方波发生器被定义为一个振荡器，它在没有任何输入的情况下提供输出，在零秒内提供输入的意义上没有任何输入，这意味着它必须是脉冲输入。该发生器用于数字信号处理和电子应用。方波发生器也称为非稳态多谐振荡器或自由运行，方波发生器的频率与输出电压无关。

下面介绍方波发生器的基本电路图和工作原理。

这里的第一个电路为基于运算放大器的方波发生器，如下图所示：

如果暂时忽略从输出 VOUT到负输入 V c的 RC 反馈，可能会将此电路的其余部分识别为具有滞后作用的施密特触发器。施密特触发器具有正反馈和只有两个稳定工作点（V OUT = V DD或 V OUT = V SS）。而方波发生器配置依赖于这种正反馈和滞后。

用于生成方波的单运算放大器非稳态多谐振荡器振荡器。

有一个电容(C) 完全放电到地，由于任何放大器的输入之间都存在内部偏移，因此正反馈将确保输出被驱动到两个稳定状态之一（取决于内部偏移是正还是负）。

现在，让我们假设 VOUT在开始时被驱动至正轨 (V DD )，此时，VC将开始通过电阻R 3充电，Vp处的电压可以使用电阻分压器公式计算：

在电路启动时，从这里开始，Vc将继续充电，直到它变得略大于 Vp 的阈值电压。此时，V OUT将下拉至负轨 (V SS )，V c将开始放电。

由于 VOUT的新值等于 V S，我们还有一个新的阈值电压：

接下来，Vc将继续放电，直到它低于 Vp 处的电压。然后，输出将被驱动回正电源轨 V DD。此过程将周期性地继续，从而在运算放大器的输出端产生方波。

对于上面的电路，插入一些元件值和仿真性能：

• R1 = R 2= 10kΩ
  
• R3 = 1 kΩ
  
• C = 1 uf
  
• VDD =+ 5V
  
• VSS = -5 V
  

在下图中，绘制了Vc、VOUT和Vp的电压波形。

运算放大器非稳态多谐振荡器方波振荡器仿真， 顶部：V OUT（绿色）。底部：V c（蓝色）和 V p（红色）

如图所示，V c充电和放电至先前由 R 1和 R 2与电源电压之间的电阻分压器定义的跳变点。跳变点 V high和 V low定义为：

上图中波形的频率为 451 Hz，由电路图对 V high和 V low之间的电容充电和放电所需的R 3和 C的 RC 时间常数定义。

为了根据元件准确计算电路的频率，我们必须利用 RC 电路的充电/放电方程。充电方程的一般形式为：

求解该方程中的 t，我们得到：

现在，如果我们假设从 V low充电到 V high 的时间，其中 V max = V DD，并且我们将时间加倍以考虑充电和放电，我们将获得输出周期：

等式表明RC 时间常数占主导地位，而 R 1和 R 2的值与周期的关系较弱，因为它们改了该电容必须充电和放电的跳变点。

如果我们代入 R 1、R 2、R 3和 C 的值，我们将得到 455 Hz 的周期，这几乎与我们模拟的 451 Hz 频率相匹配。

优点：该电路简单、有效，同时支持低频和高频，受开关事件期间驱动输出的运算放大器转换速率限制。

缺点：输出摆幅不能变小，因此对频率设置了硬性限制，因为输出必须在轨之间摆动。

要使用从地 (0 V) 摆动到 V DD 的单电源运算放大器构建此电路，必须将连接到电容和电阻器 R 1的接地节点更改为中间范围电压--vdd/2。

下图显示了使用双极结型晶体管 (BJT)的示例：

在该电路启动时，一个晶体管（假设为 Q2）将进入“截止”区域，在那里它不传导电流。这将导致集电极节点（Q2 顶部）充电至 V DD。

同时，Q1 饱和导通电流，这将导致连接到 Q2 基极的 C 1节点通过 R 3充电，直到 Q2 被推入饱和状态。在被推至饱和时， C 2 右侧的电压急剧下降会在 Q1 的基极引起严重的负响应，从而将其推向截止状态。

这种推挽行为持续发生，在 Q1 和 Q2 的两个集电极上产生输出电压波形。输出是频率相同但相位相反的方波。由于 Q1 和 Q2 的基极分别通过 R 3与 C 1和 R 2与 C 2的 RC 电路充电/放电，我们可以将发生器的输出周期定义为：

