锯齿波或指数斜坡张弛振荡器很常见并且通常易于构建。然而，有时需要更清晰的波形，而均匀对称波形的发生器设计起来有点困难。 三角波发生器通常使用运算放大器积分器和比较器来实现；参见例如参考文献 [2] 和 [3]。然而，设计一个也提供电压控制频率的运算放大器三角波电路需要一些努力。 本设计理念提出了一种电压控制三角波发生器，它具有良好的波形、相当宽的频率范围和少量的元件。它并不比锯齿张弛振荡器复杂多少，并且使用单个电容器。使用具有共同公差且无需刻意匹配的组件可获得良好的结果。 用您独特的设计惊艳工程世界： 设计理念提交指南 电路如图1所示。Triangle Out 处可用信号的频率是输入电压 V F的线性函数，详见下文。粗体的R和C是主要的频率确定组件。
图 1压控三角波发生器示意图。 为了获得宽范围，需要一个高阻抗放大器，以允许小电流将电容器充电到所需的阈值水平。该放大器是由Q 2和Q 3组成的差分放大器。一个 12kΩ 的发射极偏置电阻意味着 Q 2基极的阻抗在1 兆欧范围内。 上电时，Q 2基极电压为零，Q 3基极电压约为9V。因此Q 3导通，Q 1、Q 2、Q 4和Q 5截止。这导致 Q 7开启，从而激活电流源 Q 9 ，因此C上的电压开始线性上升。 在达到阈值电压 (6 V) 时，Q 2开始导通，因此 Q 1也开始导通，这里连接为高增益级。Q 1反过来导致Q 4导通，进一步拉低阈值电压。这个正反馈回路提高了开关速度。由于 Q 5和 Q 7 /Q 9或 Q 6 /Q 8引起延迟，C继续充电，因此我们确信切换将完成。此时 Q 2的基极电压略高于 6 V，Q 3基极的阈值电压, 约为 3 V。电流源 Q 8被打开，并以与 Q 9充电相同的速率从C汲取电流。当斜坡低于阈值电压时，循环重复。 驱动C的电流源由给定电压V F（减去V BE）及其补码馈电，分别在Q 12的发射极和集电极上形成。Q 11降低了来自Q 12的集电极输出的输出阻抗。Q 10通过引入相应的 V BE下降来平衡 Q 11 。R 17两端的电压因此等于R 16两端的电压。 由于Q 6和Q 7作为互补开关运行，由开关晶体管Q 5控制，它们被驱动到饱和状态，这将从Q 10或Q 11的相应发射极吸收基极电流。然而，与通过R的电流相比，这些基极电流仍然非常低，并且每一侧也相同。因此保持三角波的对称性。 由于输出直接取自电容器C，因此它随后应由高阻抗放大器缓冲。图 2中的示波器轨迹显示了原理图中通道指示器 CHn 指示的波形。请注意，除通道 1 外的所有通道都是交流耦合的。
图 2示波器轨迹，测量点如原理图所示。 振荡频率可以通过计算电流源对C的充电时间来确定，在高阈值和低阈值V TH和V TL的限制之间；双倍这个数字给出了期间。如此导出的频率F是V F的线性函数，并给出如下：
对于原理图中所示的元件值，V TH = 9 V、V TL = 3 V 和V BE = 0.68 V：
在 2.36V 的测量V F下，F == 1066.67 Hz。这与示波器轨迹中显示的 1004.96 Hz 测量值相当吻合。产生给定频率所需的输入电压由下式给出：
在这里的特殊情况下：
频率变化率约为3 kHz/V，或3 Hz/mV；因此，控制相当敏感。在 2 kHz 的频率下，计算得出V F == 2.64 V，在 4 kHz 下，V F == 3.24 V。在这些频率下测量V F分别产生 2.71 V 和 3.46 V，这与计算得出的合理相符值，特别是考虑到灵敏度。良好的三角形对称性保持在刚刚超过 6 kHz 和低至约 600 Hz 的频率。 当Q 8的发射极上的电压超过下阈值电压V TL时，振荡将停止。在这种情况下，该电压约为 3 V，或输入电压 V F约为 5 V。在低端，需要一个略高于 2 V 的 V F来克服路径中的三个基极-发射极压降。 图 2 示波器轨迹的通道 2 中所示的方波是从 Q 3的基极获得的，即差分放大器的阈值输入。请注意，下降时间明显小于上升时间。这是因为在上升时运行的正反馈回路在下降时无效，因此 Q 4和 Q 5的关闭速度比它们打开的速度要慢。这仅对三角波的影响很小，因为 Q 7 的开启阈值非常低，从而确保及时反转三角斜率。 图 3和图 4中显示的示波器轨迹显示了这种差异。在图 3 中，下降时间约为 88 ns，而上升时间（如图 4 所示）为 760 ns。但请注意，这些迹线中的通道 3 和 4 显示了电流源（Q 8和 Q 9）的发射极电阻器的上升和下降时间，并且它们在 75 ns 范围内保持低电平。但是，存在切换延迟，一种情况下约为 600 ns，另一种情况下约为 1.6 μs。
图 3下降时间。
图 4上升时间。 使用的所有电阻器都是 1% 的商品部件，可以轻松且廉价地获得。晶体管也来自商业批次，尚未匹配或以其他方式选择。 电路上有几个基本的变化可能很有趣。通过降低 Δ-Threshold 可以支持更宽的频率范围。当然可能需要更多的放大。还可以添加对占空比的控制。寻找优化功率、范围或分辨率的R和C值也可能值得追求。此处选择的值有些随意，但并非反复无常：例如，我用完了 10kΩ 电阻，所以我改用 9.1kΩ。 一个有趣的挑战是设计一个更对称的电路。例如，这可能会在跨越高阈值和低阈值时提供正反馈，解决上升/下降时间问题，并可能扩大频率范围。 |
