波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)全解

1、 文正 1 選題背景波形發(fā)生器又名信號源，廣泛應(yīng)用于電子電路、自動控制和科學(xué)試驗(yàn)等領(lǐng)域。雷達(dá)、通信、宇航、遙控遙測技術(shù)和電子系統(tǒng)等領(lǐng)域都隨處可見波形發(fā)生器的應(yīng)用。如今作為電子系統(tǒng)心臟的信號源的性能很大程度上決定了電子設(shè)備和系統(tǒng)的性能的提高，因此隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)今對信號源的頻率穩(wěn)定度、頻譜純度和頻率范圍以及信號波形的形 狀提出越來越高的挑戰(zhàn)。 1.1指導(dǎo)思想輸出的鋸齒波分別通入低通濾波器構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生方波，根據(jù)LM324 利用NE555 和高通濾波器就可以輸出正弦波、正弦波。 1.2 方案論證芯片構(gòu)成多諧振蕩器，輸出方波，通過鋸齒波發(fā)生電路產(chǎn)生鋸齒方案一：使用NE555 KHz?1

2、0f的正弦10KHz波，然后通過一個的低通濾波器，通過濾波產(chǎn)生一次，8KHz到H的帶通濾波器，輸出三次正弦波。其中濾出三24KHz30KHz波，然后再讓鋸齒波通過一個的周期函數(shù)，并且滿足狄里赫萊條件：在次諧波的理論依據(jù)是，由于鋸齒波是一個關(guān)于t一個周期內(nèi)具有有限個間斷點(diǎn)，且在這些間斷點(diǎn)上，函數(shù)是有限值；在一個周期內(nèi)具有有 限個極值點(diǎn)；絕對可積。的正弦波。接著是用8KHz10KHz 方案二：使用功放構(gòu)成文森橋式震蕩電路，產(chǎn)生出 KHz10f?將脈沖波分別輸入一個產(chǎn)生脈沖波輸出；NE555芯片，搭建出施密特觸發(fā)電路，H 24KHz30KHz的帶通濾波器電路中，產(chǎn)生一次和三次正弦波。的低通濾波器和最

3、初方案設(shè)計(jì)的大體思路在方案一和方案二之間猶豫不決，于是將兩個電路的大體電 路都進(jìn)行了簡單的設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)方案二存在很多的問題很難解決。常數(shù)，RC問題一：如果使用文森橋式震蕩器產(chǎn)生正弦波，改變震蕩頻率就需要改變 （在實(shí)際電路中，同時改變兩個電容的值是很復(fù)雜的，而且這樣也無法R要同時改變兩個，需要雙滑動變阻器并且要保證滑動變阻器改變的的連續(xù)的頻率）得到一個8KHZ10KHz 值完全相同，有一定困難。芯片搭建出來的是一個簡單的施密特觸發(fā)器，輸入正弦波之后，輸出問題二： NE555 的脈沖波的占空比是不可以調(diào)整的，不滿足實(shí)驗(yàn)要求的占空比可調(diào)的條件。要是施密特觸 發(fā)器產(chǎn)生的脈沖波的占空比可調(diào)會是該電路進(jìn)一步

4、復(fù)雜化。負(fù)載電阻的限制，輸出波形的峰峰值芯片的功放不夠，由于有 問題三：LM324 ?600 不能簡單的通過電阻的分壓來實(shí)現(xiàn)。 鑒于方案二存在的問題能以解決，我們就確定選擇方案一的整體思路進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)。 基本設(shè)計(jì)任務(wù)1.3 設(shè)計(jì)并制作一個頻率可變的、能夠同時輸出脈沖波、LM324 定時器和四運(yùn)放用 555 1 的波形產(chǎn)生電路。II I 和正弦波鋸齒波、正弦波 （1）四通道同時輸出。每通道輸出脈沖波、鋸齒波、正弦波I 和正弦波II 中的一種波形，通道負(fù)載電阻均為600 歐姆。 （2）四通道輸出波形的頻率關(guān)系為1：1：1：3（三次諧波）。脈沖波、鋸齒波、正弦波I 輸出頻率范圍為8kHz10kHz

5、,正弦波II 的輸出頻率范圍為24kHz30kHz。輸出波形無明顯失真。 。5%）頻率誤差不大于10%，通帶內(nèi)輸出電壓幅度峰峰值誤差不大于 （32 電路設(shè)計(jì) 2.1工作原理 NE555構(gòu)成了多諧振蕩器，內(nèi)部可以產(chǎn)生脈沖波和鋸齒波，將鋸齒波經(jīng)過LM324一個比例運(yùn)算放大電路，就可以得到所需的鋸齒波。然后讓鋸齒波輸出分別通入由LM324組成 的低通濾波器電路和高通濾波器電路，就可得到一次正弦波和二次正弦波。3 各主要電路及部件工作原理 脈沖波產(chǎn)生電路3.1脈沖波由NE555芯片搭建的多穩(wěn)態(tài)諧振器振動產(chǎn)生，頻率可調(diào)，為。參KHz108KHz 考NE555芯片使用手冊可知，芯片輸出波形的峰峰值為10V

