锯齿波电路的设计与实现

锯齿波电路根据应用的不同又叫扫描电路、时基断电路，在一些仪器仪表等电子设备中经常用到的一种单元电路。锯齿波信号的明显的特征是电压或是电流先随时间呈线性增长，再迅速下降，然后再线性上升，再迅速下降，如此循环。

下图所示锯齿波的参数主要有幅度Um(Im），扫描时间T1、回扫时间T2、周期T=T1+T2，扫描速率Um(Im)/T。

锯齿波基本参数

产生锯齿波最基本的方法就是利用RC充放电路实现，Q1截止时电源通过R1对C1充电，Q1导通时Q1将C1短接迅速放电，如下图所示可以看到大概的锯齿波形态，但不是标准锯齿波，上升曲线呈非线性增长，因为随着充电时间电容两端电压逐渐升高，通过R1到C1的充电电流逐渐减小导致电荷积累越来越慢，从而导致电压在开始上升较快，到后面越来越慢造成了非线性。

RC充放电电路

RC充放电曲线

据锯齿波电路设计的关键是要采取适当措施来提高输出电压的线性度，其中的一个简单有效的方法就是采用恒流充电，如下图所示，增加Q2, VD1, R3组成恒流电路，三极管Q2为恒流源，稳压管VD1使Q1发射极电流保持恒定。

RC恒流充放电电路

RC恒流充放电曲线

接下来重点关注几个重点参数指标。

1）充电电流：Ic = (3.6V-0.6V) / 3K = 1mA,这里VD1将R1上的电压钳位在3.6-0.6=3V，流过R1的电流 = 3V / 3K = 1mA，即C1充电电流被恒定在1mA。

2）锯齿波幅度Um。因有R1分压，所以C1上充电的最高电压U = VCC - R1 * Ic = 12V - 3K * 1mA = 9V。根据电量公式Q = Ic * t = Um* C，Um =Ic * t / C ，其中Ic为充电电流，C为电容C1容量，Um为C1上的电压，t为充电时间，可见锯齿波的最大幅度和充电的速率有关，而充电速率又和电容容量C和充电电流Ic相关。

为得到标准锯齿波，这里假设输入的PWM信号频率为1K，Duty = 50%，即Q2的关断时间为0.5ms，也就是充电时间t = 0.5ms，Um = 9V带入公式得出电容C = Ic* t / Um = 55nF。也就是t = 0.5ms, C = 55nF, Ic = 1mA时，得到了幅度达到最大9V的标准锯齿波，如上图所示。

通过上面推导计算，可以看出其中任何一个参数变动都会影响幅度的变化。如果将电容C1容量增大到100nF，若要达到最大幅值Um = 9V，带入公式应该t = Um * C / Ic = 0.9ms，已经＞0.5ms了，超出了充电时间，所以0.5ms时达不到最大幅值的，将他= 0.5ms 带入公式得出Um = Ic * t / C = 5V，如下图所示波形。

欠幅

如下如所示同样将电容C1容量减小到25nF，带入公式Um = Ic * t / C = 20V，由于供电电压限制和R1的分压，Um最大幅度只能去到9V，所以可以看到锯齿波会被限幅削顶。由于充电速率提高了所以实际上达到最大幅度所需要的的时间更少了，重新带入公式 t = Um * C / Ic = 0.225ms，＜0.5ms提前达到最大幅值。

削顶限幅

综上，可以得出充电速率超过标准锯齿波速率后就会出现削顶，反之充电速率低于标准锯齿波速率后就会降低幅值。通过最简单的电路及围绕电量公式Q = Ic * t = Um* C进项计算。

当然要达到高性能的锯齿波发生器要求这个电路还远不够，但能帮助我们理解最本质最的基本原理，知其然知其所以然，应用起来就会得心应手。

电路也很简单，可以自己动手动手搭建电路实验，也可以在电脑上仿真。

　　审核编辑：汤梓红