本發(fā)明涉及一種三角波的發(fā)生裝置和調(diào)節(jié)方法。

背景技術(shù)：

人們在認(rèn)識自然、改造自然的過程中，經(jīng)常需要對各種各樣的電子信號進(jìn)行測量，因而如何根據(jù)被測量電子信號的不同特征和測量要求，靈活、快速的選用不同特征的信號源成了現(xiàn)代測量技術(shù)值得深入研究的課題。信號源主要給被測電路提供所需要的已知信號(各種波形)，然后用其它儀表測量感興趣的參數(shù)。

三角波發(fā)生器就是信號源的一種。

傳統(tǒng)的三角波發(fā)生電路由兩部分組成。兩個部分均由集成運算放大器、電阻和電容構(gòu)成。前一部分電路實現(xiàn)滯回比較器的功能，后一部分實現(xiàn)積分電路。滯回比較器可以產(chǎn)生穩(wěn)定的方波信號，再通過積分電路積分產(chǎn)生所需要的三角波。

傳統(tǒng)的三角波發(fā)生電路針對特定的頻率的方波信號，通過積分電路產(chǎn)生所需要的三角波。電路產(chǎn)生特定頻率的三角波。調(diào)節(jié)電路中的電阻的阻值和電容的容量，可以改變頻率。

傳統(tǒng)三角波發(fā)生電路適用于低壓場合，往往需要和功率放大電路組合使用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種新的三角波產(chǎn)生方法，這種方法結(jié)構(gòu)簡單、控制簡便、無需運放、反饋電路?？芍苯佑糜谳^大輸出功率的場合。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種三角波的發(fā)生裝置和調(diào)節(jié)方法，其結(jié)構(gòu)特征包括：一塊單片機系統(tǒng)、一個PWM驅(qū)動放大電路、五個功率開關(guān)，兩個電容、一個直流電源和一個可調(diào)電阻。五個功率開關(guān)分別為第一功率開關(guān)、第二功率開關(guān)、第三功率開關(guān)、第四功率開關(guān)和第五功率開關(guān)。兩個電容分別為第一電容、第二電容

單片機系統(tǒng)產(chǎn)生三路PWM波信號：兩路互補的開關(guān)PWM信號和一路電源PWM信號。三路PWM信號經(jīng)過驅(qū)動放大電路輸出。單片機系統(tǒng)和驅(qū)動電路組成了信號發(fā)生電路。電源PWM信號通過驅(qū)動電路隔離放大后，用于第五功率開關(guān)，與直流電壓源一起輸出矩形波。兩路互補的開關(guān)PWM信號通過驅(qū)動電路隔離放大后，輸出4路隔離的PWM信號，其中2路PWM信號用于驅(qū)動第一功率開關(guān)和第三功率開關(guān)；另外2路互補PWM信號用于驅(qū)動第二功率開關(guān)和第四功率開關(guān)。第一電容并聯(lián)在第一功率開關(guān)和第二功率開關(guān)串聯(lián)連接后的兩端，第二電容并聯(lián)在第三功率開關(guān)和第四功率開關(guān)串聯(lián)連接后的兩端。第二功率開關(guān)和第三功率開關(guān)的兩端作為矩形波的輸入端。

第一電容和第二電容的兩端作為三角波的輸出端。五個功率開關(guān)和兩個電容構(gòu)成三角波發(fā)生電路。

由單片機系統(tǒng)產(chǎn)生三路PWM波信號：兩路互補的開關(guān)PWM信號和一路電源PWM信號。三路PWM信號經(jīng)過驅(qū)動放大電路輸出。電源PWM信號通過驅(qū)動電路隔離放大后，用于第五功率開關(guān)，與直流電壓源DC一起輸出周期為T、占空比為D的矩形波。前半電源周期[0，DT]輸出電壓為u_i，后半電源周期[(1-D)T，T]輸出電壓為0。

兩路互補的開關(guān)PWM信號通過驅(qū)動電路隔離放大后，輸出4路周期為T_s、占空比為D_s隔離的PWM信號；其中2路PWM信號用于驅(qū)動第一功率開關(guān)和第三功率開關(guān)；另外2路互補PWM信號用于驅(qū)動第二功率開關(guān)和第四功率開關(guān)。在前半開關(guān)周期[0，D_sT_s]，第一功率開關(guān)和第三功率開關(guān)閉合；在后半開關(guān)周期[(1-D_s)T_s，T]，第二功率開關(guān)和第四功率開關(guān)閉合。

在前半電源周期[0，DT]的一個開關(guān)周期中，第一電容C₁上升時間為前半個開關(guān)周期[0，D_sT_s]，后半開關(guān)周期[(1-D_s)T_s，T_s]電壓保持不變。第二電容上升時間為后半個開關(guān)周期[(1-D_s)T_s，T_s]，前半個開關(guān)周期電壓[0，D_sT_s]保持不變。串聯(lián)電阻為r，第一電容值和第二電容值相等。則在一個開關(guān)周期中，第一電容的電壓表達(dá)式為：

