方波到正弦波转换电路是一种重要的模拟电路，用于转换方波形到正弦波形它在电子的许多不同领域有着广泛的应用，如数学运算、声学、音频应用、逆变器、电源、函数发生器等。


在这个项目中，我们将讨论方波到正弦波转换电路工作原理以及如何使用简单的无源电子器件进行构建。您也可以查看下面列出的其他波形发生器电路。


  • 方波发生器电路

  • 正弦波发生器电路

  • 三角波发生器电路

  • 锯齿波发生器电路

使用RC网络的方正弦波转换器

方波到正弦波转换器可以使用6个无源元件，即电容器和三个电阻器来构建。使用这三个电容器和三个电阻器，一个3级RC网络可以构建以方波作为输入、以正弦波作为输出的波形。一个简单的单级RC网络电路如下所示。


Single Stage RC Network Circuit

在上述电路中单级RC滤波器示出了其中使用单个电阻器和单个电容器的情况。上面的电路非常简单。电容器的充电取决于方波的状态。如果输入中的方波处于高位，电容器将被充电，如果方波处于低位，电容器会被放电。


诸如方波之类的变化信号波具有一定的频率，根据该频率，电路的输出会发生变化。由于电路的这种行为，RC滤波器被称为RC积分器电路RC积分器电路根据频率改变信号输出，并且可以改变方波变为三角波或三角波变为正弦波.


方波到正弦波转换器电路图

在本教程中，我们将使用这些RC积分器电路（RC滤波器网络）将方波转换为正弦波。下面给出了完整的转换器电路图，正如你所看到的，它只有很少的无源元件。


Square to Sine Wave Converter Circuit Diagram

该电路由三级RC滤波器电路组成。每个阶段都有自己的转换意义，让我们通过波形模拟来了解每个阶段的工作以及它如何将方波转换为正弦波


方波变换器的工作原理

要知道方波到正弦波转换器是如何工作的，需要了解每个RC滤波器级中发生了什么。


第一阶段：


在第一个RC网络阶段，它有一个串联的电阻器和一个并联的电容器。输出可通过电容器获得。电容器通过串联的电阻器充电。但是，由于电容器是一个与频率相关的部件，充电需要时间。然而，此收费率可以由RC时间常数过滤器。通过电容器的充电和放电，并且由于输出来自电容器，因此波形高度依赖于电容器充电电压。这个充电期间的电容器电压可以通过以下公式确定-


五、<sub>C=V（1–e-（t/RC）)

和放电电压可以通过以下方式确定：


五、C=V（e-（t/RC）)

因此，根据以上两个公式，RC时间常数是决定电容器在RC时间常数期间存储多少电荷以及对电容器进行多少放电的重要因素。如果我们选择电容器的值为0.1uF，电阻器的值为100k欧姆，如下图所示，它将具有10毫秒的时间常数。


First RC Network Stage

现在，如果在这个RC滤波器上提供10ms的恒定方波，由于电容器在10ms的RC时间常数下的充电和放电，输出波形将是这样的。


First RC Network Stage Waveform

波浪是抛物线形的指数波形。


第二阶段：


现在，第一RC网络级的输出是第二RC网络级该RC网络采用抛物线形状的指数波形，并使其成为三角形波形。通过使用相同的RC恒定充电和放电场景，第二级RC滤波器在电容器充电时提供直线上升斜率，在电容器放电时提供直线下降斜率。


Second RC Network Stage

这个阶段的输出是斜坡输出，一个适当的三角波。


第三阶段：


在这个第三RC网络阶段，第二RC网络的输出是第三RC网络级的输入。它将三角形斜坡波作为输入，然后改变三角形波的形状。它提供了一个正弦波，其中三角波的上部和下部平滑，使它们弯曲。输出非常接近正弦波输出。


Third RC Network Stage

方波变换器电路的R值和C值的选择

电容器和电阻值是该电路中最重要的参数。因为，如果没有合适的电容器和电阻器值，RC时间常数将无法匹配特定频率，电容器将没有足够的时间充电或放电。这会导致输出失真，甚至在高频下，电阻器将作为唯一的电阻器工作，并可能产生与输入端相同的波形。因此，必须正确选择电容器和电阻器的值。


如果输入频率可以改变，那么可以选择一个随机的电容器和电阻器值，并根据组合改变频率。对于所有滤波器级，最好使用相同的电容器和电阻器值。


为了快速参考，在低频时，使用较高值的电容器，而在高频时，选择较低值的电容。然而，如果所有分量R1、R2和R3都是相同的值，并且所有电容器C1、C2、C3都是相同值，则可以使用以下公式来选择电容器和电阻器——


f=1/（2πx R x C）

其中，F是频率，R是以欧姆为单位的电阻值，C是以法拉为单位的电容。


下面的示意图是前面描述的三级RC积分器电路。然而，该电路使用4.7nF电容器和1千欧姆电阻器。这在33 kHz范围内创建了一个可接受的频率范围。


Square wave converter circuit

测试我们的方波到正弦波转换器电路

原理图是在试验板上制作的，函数发生器和示波器用于检查输出波形。如果你没有函数生成器来生成方波，你可以自己构建方波发生器甚至是Arduino波形发生器您可以将其用于所有与波形相关的项目。电路非常简单，因此可以很容易地构建在试验板上，如您所见。


Testing Square to Sine Wave Converter Circuit

在这个演示中，我们使用了一个函数生成器，如下图所示，函数生成器被设置为所需的33 kHz方波输出。


Testing Square to Sine Wave Converter using Function Generator

可以在示波器上观察输出，下面给出了示波器输出的快照。输入方波以黄色显示，输出正弦波以红色显示。


Square to Sine Wave Converter Waveforms

该电路在20kHz至40kHz的输入频率范围内按预期工作，您可以参考下面的视频了解电路如何工作的更多细节。希望你喜欢这个教程，学到了一些有用的东西。如果您有任何问题，请在下面的评论部分留下。或者您也可以使用我们的论坛发布其他技术问题。