在瞬态波形中，t 1是集电极Q1输出的脉冲宽度，而t 2是集电极Q2的脉冲宽度。从等式中可以看出，t 1不必等于 t 2，因此我们可以创建可变占空比的矩形波形。

2）基于BJT的方波发生器电路波形

上面的行为在下图的仿真结果中得到了演示，对于该仿真。我们将电路设计为具有50%的占空比，其中 t 1 = t 2。

此仿真的组件值是：

• R 1 = R 4= 1kΩ
  
• R2 = R 3 = 100 kΩ
  
• C1 = C 2 = 10 nf
  

BJT 是标准的 2N2222 NPN。因此，我们从基本方程式中得出的预期时间常数是：

我们仿真的测量结果为 681 μs，接近我们 690 μs 的设计值。

我们还可以更改此设计以具有非对称性能。如果我们将 R 2的电阻减半至 50 kΩ，我们可以将 t 2的周期更改为 345 us。更改后该电路的仿真结果下图所示。

从上图中，我们看到了创建具有易于调节占空比的非对称输出矩形波的能力。仿真结果为 t 1 = 681 μs 和 t 2 = 335 μs，这再次接近我们的设计方程所预测的结果。

优点：总体而言，与运算放大器振荡器相比，基于 BJT 的非稳态多谐振荡器具有更大的灵活性。不需要负电源并同时产生输出及其补码。提供了形成可变频率和占空比的通用矩形波而不是纯可变频率方波的能力。

缺点：相对而言，会比较复杂。

下面的方波发生器电路采用741运放设计。

LM741 是一款具有许多功能的运算放大器 IC。该 IC 有许多不同的封装。IC内部电路中使用的晶体管数量为20个。

其高增益、低电流消耗和宽电源电压等特性使其非常适合用于电池供电电路。此外，该 IC 还具有输入和输出两侧的过载保护功能，此功能可避免 IC 的内部电路因过载而损坏。

使用741 运算放大器的方波发生器电路如下图所示，一个电容接在运放的反相端，一个引脚接地，反相端也接一个给电容充放电的电阻输出。

一个分压器使用两个电阻器设计，并在同相引脚处连接到输出和地。

假设反相端的电压为 V2，等于电容两端的电压。此外，假设同相端的电压为 V1，同相端和反相端之间的电压差称为差分输入电压，由 Vin 给出。

在电容完全放电的初始状态下，反相引脚电压将为零，即 V2 = 0V：

输入差分电压(Vin) = V1-V2 = V1-0 = V1

当 Vin 为正时，输出也为正，在这种情况下，电容开始通过电阻 R2 向正饱和电压充电，直到 V1 = V2。

当电容上的电压增加略高于差分电压 V1 时。

然后输出将从正饱和电压切换到负饱和电压。在这种情况下，电容开始通过电阻 R2 放电，因为 V2 变得大于 Vout。同样，在达到略小于 V1 的 V2 之后，输出将再次切换到正饱和电压。这个过程一次又一次地重复，结果方波就产生了。

该电路可以使用 Proteus 软件进行仿真。下面的电路模拟在示波器上给出了完美的输出。你可以改变电阻的值来观察波形的变化。

在下面这个电路中，主要是讲述方波发生器制作，允许输出方波信号的频率喝幅度可调。

该方波发生器可以简单地由555定时器、电阻、电容和电位器构成。

555 定时器是一种非常通用的芯片。在不稳定的操作模式下，它可以很容易地产生方波。本电路利用了555定时器可以很容易地产生方波信号的原理。电位器允许改变输出信号的频率和幅度。

下面将详细解释如何构建这个电路以及它是如何工作的。

• 555定时器芯片
  
• 200Ω电位器
  
• 1MΩ电位器
  
• 39KΩ电阻
  
• 1nF陶瓷电容
  
• 100nF陶瓷电容
  

555定时器是一个8脚芯片，555定时器的引出线如下所示。

555定时器需要4.5-16V的供电电压。我们将此电压连接到 V CC引脚（引脚 8），并将 GND（引脚 1）接地。我们使用的唯一其他引脚是触发引脚、输出引脚、复位引脚和阈值引脚。

• 引脚 2：触发引脚。
  

它的工作原理类似于发令枪，可启动 555 计时器运行。触发器是低电平有效触发器，这意味着定时器在引脚 2 上的电压降至电源电压的 1/3 以下时启动。当 555 通过引脚 2 触发时，引脚 3 上的输出变高。

