CN204442311U - 一种参数可调的高线性度锯齿波产生电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种频率、占空比、峰峰值和直流偏压可自动调节的锯齿波产生电路，属于测量仪器仪表领域，具体为一种参数可调的高线性度锯齿波产生电路，包括：由三极管、稳压二极管和高精度数字电位器组成的恒流源，由三极管和高精度电容组成的电容充放电电路、由单片机构成的PWM脉冲产生和锯齿调节电路，由一级运放构成的滤波、直流偏置和峰峰值调节电路。本实用新型提出的锯齿波产生电路具有高线性度，高精度，结构简单，频率、占空比、直流偏置和峰峰值可调等特点，适合用于测量仪器设备的线性调制，典型应用就是可以作为各种半导体可调激光器的波长扫描信号源。

Description

一种参数可调的高线性度锯齿波产生电路

技术领域

本实用新型提出一种频率、占空比、峰峰值和直流偏压可自动调节的锯齿波产生电路，属于测量仪器仪表领域，具体为一种参数可调的高线性度锯齿波产生电路。

背景技术

锯齿波被广泛应用于通信电子、自动控制、测量仪器等诸多领域，很多仪器设备的运行都依赖特定参数的锯齿波。例如，在激光光谱测量设备中经常采用的波长可调谐激光器，正是借助线性度较好的锯齿波进行波长扫描，从而获得高分辨率的吸收光谱，使得该技术近年来被广泛应用于各种气体检测。可调谐激光器利用线性变化的锯齿波上升沿来控制激光器的注入电流，对输出激光波长进行一定范围内的线性扫描，在一个扫描周期内能够获得包含被测气体信息的吸收谱线和不包含被测气体信息的背景谱线，从而对气体进行定性和定量分析。现有的锯齿波生成电路种类繁多、性能参差不齐，很多锯齿波发生电路结构复杂、功能简单，且难以获得高线性度的锯齿波形。有的锯齿波产生电路用单片机控制DAC的方式来构成，这样输出的锯齿波形式多样、参数可控，但是往往残留较大的量化噪声；有的锯齿波产生电路主要由分立元件和模拟电路构成，这样输出的锯齿波可以做到平滑自然，但是很难实现锯齿波参数稳定可调、很难保证较高的线性度。很多测量仪器设备都要求锯齿调制信号频率、占空比、峰峰值和直流偏压等参数在一定范围内方便可调，以适应不同的测量需求。因此，各种参数是否可调，直接制约了锯齿波的应用范围。而锯齿波的线性度通常制约测量设备的性能，例如，用于激光器调制的锯齿波直接影响激光器的调谐特性和气体测量精度。而目前锯齿波产生装置的线性度还不能达到相关要求。因此非常需要一种结构简单、线性度高且控制方便的锯齿波产生电路。

发明内容

本实用新型为解决目前锯齿波产生装置结构复杂、线性度低且控制繁复的技术问题，提供一种参数可调的高线性度锯齿波产生电路。

本实用新型是采用如下技术方案实现的：一种参数可调的高线性度锯齿波产生电路，包括恒流源、电容充放电电路、信号叠加和交流放大电路以及单片机；所述恒流源包括稳压二极管D1、电阻R2和PNP三极管T1；稳压二极管D1的负极通过电阻R2与PNP三极管T1的发射极相连接，稳压二极管D1的正极与PNP三极管T1的基极相连接；电容充放电电路包括数字电位器R1、NPN三极管T2、电容C1和稳压二极管D2；PNP三极管T1的集电极通过数字电位器R1与NPN三极管T2的集电极相连接，数字电位器R1的总线接口与单片机的信号输出端相连接；NPN三极管T2的发射极与稳压二极管D2的正极相连接，PNP三极管T1的集电极还分别与电容C1以及稳压二极管D2的负极相连接，电容C1的另一端接地；信号叠加和交流放大电路包括运放、数字电位器R3、电阻R4、R5、R6、电压参考和电容C3；电容C3一端通过电阻R4与数字电位器R3相连接，数字电位器R3的另一端与运放的信号输出端相连接，电容C3的另一端接地；数字电位器R3的总线接口也与单片机的信号输出端相连接；单片机的信号输出端顺次通过电压参考以及电阻R6与运放的同相输入端相连接，稳压二极管D2的负极通过电阻R5与运放的同相输入端相连接；电阻R4与数字电位器R3相连接的一端还与运放的反向输入端相连接；单片机可输出频率和占空比可控的PWM脉冲的信号输出端通过电容C2以及电阻R7与稳压二极管D1的正极相连接，电阻R7与电容C2相连接的一端与NPN三极管T2的基极相连接；电阻R2与外部电源DC连接。

