波形信号发生器设计 Proteus仿真–输出频率可调的正弦波、三角波、方波

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1 绪论

1.1  设计任务与要求

使用分立元器件设计一个频率可调（100-10KHz）产生正弦波、方波、三角波的电路。

1.2   主要内容

本文主要描述了波形信号发生器的设计，详细的介绍了基于运算放大器LM324波形信号发生电路的搭建，能够实现输出频率在100Hz-10KHz可调的正弦波、方波、三角波。本设计以LM324为核心芯片，由RC桥式振荡电路产生正弦波，再经由过零比较器产生方波，最后经过积分电路产生三角波。该系统为纯硬件设计，没有软件设计部分。

2 系统设计方案的论证与选择

2.1  系统设计方案的论证与选择

方案一：采用555定时器多谐振荡电路产生方波，然后经过一个积分电路将方波转化为三角波，再经过一个低通滤波电路来实现三角波到正弦波的变换。由555定时器产生的信号比较微弱，输出电压在毫伏级，在观察输出波形时，可能会因为外界干扰信号的存在而使得输出信号波形不易被观察识别出，信号受干扰大。

方案二：使用传统的锁相频率合成方法。通过芯片IC145152，压控振荡器搭接的锁相环电路输出稳定性极好的正弦波，再利用过零比较器转换成方波，积分电路转换成三角波。此方案，电路复杂，干扰因素多，不易实现。

方案三：采用集成运放LM324搭建RC文氏电桥振荡器产生正弦波，正弦波的频率、幅度均可调。将产生的正弦波经过过零比较器实现方波的输出，再经过一个积分电路实现方波到三角波的转换。该方案电路简单，在集成运放的作用下，可以较容易测得所需的波形，通过参数调节可以得到稳定的波形。

通过上述三种方案的论述，方案三的设计电路结构简单，可以输出稳定的频率可调的正弦波、方波、三角波。所以，在本次设计中，我采用方案三。

2.2  系统整体设计架构

本系统由正弦波产生电路、方波产生电路和三角波产生电路三个电路组成，三个电路环环相扣。在本次设计中，以LM324作为核心芯片，采用RC桥式正弦波振荡电器做为第一级产生正弦波，产生的正弦波经过第二级电路即过零比较电路得到方波，方波经过第三级积分电路得到三角波。系统整体设计方案如图1所示。

图1 系统整体设计方案

3 系统硬件设计

3.1  正弦波电路设计

在本次设计中，采用RC桥式正弦波振荡器作为第一级产生正弦波。如图2所示为RC桥式正弦波振荡电路图。

图2 RC桥式正弦波振荡器

3.1.1  电路分析

RC桥式正弦波振荡电路由三部分组成，即放大电路、选频网络和稳压电路。RC桥式正弦波振荡电路的放大电路是由集成运放所组成的电压串联负反馈放大电路，具有输入阻抗高和输出阻抗低的特性，在电路中由R1、R3、R5构成放大电路。

滑动变阻器RV1、电容C1串联谐振回路与滑动变阻器RV2、电容C2并联谐振构成二者一起构成正反馈支路，同时兼作选频网络。通过调节串并谐振网络中的电阻值便可以调节输出频率的范围。

为了使振荡幅度稳定，通常在放大电路的反馈回路中加入非线性元件来自动调节负反馈放大电路的增益，从而维持输出电压幅度的稳定。本设计中利用两个反向并联二极管D1、D2正向电阻的非线性特性来实现稳幅。当输出电压的幅度较小时，电阻R3两端的电压低，二极管D1、D2截止，负反馈系数由R1、R3及R5决定；当输出电压的幅度增加到一定程度时，二极管D1、D2在正负半周期轮流工作，其动态电阻与R4并联，使负反馈系数加大，电压增益下降。输出电压的幅度越大，二极管的动态电阻越小，电压增益也越小，输出电压的幅度保持基本稳定。D1、D2采用硅管（温度稳定性好）IN4001，与电路特性匹配，能够保证输出波形正、负半周期对称。R3并联在两个二极管间可以削弱二极管非线性的影响，以改善波形失真。

3.1.2  理论分析与计算

（1）电路振荡的建立

所谓建立振荡，就是要使电路自激，从而产生持续的振荡，将直流电源的能量变为交流信号输出。对于RC振荡电路而言，产生振荡的条件是使其电路放大倍数大于3，即Av>3。为了维持振荡输出，必须让Av=3。

在该电路中，放大倍数计算公式为Av=1+ ，选定合适的参数，令R1=5.1K，R3=2.7K，R5=9.1K，代入公式可解得Av3.31>3。通过理论计算可以得知，电路中选用上述阻值的电阻可以使电路产生振荡。

（2）电路频率的调节

电路的振荡频率为f=  ，由公式可以得知，电路的频率可以通过调节滑动变阻器RV1、RV2来改变，当RV1、RV2两者的阻值乘积越大，频率f越小，频率f和RV1、RV2阻值的乘积成反比。