(其中τ＝rc，c為電容值，u_c1(t₀)為電容初始電壓值)期間第二電容的電壓表達(dá)式為：

在一個開關(guān)周期中，輸出電壓表達(dá)式為：

電容下一個開關(guān)周期的電壓可以通過迭代上一個開關(guān)周期末的電壓值。

第一電容上升時間為前半個開關(guān)周期即[0，D_sT_s]，后半開關(guān)周期[(1-D_s)T_s，T_s]電壓保持不變。第二電容上升時間為后半個開關(guān)周期[(1-D_s)T_s，T_s]，前半個開關(guān)周期電壓[0，D_sT_s]保持不變。所以在下一個開關(guān)周期中第一電容的電壓為：

化簡得：

同理，下一個開關(guān)周期中第二電容的電壓為：

在一個電源周期T中，于是有

根據(jù)所輸入的矩形波頻率，調(diào)節(jié)串聯(lián)電阻r。使電路的時間常數(shù)τ是約為T_r(上升時間)的2倍或以上。輸入矩形波高電平時間為三角波的上升時間，矩形波的低電平時間為三角波下降時間。

后半個電源周期(1-D)T末第一電容C₁和第二電容C₂的放電結(jié)束的電壓值為下一個電源周期的初始值。因此：

由此解得：

三角波的峰峰值為

化簡得

D、T、u_i為常量，因此上式取決于τ的大小。峰峰值可由r調(diào)節(jié)，r越大峰峰值越小。

由三角波的輸出電壓

可知，三角波的幅值可由輸入矩形波的幅值來調(diào)節(jié)。

本發(fā)明提供了一種新的三角波產(chǎn)生方法，這種方法結(jié)構(gòu)簡單、控制簡便、無需運放、反饋電路。可直接用于較大輸出功率的場合。

附圖說明：

圖1是三角波發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)圖。

圖2是三角波發(fā)生裝置中MOSFET的接收的PWM信號波形圖。

圖1和圖2中：u_i是輸入電壓，u_out是輸出電壓。S₁、S₂、S₃和S₄是第一功率開關(guān)管、第二功率開關(guān)管、第三功率開關(guān)管和第四功率開關(guān)管。D是PWM波信號的占空比，T_S是開關(guān)周期。

圖3是輸出為10KHz占空比為50％的三角波仿真圖。

圖4為輸出為1KHz占空比為50％的三角波仿真圖。

圖5為輸出為1KHz占空比為20％的三角波仿真圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1所示一種三角波的發(fā)生裝置和調(diào)節(jié)方法，其結(jié)構(gòu)特征包括：一塊單片機系統(tǒng)M₁、一個PWM驅(qū)動放大電路M₂、五個功率開關(guān)，兩個電容、一個直流電源DC和一個可調(diào)電阻r。五個功率開關(guān)分別為第一功率開關(guān)S₁、第二功率開關(guān)S₂、第三功率開關(guān)S₃、第四功率開關(guān)S₄和第五功率開關(guān)S₅。兩個電容分別為第一電容C₁、第二電容C₂。

單片機系統(tǒng)產(chǎn)生三路PWM波信號：兩路互補的開關(guān)PWM信號和一路電源PWM信號。三路PWM信號經(jīng)過驅(qū)動放大電路輸出。單片機系統(tǒng)和驅(qū)動電路組成了信號發(fā)生電路。電源PWM信號通過驅(qū)動電路隔離放大后，用于第五功率開關(guān)S₅，與直流電壓源DC一起輸出矩形波。兩路互補的開關(guān)PWM信號通過驅(qū)動電路隔離放大后，輸出4路隔離的PWM信號，其中2路PWM信號用于驅(qū)動第一功率開關(guān)S₁和第三功率開關(guān)S₃；另外2路互補PWM信號用于驅(qū)動第二功率開關(guān)S₂和第四功率開關(guān)S₄。第一電容C₁并聯(lián)在第一功率開關(guān)S₁和第二功率開關(guān)S₂串聯(lián)連接后的兩端，第二電容C₂并聯(lián)在第三功率開關(guān)S₃和第四功率開關(guān)S₄串聯(lián)連接后的兩端。第二功率開關(guān)S₂和第三功率開關(guān)S₃的兩端作為矩形波的輸入端。

第一電容C₁和第二電容C₂的兩端作為三角波的輸出端。五個功率開關(guān)S₁～S₅和兩個電容C₁～C₂構(gòu)成三角波發(fā)生電路。

由單片機系統(tǒng)產(chǎn)生三路PWM波信號：兩路互補的開關(guān)PWM信號和一路電源PWM信號。三路PWM信號經(jīng)過驅(qū)動放大電路輸出。電源PWM信號通過驅(qū)動電路隔離放大后，用于第五功率開關(guān)S₅，與直流電壓源DC一起輸出周期為T、占空比為D的矩形波。前半電源周期[0，DT]輸出電壓為u_i，后半電源周期[(1-D)T，T]輸出電壓為0。