本实用新型的目的是用结构简单、控制方便的电路产生高线性度、各种参数可调的锯齿波。所提出的电路方案由模拟数字混合构成，主要包括四个部分：稳压二极管D1、高精度电阻R2和PNP三极管T1组成的恒流源，数字电位器R1、NPN三极管、电容C1和稳压二极管D2组成的电容充放电电路，运放、数字电位器R3、高精度电阻R4、R5、R6、高精度电压参考和电容C3组成的信号叠加和交流放大电路，用于产生频率和占空比可控的PWM脉冲、同时可对R1、R3和电压参考进行自动控制的单片机控制电路。

方案中几个主要部分的功能描述如下。

1，恒流源电路中，D1用于限定R2加上T1的基极射极间压降，直流供电电压必须大于D1稳压值，R2是高精度低温飘电阻，用于确定恒流源的电流值，电流值和电阻二者成严格的线性关系，电阻越大、电流越小。

2，电容充放电电路中，当T2基极电压低于三极管导通压降时，T2截止，C1通过恒流源进行充电，两端电压随时间线性升高；当T2基极电压高于三极管导通压降时，T2导通，C1通过T2集射极进行放电，C1两端电压降低。这部分电路中，D2是稳压二极管，用于限制C1两端电压、保护后级电路；数字电位器R1用于控制C2放电时间，R1阻值越大、放电越慢、电压下降斜率越小。经过滤波的PWM脉冲为三极管T2基极提供控制电平，使三极管导通或者截止。R1的阻值大小由单片机控制。

3，电压参考采用有良好的热稳定性能的可调精密稳压源，如TL431，就是一种低温飘三端可调分流基准源，-40～85℃范围内温飘小于16mV。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从0V到Vref(2.5V)范围内的任何值(如图1)。数字电位器R8由单片机控制，用于输出0～2.5V电压参考，R9是限流电阻。该电压参考的特征是，用三端分流基准源结合数字电位器实现自动可调低电压参考，可以为待输出的锯齿波提供稳定的直流偏压。根据三端分流基准源的工作原理和如图所示的电路连接方式，直流偏压值可以按照下式计算：

$V_R=\frac{{R_8}^{\′}}{R_8}*V_{\mathrm{ref}}$

式中，R₈是数字电位器的总电阻值，是地和电位器滑动端之间的电阻值，V_ref是基准源的内部基准电压值。

4，信号叠加和交流放大电路中，R5和R6连接在运放的同相端，用于对充放电电容两端的电压和电压参考输出的直流偏置进行求和运算，C3、R3和R4连接于运放的反向端，用于对求和信号的交流比例放大。电压参考用数字电位器配合高精度电压参考源，实现输出锯齿波直流偏置的自动调节；数字电位器R3位于反向放大的反馈端，可以配合单片机完成锯齿波峰峰值的自动调节。该电路可以通过单片机实现对输出锯齿波峰峰值和直流偏置的自动、独立控制，能够保证求和之后的锯齿波保持较高的线性度，以满足激光器调制的需要。

5，单片机控制电路中的单片机选用合适型号，可以提供一路频率和占空比可调的PWM脉冲、三组数字电位器的控制线。锯齿波上升沿的斜率和线性度根据PWM脉冲频率大小、通过D1和R2确定，由于输出锯齿的斜率还可以通过后级交流放大来改变，该锯齿波生成方案采用固定D1和R2值，以简化电路结构。下降沿的斜率和线性度则需要根据锯齿波的频率和占空比，使单片机兼顾PWM脉冲的参数和数字电位器R1的阻值。

