基于LM324的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)與仿真

摘要：針對學(xué)校教學(xué)實(shí)驗(yàn)和業(yè)余制作測試等需要，以運(yùn)算放大器LM324為核心器件，設(shè)計(jì)了一個(gè)能產(chǎn)生常用波形的簡易低頻信號(hào)發(fā)生器。經(jīng)過計(jì)算分析確定了電路的相關(guān)參數(shù)，在Proteus中進(jìn)行了仿真，并通過實(shí)驗(yàn)測試獲得了20 Hz～20 kHz的所需波形。該信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，信號(hào)的頻率與幅度均可以調(diào)節(jié)，波形穩(wěn)定、失真度小。
關(guān)鍵詞：信號(hào)發(fā)生器；設(shè)計(jì)與仿真；Proteus；LM324

    信號(hào)發(fā)生器是指產(chǎn)生所需參數(shù)的電測試信號(hào)的儀器，電路形式可以采用由運(yùn)放及分離元件構(gòu)成，也可以采用單片集成函數(shù)發(fā)生器，在生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。目前廣泛使用的一些標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，雖然功能齊全、性能指標(biāo)較高，但是價(jià)格較貴，而且有許多功能用不上。這里采用帶有差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器LM324為核心器件，通過RC橋式振蕩電路產(chǎn)生正弦波，然后用過零比較器產(chǎn)生方波，再經(jīng)過積分電路產(chǎn)生三角波。通過Proteus軟件仿真和模擬實(shí)驗(yàn)獲得了20 Hz～20 kHz的理想的波形，信號(hào)的頻率和幅度都可以調(diào)節(jié)。

1 總體方案確定
    波形產(chǎn)生和變換的方案很多，這里采用圖1所示正弦波→方波→三角波方案。其中正弦波采用RC橋氏振蕩電路產(chǎn)生，其特點(diǎn)是振幅和頻率穩(wěn)定且調(diào)節(jié)方便，能夠產(chǎn)生頻率很低的正弦信號(hào)；然后用過零比較器產(chǎn)生方波，再經(jīng)過RC積分電路產(chǎn)生三角波，三種信號(hào)的頻率相同。

    該電路結(jié)構(gòu)簡單，且能產(chǎn)生良好的正弦波和方波信號(hào)，但經(jīng)過積分電路產(chǎn)生同步的三角波信號(hào)存在難度。原因是若積分電路的時(shí)間常數(shù)不變，隨著方波信號(hào)頻率的改變，輸出的三角波幅度同時(shí)改變。若要保持三角波的輸出幅度不變且線性良好，必須同時(shí)改變積分時(shí)間常數(shù)的大小。
    信號(hào)的頻率由正弦振蕩電路的RC選頻網(wǎng)絡(luò)決定。由于頻率范圍跨度較大，選頻網(wǎng)絡(luò)采用三組不同容量的電容構(gòu)成三個(gè)頻段，通過波段開關(guān)選擇，再由同軸電位器來調(diào)節(jié)振蕩頻率。三種波形可通過一個(gè)檔位開關(guān)選擇，再經(jīng)過幅度的調(diào)節(jié)電位器獨(dú)立輸出，以達(dá)到選擇信號(hào)和調(diào)節(jié)幅度的目的。

2 單元電路的設(shè)計(jì)
2．1 正弦波產(chǎn)生電路
    正弦波產(chǎn)生電路不僅要產(chǎn)生所需輸出的正弦信號(hào)，而且是后面電路的輸入信號(hào)。該部分電路采用典型的RC橋氏正弦波振蕩電路，如圖2所示，它由放大環(huán)節(jié)與選頻網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。以運(yùn)算放大器為核心構(gòu)成放大環(huán)節(jié)，由電阻R1與電容C1串聯(lián)、電阻R2與電容C2并聯(lián)所組成的網(wǎng)絡(luò)為RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)。選頻網(wǎng)絡(luò)同時(shí)為正反饋電路，提供零相移并構(gòu)成同相放大器，R3，R4為深度負(fù)反饋，以獲得良好的輸出波形。若R1=R2=R，C1=C2=C，則選頻網(wǎng)絡(luò)的中心頻率為fo=1／(2πRC)。當(dāng)電路工作于該頻率時(shí)，反饋系數(shù)最大且為|F|max=1／3，根據(jù)振蕩條件，放大電路的電壓增益至少應(yīng)該為3A |(R4+R3)／R4|，因此為了保證電路起振，要求R3>2R4。

    在實(shí)際應(yīng)用中，為了能夠調(diào)節(jié)頻率與放大器的增益，可采用如圖3所示電路。其中：R3～R5與二極管D1，D2構(gòu)成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。調(diào)節(jié)RV3可改變負(fù)反饋的反饋系數(shù)，從而調(diào)整放大電路的電壓增益，使之滿足振蕩的復(fù)制條件。

