方波-正弦波轉(zhuǎn)換電路是將方波轉(zhuǎn)換為正弦波的重要模擬電路。它在電子的許多不同領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，例如數(shù)學(xué)運(yùn)算，聲學(xué)，音頻應(yīng)用，逆變器，電源，函數(shù)發(fā)生器等。

在這個(gè)項(xiàng)目中，我們將討論方波到正弦波轉(zhuǎn)換電路是如何工作的，以及如何使用簡(jiǎn)單的無(wú)源電子元件來(lái)構(gòu)建它。您還可以查看下面列出的其他波形發(fā)生器電路。

?方波產(chǎn)生電路

?正弦波產(chǎn)生電路

?三角波產(chǎn)生電路

?鋸齒波產(chǎn)生電路

使用RC網(wǎng)絡(luò)的方波到正弦波轉(zhuǎn)換器

一個(gè)方波到正弦波轉(zhuǎn)換器可以使用6個(gè)無(wú)源元件，即電容器和三個(gè)電阻。使用這三個(gè)電容和三個(gè)電阻，可以構(gòu)建一個(gè)3級(jí)RC網(wǎng)絡(luò)，以方波為輸入，正弦波為輸出。一個(gè)簡(jiǎn)單的單級(jí)RC網(wǎng)絡(luò)電路如下所示。

在上述電路中，顯示了單級(jí)RC濾波器，其中使用了單個(gè)電阻和單個(gè)電容器。上面的電路非常簡(jiǎn)單。電容器充電取決于方波的狀態(tài)。如果輸入端的方波處于高位，則電容充電，如果輸入端的方波處于低位，則電容放電。

一個(gè)變化的信號(hào)波，如方波有一個(gè)頻率，根據(jù)這個(gè)頻率，電路的輸出會(huì)發(fā)生變化。由于電路的這種行為，RC濾波器被稱為RC積分器電路。RC積分器電路根據(jù)頻率改變信號(hào)輸出，可以將方波變?yōu)槿遣ɑ蛉遣ㄗ優(yōu)檎也ā?

方波到正弦波轉(zhuǎn)換器電路圖

在本教程中，我們將使用這些RC積分器電路(RC濾波器網(wǎng)絡(luò))將方波轉(zhuǎn)換為正弦波。完整的轉(zhuǎn)換器電路圖如下所示，正如您所看到的，它只有很少的無(wú)源元件。

該電路由三級(jí)RC濾波電路組成。每個(gè)級(jí)都有自己的轉(zhuǎn)換意義，讓我們通過(guò)波形仿真來(lái)了解每個(gè)級(jí)的工作原理以及它是如何將方波轉(zhuǎn)換為正弦波的

方波轉(zhuǎn)換器的工作原理

要了解方波到正弦波轉(zhuǎn)換器是如何工作的，需要了解每個(gè)RC濾波器級(jí)發(fā)生了什么。

第一階段:

在第一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)階段，它有一個(gè)電阻串聯(lián)和電容器并聯(lián)。輸出可通過(guò)電容器。電容器通過(guò)串聯(lián)的電阻充電。但是，由于電容器是一個(gè)頻率相關(guān)的組件，它需要時(shí)間來(lái)充電。然而，這個(gè)電荷率可以由濾波器的RC時(shí)間常數(shù)決定。通過(guò)電容器的充電和放電，并且由于輸出來(lái)自電容器，因此波形高度依賴于電容器充電電壓。充電期間的電容器電壓可由下式-確定

VC = V (1 – e-(t/RC))

放電電壓可由-確定

VC = V (e-(t/RC))

因此，從上述兩個(gè)公式中可以看出，RC時(shí)間常數(shù)是決定電容器存儲(chǔ)多少電荷以及在RC時(shí)間常數(shù)期間電容器放電多少的重要因素。如果我們選擇電容的值為0.1uF，電阻器為100 k歐姆，如下圖所示，它將具有10毫秒的時(shí)間常數(shù)。

現(xiàn)在，如果通過(guò)RC濾波器提供10ms的恒定方波，則由于電容器在RC時(shí)間常數(shù)10ms內(nèi)的充放電，輸出波形將是這樣的。

波形為拋物線型指數(shù)波形。

第二階段:

現(xiàn)在第一級(jí)RC網(wǎng)絡(luò)的輸出就是第二級(jí)RC網(wǎng)絡(luò)的輸入。該RC網(wǎng)絡(luò)取拋物線型指數(shù)波形，使之成為三角形波形。通過(guò)使用相同的RC恒定充放電場(chǎng)景，第二級(jí)RC濾波器在電容器充電時(shí)提供一個(gè)直線上升的斜率，在電容器放電時(shí)提供一個(gè)直線下降的斜率。

這個(gè)階段的輸出是斜坡輸出，一個(gè)適當(dāng)?shù)娜遣ā?

第三階段:

在這第三個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)階段中，第二個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)的輸出就是第三個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)階段的輸入。它以三角斜坡波作為輸入，然后改變?nèi)遣ǖ男螤睢Ｋ峁┝艘粋€(gè)正弦波，其中三角波的上下部分變得平滑，使它們彎曲。輸出非常接近正弦波輸出。

方波變換電路R、C值的選擇

電容和電阻值是該電路最重要的參數(shù)。因?yàn)?，沒(méi)有適當(dāng)?shù)碾娙萜骱碗娮杵髦?，RC時(shí)間常數(shù)將不匹配一個(gè)特定的頻率，電容器將沒(méi)有足夠的時(shí)間來(lái)充電或放電。這將導(dǎo)致失真的輸出，甚至在高頻時(shí)，電阻將作為唯一的電阻工作，并且可以產(chǎn)生與輸入端相同的波形。因此，必須正確選擇電容器和電阻器的值。

如果輸入頻率可以改變，那么可以選擇一個(gè)隨機(jī)的電容和電阻值，并根據(jù)組合改變頻率。所有濾波級(jí)使用相同的電容和電阻器值是很好的。

作為快速參考，在低頻時(shí)，使用較高值的電容器，而在高頻時(shí)，選擇較低值的電容器。但是，如果所有元件R1、R2、R3的值相同，并且所有電容器C1、C2、C3的值相同，則可以使用下式-選擇電容器和電阻器

f = 1/(2π x R x C)

式中F為頻率，R為電阻值，單位為歐姆，C為電容，單位為法拉。

下面的原理圖是一個(gè)三級(jí)RC積分器電路，是前面描述的。然而，該電路使用4.7nF電容器和1千歐姆電阻。這在33 kHz范圍內(nèi)創(chuàng)建了一個(gè)可接受的頻率范圍。

測(cè)試我們的方波到正弦波轉(zhuǎn)換電路

原理圖是在面包板上制作的，并使用函數(shù)發(fā)生器和示波器來(lái)檢查輸出波。如果您沒(méi)有函數(shù)生成器來(lái)生成方波，您可以構(gòu)建自己的方波生成器，甚至可以使用Arduino波形生成器用于所有波形相關(guān)項(xiàng)目。電路是非常簡(jiǎn)單的，因此它很容易建立在面包板上，你可以看到下面。

在這個(gè)演示中，我們使用了一個(gè)函數(shù)發(fā)生器，如下圖所示，函數(shù)發(fā)生器被設(shè)置為所需的33 kHz方波輸出。

輸出可以在示波器上觀察到，下面給出了示波器輸出的快照。輸入方波用黃色表示，輸出正弦波用紅色表示。

本文編譯自circuitdigest