• 引脚 3 ：输出引脚。
  

555定时器的输出本质上是数字的。它要么高要么低，输出要么是低电平，非常接近 0V，要么是高电平，接近引脚 8 上的电源电压。输出引脚是连接负载的地方，555 定时器为其供电。例如， LED。

• 引脚 4 ：复位引脚。
  

该引脚可用于重新启动 555 定时器的计时。这是一个低电平有效输入，就像触发输入一样。因此，引脚 4 必须连接到 555 定时器的电源电压才能运行。如果暂时接地，555 定时器的操作将中断，并且在通过引脚 2 再次触发之前不会再次启动。

• 引脚 6 ：阈值引脚。
  

该引脚的用途是监测由引脚 7 放电的电容两端的电压。当此电压达到电源电压 (V CC ) 的 2/3 时，计时周期结束，引脚 3 上的输出变为低电平。

我们用555定时器芯片搭建的可调方波发生器电路如下图所示。

上面电路的面包板电路如下图所示：

这就是我们上面显示的可调方波发生器电路。

该电路首先要考虑的是功率——电路将消耗多少功率。由于我们使用的是555定时器芯片，555定时器可以承受的最大电压为18V。因此，我们使用 18V 作为该电路的直流电源电压。通过将电位器连接到 18V，我们创建了一个可调电源，以便我们可以改变输出信号的幅度。如果旋转电位器以提供全电阻，则馈送到 555 定时器的电压约为 18V。这给出了输出信号可以达到的最大幅度。如果我们降低电位器的电阻，则提供给 555 定时器的电压会降低，从而降低输出信号的幅度。

对于这个电路，我们使用一个 200Ω 的电位器来调整幅度。不能使用比这个更小的电位器，比如 100Ω 电位器，因为大多数电位器的额定电流都无法处理使用这么低的电位器所能达到的电流量。例如，使用 100Ω 电位器，电流将为 18V/100Ω= 180mA。许多电位器无法处理如此高的电流，会烧坏。

200Ω 是一个更安全的选择，将电流降低到 90mA (18V/200Ω)，可以使用 500Ω 的电位器，但最好不要高于 500Ω。如果使用非常大的电位器值，振幅调整将无法正常工作。使用低欧姆电位器允许电阻发生微小变化，因此幅度变化缓慢。使用大欧姆电阻会导致幅度突然变化，没有给出良好的振幅调整。例如，如果使用100KΩ的电位器，稍微调整电位器会导致幅度突然变化，从而导致幅度调整不佳。

该电压馈入 555 定时器的 V+ 引脚，即引脚 8。同样，如果电位器提供全电阻，则振幅处于最大幅度。当我们降低电位器的电阻时，幅度会越来越小，直到输入引脚 8 的电压非常低，以至于没有信号输出。

18V 是馈入 555 定时器的引脚 4。4脚是555定时器的复位脚，该引脚为低电平有效，这意味着它在馈入接近地电压或 0V 的电压时被触发。因此，该引脚必须保持连接到正电压源以使电路工作。因此，这满足了电路的电源。

现在进入电路的频率方面，即信号的频率。输出频率由电位R1和电容C1决定。它们构成了一个 RC 网络，用于确定输出信号的频率。RC 的乘积等于输出信号的时间周期。通过减小电阻值，我们可以缩短时间周期，从而产生频率更高的信号。通过增加电阻的值，​我们增加了时间周期，从而产生频率较低的信号。电位器允许我们通过改变 RC 网络的值来改变频率。

这里选择的电容 C1 的值为 1nF。如果想要更高的频率可以更低，可以选择较低值的电容器，例如皮法范围内的电容，扩展了电路的频率范围。使用的电容越小，频率越高。例如，一个 330pF 的电容会产生更快的频率。

我们用于 RC 网络的电位器值是 1MΩ 电位器。如果想在低端扩展电路的频率范围，也可以使用 10MΩ 电位器。你使用的电阻值越大，可以扩展的频率越低。例如，对于 10MΩ 电位器，当电位器提供其全电阻时，频率将仅为频率范围下端的几赫兹。

根据你使用的值您应该能够获得想要的任何频率的任何方波。555定时器芯片确实有频率上限，不过是几兆赫兹。

以上就是一个可调方波发生器电路。

来源：李工谈元器件