### 集成运算放大器构成方波信号发生器的电路分析
#### 一、引言
在电子技术的应用领域中，函数信号发生器是非常重要的工具之一，它们主要用于电子电路的测量或调试过程中提供必要的信号源。其中，利用集成运算放大器构成的方波信号发生器因其结构简单、调试方便等优点而备受青睐。本文将详细介绍两种基于集成运算放大器的方波信号发生器电路——一种采用双电源供电，另一种采用单电源供电。我们将重点分析这两种电路的组成、工作原理以及如何通过调节电路参数来改变输出波形的频率和幅度。
#### 二、基于双电源供电的方波信号发生器
##### 1. 电路组成及工作原理
图1展示了一种基于双电源供电的方波信号发生器电路。该电路的核心是由集成运算放大器（例如LM358或LM324）、电阻R2、R3以及电容C组成的一个滞回比较器。其中，R2和R3用于对输出电压进行分压，从而确定运放同相输入端的基准电压；电容C则与电阻R共同构成了一个积分电路，其两端的电压被作为运放反相输入端的输入电压U-。此外，稳压管VDz和电阻R1的作用是将滞回比较器的输出电压限制在稳压管的稳定电压值±Uz内。
由于电容C不断在正负两个方向上充电和放电，使得输出电压Uo在正的Uz和负的Uz之间翻转，从而在输出端产生具有一定周期和频率的方波信号。可以证明，同相输入端的上限输入电压Up和下限输入电压Uv分别为：
- **Up** = UzR3 / (R2 + R3)
- **Uv** = -UzR3 / (R2 + R3)
##### 2. 输出波形与振荡频率
由于输出电压Uo的波形是对称的，即Uo等于高电平和低电平的时间各为T/2，因此输出的波形为方波，且占空比为50%。振荡频率与电路中的时间常数RC及R3/R2的比例有关，而与输出电压的幅值无关。实际应用中，通常通过调整电阻R和电容C来改变振荡频率，其中C作为频率的粗调，R作为频率的细调。此外，可以通过调整R2、R3和稳压管的稳定电压Uz来改变输出电压的幅值。
#### 三、基于单电源供电的方波信号发生器
##### 1. 电路组成
图2展示了基于单电源供电的方波信号发生器电路。该电路的核心也是集成运算放大器及其外围电路，包括电阻R2、R3、R4和电容C等。不同之处在于，该电路通过单向稳压管VD和电阻R1将滞回比较器的输出电压限制在+Uz和0之间，从而使电路更加便于使用。
##### 2. 工作原理
在刚接通电源的瞬间，假设电容器C两端的电压U-=Uc=0，则输出电压Uo可能为+Uz或0。假设Uo=+Uz，则同相输入端的电压U+=Up。Uo通过电阻R对电容C充电，随着Uc逐渐升高至Up，输出电压会发生跳变，Uo从+Uz变为0。此时U+也由Up跳变到Uv。接着，电容C通过R向运放输出端放电，直到Uc降至Uv，Uo再次翻转到+Uz。通过这样的循环过程，输出端会产生特定周期和频率的方波信号。
对于该电路，同相输入端的上限输入电压Up和下限输入电压Uv可以通过叠加原理分别计算得出。具体而言，Up的计算公式为：
- **Up** = Vcc(R2∥R3) / (R4 + R2∥R3) + Uz(R3∥R4) / (R2 + R3∥R4)
这里，Vcc为电源电压，R2∥R3表示R2和R3并联后的等效电阻，同理R3∥R4为R3和R4并联后的等效电阻。
#### 四、结论
通过对两种基于集成运算放大器的方波信号发生器电路的分析，我们可以看出，无论是采用双电源还是单电源供电的方式，都能有效地实现方波信号的产生。通过合理设计电路参数，可以轻松调节输出信号的频率和幅度，满足不同的应用场景需求。这两种电路都具有结构简单、调试方便的特点，是电子工程领域不可或缺的基础电路之一。
