许振霞

一种新型的高频三角波发生器的设计

许振霞

摘要:本文介绍了一种高频三角波发生器，系统由晶振作为频率源，对分频得到方波信号进行幅度调整，得到双极性的对称方波，通过三角波运算电路，得到频率和幅度稳定的三角波。该系统具有结构简单，输出信号频率稳定等特点。

关键词:三角波发生器；晶振；方波

在通信、雷达、PWM电力变换等领域，经常需要高精度、高频率的三角波作为载波信号。传统方法是采用单片模拟芯片(如NE555等)构成振荡电路来产生三角波，但是频率稳定度差，调试困难。随着嵌入试硬件和软件技术的发展，采用DDS等新的波形发生技术来产生三角波的方法也被广泛使用[1]，但是硬件组成复杂，成本过高。本文介绍了一种新的高频三角波的设计方法，系统硬件结构简单，输出信号的频率稳定度高。

1基础概念

晶振：晶体振荡器是指从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为晶片)，石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。

三角波：(英语：triangle wave)是一种非正弦波，其波形是三角形，因此得名。它具有周期性、分段连续性，并且是一个实函数。

三角波的无穷傅里叶级数展开为：

方波：是一种非正弦曲线的波形，通常会于电子和讯号处理时出现。理想方波只有“高”和“低”这两个值。

在现实世界，方波只有有限的带宽。由于一般电子零件只有高(1)和低(0)两个值，方波就自然产生，并于数码开关电路中广泛应用。因为方波可以快速从一个值转至另一个(即0→1或1→0)，所以方波就用作时钟讯号来准确地触发同步电路。但是如果用频率定义域来表示方波，就会出现一连串的谐波。这可能会产生电磁波和电流脉波，影响周围的电路，产生噪声和错误，对一些精密仪器如类比数位资料转换器(analog-to-digital converter)影响十分明显，所以设计会使用正弦波作时钟讯号来代替方波。

在音乐上，方波被视为空洞的声音，因此会以减法合成过滤方波作管乐的基础。另外，电吉他的失真效果(distortion)把波形的外层削去，令波形趋向成为方波。失真越大会令波形越像方波。

一个“简单二能级莱德马契函数”(simple two-level Rademacher function)就是一个方波。

DDS：DDS同 DSP(数字信号处理)一样，是一项关键的数字化技术。DDS是直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer)的英文缩写。与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点，广泛使用在电信与电子仪器领域，是实现设备全数字化的一个关键技术。

2系统整体设计

该系统采用晶振作为频率源，通过起振电路和数字分频电路得到频率和幅度稳定的方波，然后以此方波为基准产生高精度的三角波。由数字分频得到的是单极性方波，为得到双极性的三角波，需要对方波信号进行幅度调整，再加入适当的直流偏置，然后对方波信号进行积分运算放大，得到需要的三角波。图1为系统整体结构设计框图。

图1高频三角波发生器系统框图

3硬件电路设计

3.1　起振电路

系统采用频率稳定的晶振作为频率源。晶振分为有源和无源两种，有源晶振虽不需要起振电路可直接输出频率信号，但其输出的信号电平是固定的，灵活性较差，而且相对价格高，无源晶振输出信号的电压大小由外部起振电路决定，因此本系统采用无源晶振作为频率源。晶振的起振电路种类较多，比较常见有皮尔斯电路(如图2a)等[2]。本系统采用的起振电路如图2b，与皮尔斯电路相比，该电路结构简单，输出信号电平更适合于数字分频。

图2　起振电路

3.2　分频电路

频率源输出信号的频率是单一的，为得到需要的频率，需要设计分频电路，其电路输出的信号为频率幅度稳定的高频方波。电路采用CD4040分频芯片，两级分频，通过选择开关来选择不同的频率，分频电路的原理图如图3所示。

图3　分频器电路

若一级分频率为N1，二级分频率为N2，则最后输出方波信号的频率为晶振频率的N1*N2分之一。方波输出之前通过反相器CD4049可以提高方波信号的驱动能力，输出信号的的低电平为0V,高电平为12V，为单极性方波。

3.3　幅度调整电路

分频电路输出的方波为单极性信号，若想直接得到双极性三角波信号，则在积分放大电路中必须加入精确的直流偏置电压，且直流电压的幅度为方波信号幅度的一半，但这一精确电压往往很难获得，因此需要设计方波幅度调整电路，输出对称的双极性高频方波信号。方波幅度调整电路的原理图如图4所示。

图4　方波幅度调整电路

幅度调整电路主要应用三极管的工作特性来进行幅度调整。D1为稳压二极管，正极电压为-5.1V，此电压经运算放大器反相为5.1V，即三极管2N3906的射极电压始终保持5.1V。方波信号(Square)的高电平为12V，低电平为0V。

当方波为高电平时，三极管射极电压低于基极电压，被截止，此时三极管的集电极电压被电阻RL下拉至0V；当方波为低电平时，三极管射极电压高于其基极电压，导通，此时集电极电压等于其射极电压为5.1V。因此，图4中UL方波信号，低电平为0V，高电平为5.1V。取稳压二极管输出电压作直流偏置，通过运算放大器之后，其输出电压为：

=-2UL+5.1

当UL=0V时Uout=5.1V,当UL=5.1时，Uout=-5.1V时，因此方波调整电路输出信号为对称的双极性高频方波。

3.4　三角波运算电路

将得到双极性方波，通过三角波运算电路，即可得到所需要的高频三角波。如图5三角波运算电路的原理图，图6为实际电路的输出波形，采用3.579M的晶振为频率源，图6a为分频得到的112KHz方波信号，图6b 为最终得到的112KHz的双极性三角波信号。

图5　三角波运算电路

图6　实验电路输出波形

4结束语

本文提出的高频三角波发生器具有很多特点。首先，使用晶振作为频率源，保证了输出信号频率的稳定性；其次，使用数字分频得到方波信号，输出信号的频率是可以按照需要调节；最后，系统利用三极管的开关特性与稳压二极管来实现方波信号的幅度调整，得到了对称的双极性方波，为将单极性信号转换为单极性信号提供了新的思路。实践证明这一设计方法实现的三角波发生器，系统结构简单，输出信号频率稳定。

[参考文献]

[1]丁勇.一种高精度三角波发生器的设计[J].微计算机信息，2009，12(2)：162-164.

[2]李德昌.晶体振荡器[J].国外电子测量技术，2004，1：19-22.

[3]童诗白.模拟电子技术基础(第五版)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]田清华.方波三角波发生器的设计与仿真[J].电子制作,2013(05).

[5]孙辰朔，金祖洋，刘山松，等.基于Howland电流源产生更优线性度三角波的设计[J].电子器件，2014(03).

责任编辑：刘海涛

收稿日期：2015-01-03

作者简介：许振霞，山东淄博师范高等专科学校教师(山东 淄博 236800)。

中图分类号:TN741

文献标识码：A

文章编号：1673-1794(2015)02-0056-04