在调频网络电路中，选用两个电容值均为0.01uF的电容C1、C2，电阻值均为200K的滑动变阻器RV1、RV2。本设计要求产生输出信号的频率范围在100-10K，则利用公式f=  可以反推得到电阻值计算公式即R=  （说明：C1=C2，RV1=RV2，此处用R来代表RV1、RV2的阻值大小）。理论计算可以得到，当f=100Hz时，R=159KΩ；当f=10KHz时，R=1.6KΩ。

3.1.3  Protues仿真-正弦波

根据上述的分析，在Protues软件上进行电路图的绘制以及仿真，仿真得到如图3所示的正弦波。

图3 正弦波仿真波形 

3.2  方波电路设计

本设计中采用过零比较器实现方波的输出，即将第一级产生的正弦波经过过零比较器便可得到方波。电路图如图4所示。

图4 方波产生电路图 

3.2.1  电路分析

过零比较器是一种用来比较输入信号VI和参考电压VREF=0的电路。当输入信号电压VI小于参考电压0V时，运放处于负饱和状态，VO=VOL；当输入信号电压VI升高到略大于参考电压0V时，运放立即转入正饱和状态，VO=VOH。由此，便可将第一级产生的正弦波信号经过过零比较器得到方波。运用集成运放LM324构成的过零比较器，为了避免内部管子进入深度饱和区，在信号输出端加入了限幅电路，由两个稳压二极管串联组成，来提高响应速度。本电路中采用1N758A稳压管进行限幅，将幅度限制在±10.7V以内。

3.2.2  Protues仿真-方波

根据上述理论分析，在Protues中进行电路仿真，得到如图5所示的方波波形。

 图5 方波仿真波形

3.3  三角波电路设计

由前级电路所得到的方波经过一个积分电路便可以得到三角波。电路如图6所示。

图6 三角波产生电路 

3.3.1  电路分析

由R4、C3组成积分电路，方波从运放的反向输入端输入，而输出电压又经过电容C3反馈到反向输入端。通过对电容C3的充、放电实现状态的转换，以实现方波向三角波的转换，从而实现三角波的生成。

3.3.2  Protues仿真-三角波

由上述理论分析绘制电路图，在Protues中仿真得到如图7所示的三角波波形图。

图7 三角波仿真波形 

3.4  电路整合

前面已经将正弦波、方波、三角波三个分立的电路以搭建完成，现将这三个电路级联成为一个电路即构成了本次设计的系统。将前一级的输出信号接在下一级输入信号处即可完成整个系统的构建。本次设计在各级电路级联中并没有产生其他的问题，所以可以直接连接，不需要在外接一些电路，较为方便，如图11为三个波形同时输出的仿真图。整个系统的电路图见图8。

 图8 波形信号发生器电路图

4 电路调试

4.1  正弦波

不断的调节两个滑动变阻器，让波形不失真，观察正弦波输出波形。本次调试中选取了四个频率的输出不失真波形。如图9为输出频率为100Hz的正弦波，图10为输出频率为10KHz的正弦波，图11为输出频率50Hz左右的正弦波，图12为输出频率800Hz左右的正弦波。

图9 100Hz-正弦波 

图10 10KHz-正弦波

图11 58Hz-正弦波 

 图12 818Hz-正弦波

4.2  方波

在调试过程中，可以输出100Hz不失真良好的方波，当将频率增大到10KHz观察输出的方波波形时发现其存在严重的失真现象。此处，我采集了输出频率为100Hz、976Hz、2.6KHz三个频率的方波波形。分别如图13、14、15。

图13 100HZ-方波 

图14 967Hz-方波 

图15 2.6KHz-方波 

4.3  三角波

三角波调试过程中，需要两个滑动变阻器相互配合调节，否则会出现波形失真现象。如图16即为三角波失真波形。调节输出频率为100Hz左右时的三角波波形良好，随着频率的增大，三角波也逐渐出现失真现象。当调节频率达到10KHz时，三角波失真变成了正弦波，此时输出已不再是三角波。本次采集了频率为170Hz左右的三角波，如图17所示。

 图16 三角波失真波形

图17 170Hz-三角波 

5 总结

本设计经过实物焊接与调试，可以实现频率在100Hz-10KHz可调的正弦波、方波、三角波的输出，并且输出波形良好，无太大的失真现象。

本次设计主要是以运算放大器LM324为核心，设计了三级电路，分别是RC桥式振荡电路、过零比较电路、积分电路，其每一级对应输出相应的波形，即正弦波、方波、三角波。通过本次波形发生器的电路设计，我加深了对以上三个电路的了解。RC桥式振荡电路由放大电路、选频网络和稳压电路，明白了电路中相关电阻、电容对输出频率以及输出幅度的影响，透彻的了解了稳压电路在电路中的重要性。过零比较电路结构简单，原理简单易懂，非常实用于设计中。在积分电路中，我充分的了解到了电容充放电的相关机理，由于电容充放电，使方波信号经由积分电路可以得到三角波的输出。

本次设计焊接两次，第一次焊接线路比较乱，接线有问题致使第一次焊接没有成功。第二次将前一次焊接的线路全部拆除再次焊接，可以实现波形的输出。