本方案提供了一种简单易行的高线性度锯齿波产生电路，由电容、电阻、三极管和运放构成的模拟电路完成锯齿波的高线性度成形和调理，结合单片机为主体的数字电路频率稳定度高、参数调节方便、控制精确等优势，实现了频率、占空比、峰峰值和直流偏置等参数可调的高线性度锯齿波输出。所产生的锯齿波重要特征是，取决于电容充电的上升沿线性度较高，取决于电容放电的下降沿线性度较低。本实用新型输出锯齿波有较高的线性度，该电路可以作为各种测量仪器设备的线性调制信号源。

附图说明

图1本实用新型电路结构示意图。

图2电压参考结构示意图。

图3工作时序和波形说明图。

1-单片机，2-运放，3-电压参考。

具体实施方式

一种参数可调的高线性度锯齿波产生电路，包括恒流源、电容充放电电路、信号叠加和交流放大电路以及单片机1；所述恒流源包括稳压二极管D1、电阻R2和PNP三极管T1；稳压二极管D1的负极通过电阻R2与PNP三极管T1的发射极相连接，稳压二极管D1的正极与PNP三极管T1的基极相连接；电容充放电电路包括数字电位器R1、NPN三极管T2、电容C1和稳压二极管D2；PNP三极管T1的集电极通过数字电位器R1与NPN三极管T2的集电极相连接，数字电位器R1的总线接口与单片机1的信号输出端相连接；NPN三极管T2的发射极与稳压二极管D2的正极相连接，PNP三极管T1的集电极还分别与电容C1以及稳压二极管D2的负极相连接，电容C1的另一端接地；信号叠加和交流放大电路包括运放2、数字电位器R3、电阻R4、R5、R6、电压参考3和电容C3；电容C3一端通过电阻R4与数字电位器R3相连接，数字电位器R3的另一端与运放2的信号输出端相连接，电容C3的另一端接地；数字电位器R3的总线接口也与单片机1的信号输出端相连接；单片机1的信号输出端顺次通过电压参考3以及电阻R6与运放2的同相输入端相连接，稳压二极管D2的负极通过电阻R5与运放2的同相输入端相连接；电阻R4与数字电位器R3相连接的一端还与运放2的反向输入端相连接；单片机1可输出频率和占空比可控的PWM脉冲的信号输出端通过电容C2以及电阻R7与稳压二极管D1的正极相连接，电阻R7与电容C2相连接的一端与NPN三极管T2的基极相连接；电阻R2与外部电源DC连接。

所述电阻R2、R4、R5、R6均采用高精度电阻；电压参考采用高精度电压参考。

单片机(可选择arm核的stm32f103系列单片机)通过内部定时器生成PWM脉冲，该脉冲保持逻辑电平不变(例如3.3V或者5V)、频率和占空比在一定范围内可调(频率和占空比的可调范围与单片机主频和定时器的位数有关)，脉冲频率一般在10Hz～10MHz之间(典型值10kHz)，占空比可以在0～100％(典型值80％，充电时间占80％，放电时间占20％)之间。脉冲经过一个uF级电容C2(典型值1uF)进行隔直滤波，以提高后级电容充放电切换电路的抗噪声性能、降低输出脉冲的频率抖动。

稳压二极管D1用于限定R2加上T1的基极射极间压降，直流供电电压必须大于D1稳压值(一般直流供电电压为5V，D1稳压值为3.3V)，R2是高精度低温飘电阻、用于确定恒流源的电流值(该电阻值范围10～100kΩ，典型值为1kΩ)，电流值和电阻二者成严格的线性关系，电阻越大、电流越小、充电速度越慢、锯齿斜率越小，严格来说，电流大小为：