兩路互補的開關(guān)PWM信號通過驅(qū)動電路隔離放大后，輸出4路周期為T_s、占空比為D_s隔離的PWM信號；其中2路PWM信號用于驅(qū)動第一功率開關(guān)S₁和第三功率開關(guān)S₃；另外2路互補PWM信號用于驅(qū)動第二功率開關(guān)S₂和第四功率開關(guān)S₄。在前半開關(guān)周期[0，D_sT_s]，第一功率開關(guān)S₁和第三功率開關(guān)S₃閉合；在后半開關(guān)周期[(1-D_s)T_s，T_s]第二功率開關(guān)S₂和第四功率開關(guān)S₄閉合。兩組PWM信號使功率開關(guān)管交替導(dǎo)通。

功率開關(guān)管由驅(qū)動電路提供PWM信號進(jìn)行驅(qū)動，驅(qū)動電路與各個開關(guān)的柵極連接。取信號頻率為100kHz。

首先采用PWM控制芯片產(chǎn)生PWM信號，驅(qū)動電路提供驅(qū)動各個MOSFET的PWM信號，控制MOSFET導(dǎo)通和關(guān)斷。產(chǎn)生的PWM信號如圖2所示。

在前半電源周期[0，DT]的一個開關(guān)周期中，第一電容C₁上升時間為前半個開關(guān)周期[0，D_sT_s]，后半開關(guān)周期[(1-D_s)T_s，T_s]電壓保持不變。第二電容上升時間為后半個開關(guān)周期[(1-D_s)T_s，T_s]，前半個開關(guān)周期電壓[0，D_sT_s]保持不變。串聯(lián)電阻為r，第一電容值和第二電容值相等。則在一個開關(guān)周期中，第一電容的電壓表達(dá)式為：

(其中τ＝rc，c為電容值，u_c1(t₀)為電容初始電壓值)期間第二電容的電壓表達(dá)式為：

在一個開關(guān)周期中，輸出電壓表達(dá)式為：

電容下一個開關(guān)周期的電壓可以通過迭代上一個開關(guān)周期末的電壓值。

第一電容上升時間為前半個開關(guān)周期即[0，D_sT_s]，后半開關(guān)周期[(1-D_s)T_s，T_s]電壓保持不變。第二電容上升時間為后半個開關(guān)周期[(1-D_s)T_s，T_s]，前半個開關(guān)周期電壓[0，D_sT_s]保持不變。所以在下一個開關(guān)周期中第一電容的電壓為：

化簡得：

同理，下一個開關(guān)周期中第二電容的電壓為：

在一個電源周期T中，于是有

根據(jù)所輸入的矩形波頻率，調(diào)節(jié)串聯(lián)電阻r。使電路的時間常數(shù)τ是約為T_r(上升時間)的2倍或以上。輸入矩形波高電平時間為三角波的上升時間，矩形波的低電平時間為三角波下降時間。

后半個電源周期(1-D)T末第一電容C₁和第二電容C₂的放電結(jié)束的電壓值為下一個電源周期的初始值。因此：

由此解得：

三角波的峰峰值為

化簡得

D、T、u_i為常量，因此上式取決于τ的大小。峰峰值可由r調(diào)節(jié)，r越大峰峰值越小。

由三角波的輸出電壓

可知，三角波的幅值可由輸入矩形波的幅值來調(diào)節(jié)。

本發(fā)明具體工作過程如下：

第一個狀態(tài)：第一功率開關(guān)管S₁和第三功率開關(guān)管S₃閉合，第二功率開關(guān)管S₂和第四功率開關(guān)管S₄斷開。在這個狀態(tài)下，第一電容C₁通過輸入電源充電直至第一功率開關(guān)管S₁和第三功率開關(guān)管S₃斷開。

第二個狀態(tài)：第一功率開關(guān)管S₁和第三功率開關(guān)管S₃斷開，第二功率開關(guān)管S₂和第四功率開關(guān)管S₄閉合。在這個狀態(tài)下，第二電容C₂通過輸入電源充電直至第二功率開關(guān)管S₂和第四功率開關(guān)管S₄斷開。

第二狀態(tài)結(jié)束后，新的開關(guān)周期從第一狀態(tài)開始。

具體仿真：

輸入電源為頻率為10KHz、占空比為50％、幅值為30V的矩形波，開關(guān)頻率為100kHz，C₁為100μf，C₂為100μf。電阻r為0.5歐姆，仿真結(jié)果如下圖3所示。

輸入電源為頻率為1KHz、占空比為50％、幅值為30V的矩形波，開關(guān)頻率為100kHz，C₁為100μf，C₂為100μf，r＝5歐姆仿真結(jié)果如圖4所示。

輸入電源頻率為1kHz、占空比為0.2、幅值為30V的矩形波，開關(guān)頻率為100kHz，C₁為100μf，C₂為100μf，r＝8歐姆。仿真結(jié)果如圖5所示。

由此本發(fā)明提供了一種新的三角波產(chǎn)生方法，這種方法結(jié)構(gòu)簡單、控制簡便、無需運放、反饋電路?？芍苯佑糜谳^大輸出功率的場合。

上述具體仿真用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。