    鑒于信號(hào)頻率20 Hz～20 kHz跨度較大，因此采用2組各3只容量相差10倍的電容和2只同軸電位器來調(diào)節(jié)。選用不同的電容作為振蕩頻率fo的粗調(diào)，用同軸電位器實(shí)現(xiàn)fo的微調(diào)。不同電容及振蕩頻率fo對應(yīng)的電阻阻值如表1所示。

    從表1可以看出，每一個(gè)電容和電阻的組合都可以調(diào)節(jié)一定范圍的頻率，而這三范圍有交叉，故可實(shí)現(xiàn)頻率連續(xù)可調(diào)。如要產(chǎn)生200Hz～2 kHz的信號(hào)，可將電容置為33 nF，再同時(shí)調(diào)節(jié)RV1，RV2使之與R1，R2串聯(lián)的阻值在24 kΩ～2．4 kΩ之間變化。
2．2 方波產(chǎn)生電路
    方波產(chǎn)生電路相對比較簡單，將運(yùn)算放大器LM324的反相輸入端接地，同相輸入端接正弦波產(chǎn)生電路的輸出端構(gòu)成過零比較器，如圖4所示。

    當(dāng)輸入的正弦信號(hào)sin在正負(fù)半周之間變化時(shí)，輸出為幅值固定且與正弦波同相的方波信號(hào)squ。
2．3 三角波產(chǎn)生電路
    三角波產(chǎn)生電路采用如圖5所示的RC積分電路，由運(yùn)放與R7、RV4組成。

    方波信號(hào)squ通過R7和RV4接放大器的反相輸入端，輸出信號(hào)由R7，RV4與組成的RC電路進(jìn)行積分變換產(chǎn)生的三角波tri。電容通過波段開關(guān)(該開關(guān)應(yīng)該與選頻率網(wǎng)絡(luò)的波段開關(guān)同步)選擇，以改變不同頻段電路的積分時(shí)間常數(shù)，電位器RV4可以調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的幅度。為獲得線性良好的三角波，采用電阻R8進(jìn)行負(fù)反饋限幅，并在選擇元件參數(shù)時(shí)，應(yīng)使積分電路的時(shí)間常數(shù)τ=RC大于方波信號(hào)周期的一半(方波的寬度)。如信號(hào)頻率為100Hz，則方波的寬度為0．005s，若取C=1μF，則R>5kΩ。

3 電路仿真與測試
    在Proteus中繪制圖3～圖5所示各部分電路，三部分電路按照圖1所示關(guān)系連接，再將各部分電路的輸出端接虛擬示波器，然后開始仿真，即可觀察到圖6所示的仿真波形。Proteus中原理圖的繪制與仿真見文獻(xiàn)。在仿真過程中，有幾個(gè)問題需要注意：根據(jù)理論推算，正弦波產(chǎn)生電路在放大器的增益大于3即可起振，但實(shí)際仿真過程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)不起振的現(xiàn)象，為此可在電源中加入擾動(dòng)來解決，如圖3中的-9 V電源，詳見文獻(xiàn)。若要變換頻段，三組電容器須同時(shí)改變，否則會(huì)不起振或波形失真。電位器RV1，RV2要調(diào)節(jié)到相同的阻值，調(diào)節(jié)RV3使輸出正弦波幅值達(dá)到最大不失真狀態(tài)，RV4可以調(diào)節(jié)輸出三角波的幅度。通過對電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，在示波器上可以觀察到三種理想的波形。應(yīng)該注意的是：開關(guān)SW1，SW2，SW3要采用1個(gè)3組以上的3位波段開關(guān)。RV1，RV2采用同軸電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)。三種輸出信號(hào)可以同時(shí)并行輸出，也可以通過一個(gè)選擇開關(guān)并經(jīng)電位器(使信號(hào)幅度可調(diào))單獨(dú)輸出。另外實(shí)際測試時(shí)電源不用再加擾動(dòng)。

4 結(jié)語
    Proteus是集電路設(shè)計(jì)、分析、仿真、制版等多種功能于一身的實(shí)物仿真軟件，利用Proteus的ISIS進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真后，可以將設(shè)計(jì)結(jié)果數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入Proteus的ARES進(jìn)一步設(shè)計(jì)PCB，因此通過Proteus仿真技術(shù)，提高了電路設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。LM324是低成本的四運(yùn)算放大器，以其為核心器件設(shè)計(jì)的低頻信號(hào)發(fā)生器具有電路簡單、波形穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，能夠輸出實(shí)驗(yàn)測試常用的正弦波、方波和三角波信號(hào)，而且信號(hào)的頻率和幅度均可以調(diào)節(jié)。該信號(hào)發(fā)生器可用于學(xué)校的教學(xué)實(shí)驗(yàn)演示和業(yè)余制作測試。