鋸齒波電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鋸齒波電路根據(jù)應(yīng)用的不同又叫掃描電路、時(shí)基斷電路，在一些儀器儀表等電子設(shè)備中經(jīng)常用到的一種單元電路。鋸齒波信號(hào)的明顯的特征是電壓或是電流先隨時(shí)間呈線性增長(zhǎng)，再迅速下降，然后再線性上升，再迅速下降，如此循環(huán)。

下圖所示鋸齒波的參數(shù)主要有幅度Um(Im），掃描時(shí)間T1、回掃時(shí)間T2、周期T=T1+T2，掃描速率Um(Im)/T。

鋸齒波基本參數(shù)

產(chǎn)生鋸齒波最基本的方法就是利用RC充放電路實(shí)現(xiàn)，Q1截止時(shí)電源通過(guò)R1對(duì)C1充電，Q1導(dǎo)通時(shí)Q1將C1短接迅速放電，如下圖所示可以看到大概的鋸齒波形態(tài)，但不是標(biāo)準(zhǔn)鋸齒波，上升曲線呈非線性增長(zhǎng)，因?yàn)殡S著充電時(shí)間電容兩端電壓逐漸升高，通過(guò)R1到C1的充電電流逐漸減小導(dǎo)致電荷積累越來(lái)越慢，從而導(dǎo)致電壓在開(kāi)始上升較快，到后面越來(lái)越慢造成了非線性。

RC充放電電路

RC充放電曲線

據(jù)鋸齒波電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要采取適當(dāng)措施來(lái)提高輸出電壓的線性度，其中的一個(gè)簡(jiǎn)單有效的方法就是采用恒流充電，如下圖所示，增加Q2, VD1, R3組成恒流電路，三極管Q2為恒流源，穩(wěn)壓管VD1使Q1發(fā)射極電流保持恒定。

RC恒流充放電電路

RC恒流充放電曲線

接下來(lái)重點(diǎn)關(guān)注幾個(gè)重點(diǎn)參數(shù)指標(biāo)。

1）充電電流：Ic = (3.6V-0.6V) / 3K = 1mA,這里VD1將R1上的電壓鉗位在3.6-0.6=3V，流過(guò)R1的電流 = 3V / 3K = 1mA，即C1充電電流被恒定在1mA。

2）鋸齒波幅度Um。因有R1分壓，所以C1上充電的最高電壓U = VCC - R1 * Ic = 12V - 3K * 1mA = 9V。根據(jù)電量公式Q = Ic * t = Um* C，Um =Ic * t / C ，其中Ic為充電電流，C為電容C1容量，Um為C1上的電壓，t為充電時(shí)間，可見(jiàn)鋸齒波的最大幅度和充電的速率有關(guān)，而充電速率又和電容容量C和充電電流Ic相關(guān)。

為得到標(biāo)準(zhǔn)鋸齒波，這里假設(shè)輸入的PWM信號(hào)頻率為1K，Duty = 50%，即Q2的關(guān)斷時(shí)間為0.5ms，也就是充電時(shí)間t = 0.5ms，Um = 9V帶入公式得出電容C = Ic* t / Um = 55nF。也就是t = 0.5ms, C = 55nF, Ic = 1mA時(shí)，得到了幅度達(dá)到最大9V的標(biāo)準(zhǔn)鋸齒波，如上圖所示。

通過(guò)上面推導(dǎo)計(jì)算，可以看出其中任何一個(gè)參數(shù)變動(dòng)都會(huì)影響幅度的變化。如果將電容C1容量增大到100nF，若要達(dá)到最大幅值Um = 9V，帶入公式應(yīng)該t = Um * C / Ic = 0.9ms，已經(jīng)＞0.5ms了，超出了充電時(shí)間，所以0.5ms時(shí)達(dá)不到最大幅值的，將他= 0.5ms 帶入公式得出Um = Ic * t / C = 5V，如下圖所示波形。

欠幅

如下如所示同樣將電容C1容量減小到25nF，帶入公式Um = Ic * t / C = 20V，由于供電電壓限制和R1的分壓，Um最大幅度只能去到9V，所以可以看到鋸齒波會(huì)被限幅削頂。由于充電速率提高了所以實(shí)際上達(dá)到最大幅度所需要的的時(shí)間更少了，重新帶入公式 t = Um * C / Ic = 0.225ms，＜0.5ms提前達(dá)到最大幅值。

削頂限幅

綜上，可以得出充電速率超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)鋸齒波速率后就會(huì)出現(xiàn)削頂，反之充電速率低于標(biāo)準(zhǔn)鋸齒波速率后就會(huì)降低幅值。通過(guò)最簡(jiǎn)單的電路及圍繞電量公式Q = Ic * t = Um* C進(jìn)項(xiàng)計(jì)算。

當(dāng)然要達(dá)到高性能的鋸齒波發(fā)生器要求這個(gè)電路還遠(yuǎn)不夠，但能幫助我們理解最本質(zhì)最的基本原理，知其然知其所以然，應(yīng)用起來(lái)就會(huì)得心應(yīng)手。

電路也很簡(jiǎn)單，可以自己動(dòng)手動(dòng)手搭建電路實(shí)驗(yàn)，也可以在電腦上仿真。

審核編輯：湯梓紅