$I=\frac{V_{D1}-V_{\mathrm{be}}}{R_2}$

其中，V_D1为D1稳压值，V_be为三极管基射极导通压降。

隔直之后的PWM脉冲作用于NPN三极管T2基极，当T2基极电压低于三极管导通压降时，T2截止，C1通过恒流源进行充电、两端电压随时间线性升高，当T2基极电压高于三极管导通压降时，T2导通，C1通过T2集射极进行放电，C1两端电压降低。这部分电路中，D2是稳压二极管，用于限制C1两端电压、保护后级电路，典型稳压值是3.3V；数字电位器R1用于控制放电C2时间，R1阻值越大、放电越慢、电压下降斜率越小。经过滤波的PWM脉冲为三极管T2基极提供控制电平，使三极管导通或者截止。数字电位器R1的阻值范围为0～1kΩ、典型值为10Ω,大小由单片机控制。

考虑到锯齿波上升沿的严格线性，本方案中电容充电采用恒流源，而由于对下降沿线性度要求不高，本方案中电容放电采用自然放电。对于恒流源电容充电过程，电容两端电压变化情况为：

$V_{c1}=\frac{Q}{C1}=I*t/C1$

其中，I为恒流源大小，C1为电容容值(范围为100nF～10uF，典型值为1uF)，t为每周期充电时间(上升沿时间)。

对于电容自然放电过程，电容两端电压值的变化情况为：

$V_{c1}=V_0*[1-e^{(-\frac{t}{R_1*C_1})}]$

其中V₀为初始电压(锯齿波电压峰值)，R为放电电阻。

根据以上公式，充电时电容电压随时间线性增加，放电时电容电压的减小过程并非线性。

充放电电路经过稳压管D2输出的锯齿波典型幅度范围为0～3.3V，利用电阻R5、R6(R4、R5、R6典型值均为2kΩ)，和电压参考一起连接到后级运放的同相端进行线性叠加，再通过C3、R3和R4组成的交流反向比例放大电路进行峰峰值的放大。其中，C3的典型值为10uF，数字电位器R3的电阻值为0～20kΩ之间可调，阻值越大、放大倍数越高。交流放大增益为：

$G=(1+\frac{R_3}{R_4})$

整个锯齿波控制、调节和输出的过程均由单片机通过人机接口来完成。

Claims (2)

1.一种参数可调的高线性度锯齿波产生电路，其特征在于，包括恒流源、电容充放电电路、信号叠加和交流放大电路以及单片机（1）；所述恒流源包括稳压二极管D1、电阻R2和PNP三极管T1；稳压二极管D1的负极通过电阻R2与PNP三极管T1的发射极相连接，稳压二极管D1的正极与PNP三极管T1的基极相连接；电容充放电电路包括数字电位器R1、NPN三极管T2、电容C1和稳压二极管D2；PNP三极管T1的集电极通过数字电位器R1与NPN三极管T2的集电极相连接，数字电位器R1的总线接口与单片机（1）的信号输出端相连接；NPN三极管T2的发射极与稳压二极管D2的正极相连接，PNP三极管T1的集电极还分别与电容C1以及稳压二极管D2的负极相连接，电容C1的另一端接地；信号叠加和交流放大电路包括运放（2）、数字电位器R3、电阻R4、R5、R6、电压参考（3）和电容C3；电容C3一端通过电阻R4与数字电位器R3相连接，数字电位器R3的另一端与运放（2）的信号输出端相连接，电容C3的另一端接地；数字电位器R3的总线接口也与单片机（1）的信号输出端相连接；单片机（1）的信号输出端顺次通过电压参考（3）以及电阻R6与运放（2）的同相输入端相连接，稳压二极管D2的负极通过电阻R5与运放（2）的同相输入端相连接；电阻R4与数字电位器R3相连接的一端还与运放（2）的反向输入端相连接；单片机（1）可输出频率和占空比可控的PWM脉冲的信号输出端通过电容C2以及电阻R7与稳压二极管D1的正极相连接，电阻R7与电容C2相连接的一端与NPN三极管T2的基极相连接；电阻R2与外部电源DC连接。

2.如权利要求1所述的一种参数可调的高线性度锯齿波产生电路，其特征在于，所述电阻R2、R4、R5、R6均采用高精度电阻；电压参考采用高精度电压参考。