCC D1 D2 D3 D4 U1B 参数或型号 -12V 12V 1N4001 1N4001 BZT52H-C5V6 BZT52H-C5V6 LF353P 4.1.2 集成运放方波发生器仿真电路
结合表4-2，在仿真软件Multisim中进行电路建立、分析与仿真，仿真电路如图4-1所示。
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图4-1 集成运放方波发生器仿真电路
4.1.3 集成运放方波发生器仿真结果
经过在仿真软件Multisim的电路建立，经测试准备无误后，通过控制电阻R1和R2的阻值，来分析电路输出方波的波形与占空比。当可变电阻R1调到50%，R2也调到50%，其仿真结果如图4-2（a）所示周期为T=1.538ms，占空比D=0.656。可变电阻R1调到85%，R2也调到50%，其仿真结果如图4-2（b）所示，此时其周期为T=1.812ms，占空比D=0.547。
（a）电阻R1、R2调到50%、50%的方波信号 （b）电阻R1、R2调到85%、50%的方波信号
图4-2 集成运放方波发生器仿真结果
4.1.4 集成运放方波发生器仿真分析
如图4-2所示，仿真结果中我们可以看出，控制电路中R1和R2数值可以调节方波信号的占空比。但是由于迟滞电压比较器和其他元器件参数设定值达不到理想的原因，
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高电平跃降到低电平或者低电平跃迁到高电平时，需要一定跃迁时间，存在一定的斜率，故达不到垂直情况。
当R1调到42.5%，R2调到47%，此时方波的周期T=1.402ms，高电平持续时间t=0.094ms，占空比D=0.671，如图4-3（a）所示。当R1调到100%，R2调到20%，，此时方波的周期T=1.402ms，高电平持续时间占t=1.402ms，占空比D=0.329如图4-3（b）。此时可以发现图4-3中a图和b图的方波信号的周期相同，占空比不同，且占空比相加等于1。
（a）电阻R1、R2调到42.5%、47%的方波信号 （b）电阻R1、R2调到100%、20%的方波信号
图4-3 集成运放方波发生器仿真结果
对于此方案的占空比调节范围：当R1=47k（滑动变阻器此时阻值为最大），R2=0（滑动变阻器此时阻值为最小），此时方波的周期T=1.026ms，高电平持续时间t=0.094ms，占空比D=t/T=0.0916（最小），如图4-4（a）所示。当R1=0（滑动变阻器此时阻值为最小），R2=100k（滑动变阻器此时阻值为最大），此时方波的周期T=1.949ms，高电平持续时间占t=1.846ms，占空比D=t/T=0.9471（最大），如图4-4（b）所示。
（a）电阻R1、R2调到100%、0%的方波信号 （b）电阻R1、R2调到0%、100%的方波信号
图4-4 集成运放方波发生器仿真结果
综上此方案占空比的调节范围0.0916—0.9471，调节范围很理想。但是其方波信号的由高点平转到低电平或者低电平转高点平时，其跃变不是垂直的，存在一定斜率。
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4.2 555定时器方波发生器的仿真设计
4.2.1 555定时器方波发生器元器件选择
此设计方案采用的是双极性555定期器，我们知道双极性的555定时器VCC端电压范围是4.5~ 16V，此电路我们选用5V。根据双极性555定时器的性质，控制电压是没有用到，应该是串入一个0.01μF的电容，以防止干扰。电阻分压器由二个定值和一个可变电阻的等值电阻串联而成，为了得到具有较大占空比调节范围的方波信号，可变电阻R2应远大于R1和R3[14]。
综合考虑以上分析，具体参数如表4-3所示。
表4-3 555定时器方波发生器元器件选择
参数名称 R1 R2 R3 D1 D2 参数或型号 1k 0~12.3k 1k 1N5719 1N5719 参数名称 C1 C2 Vs 555 参数或型号 0.1μF 0.01μF 5V NE555
4.2.2 555定时器方波发生器仿真电路
结合表4-3，在仿真软件Multisim中进行电路建立、分析与仿真，仿真电路如图4-5所示。
图4-5 555定时器方波发生器仿真电路