6、左右。使用Multisim仿真的脈沖波產(chǎn)生電路如下圖1所示。 圖1 脈沖波發(fā)生電路 利用軟件進(jìn)行波形的仿真，得到脈沖波的圖形如圖2所示 2 脈沖波仿真波形圖2 鋸齒波發(fā)生電路3.2在鋸齒波發(fā)生電路的設(shè)計(jì)中，原始方案是采用教材中的鋸齒波發(fā)生電路，是通過調(diào)整 積分電路的正向和反向時間常數(shù)的不同，對輸入信號的脈沖波進(jìn)行積分產(chǎn)生鋸齒波（該電。開始是按照這個思路進(jìn)行仿真的。因?yàn)橐瑫r調(diào)整正向和反向積分路是需要二極管的）的時間常數(shù)，于是我們就想可以在調(diào)整脈沖波的輸出頻率的時候，只改變高電平或者低電平的持續(xù)時間，然后在鋸齒波發(fā)生電路中選取合適的電容值，然后就可以講正向或者反向 3是該方案的仿真電路的電阻值固

7、定，只改變另一方向的電阻值就可以了。見圖 鋸齒波產(chǎn)生電路3 圖 產(chǎn)生出脈沖波，然后通過鋸齒波產(chǎn)生電路，這里仿真沒有選擇功，是用NE555見圖 1的負(fù)載電阻以及輸出的峰峰值。脈沖波和鋸齒波發(fā)生電路的參，未考慮放為LM324?600 數(shù)取值如下 3 R?12.0K?1R?1K?2R?9K?3R?10K?4R?R?5K? 65)電位器?(R?3K7?700R?8)電位器?(R?4K20uf010.?C?C?C321根據(jù)NE555芯片的使用手冊，有以下有用公式： t?0.693(R?R)CBHAt?0.693(R)CBLperiod?t?t?0.693(R?2R)C BLHA441.?frequenc

8、y CR)R?2(BARtBHOutput_waveform_duty_?1?cycle? RR?2t?tBHLA根據(jù)以上的公式，就可以計(jì)算出理論上的各種參數(shù)： 1.44?8KHzf? min63?310?)?0.01112?4)?10?2?10(44.1KHz29f?10. max6?33100.01?110?2?10)?(12? 63?3uS1?.01?1090.0.693(12?10?1?100)?tHmin6?33uS.8?11710)?0.01?10?120t?.693(?4)101?Hmax6?3uS.109?601?t0.6931?10?0.?L常數(shù)在對鋸齒波進(jìn)行仿真的時候，發(fā)現(xiàn)

9、波形有些失真，上網(wǎng)查閱資料后得知要是RC 跟脈沖波的時間相匹配才行 。RC?t(或t) LH去鋸齒波發(fā)生電路的參數(shù)選擇及計(jì)算過程如下： 4 取C?0.01uf由RC?tH1-6101?90.R?9K? 16-10?.010min6-108117.?8K?11.R 16-10?0.01max6-109?6.?R?690 26-100.01?的4電阻和一個所示，為一個電位器組成，取仿真結(jié)果見圖如圖1RR?3K?7009K?21 鋸齒波。 圖4 鋸齒波仿真波形 從圖4的波形中算出鋸齒波的峰峰值為V4?.2Div4.2V2/Div? 再用功放來滿足峰由于要求負(fù)載電阻為，不能直接進(jìn)行分壓來控制峰峰值為,

10、 V1?600因此這種鋸齒波的單元電路的四功放無法滿足整個電路的需求，LM324峰值的要求的話，芯片構(gòu)成的脈沖波發(fā)生電路中就有需要進(jìn)行改進(jìn)。就被放棄了，查閱資料發(fā)現(xiàn)了在NE555鋸齒波，只需要在該處輸出，然后調(diào)整峰峰值便可以得到要求的鋸齒波。改進(jìn)后的電路仿 。5真圖如下圖 5 改進(jìn)后的脈沖波和鋸齒波發(fā)生電路 圖5 改進(jìn)后的電路對脈沖波發(fā)生電路的參數(shù)也進(jìn)行了調(diào)整，讓脈沖波的占空比接近一半。 鋸齒波發(fā)生電路是一個反向比例運(yùn)算電路，由公式 R?f?u?u ? oR? 參數(shù)的選擇如下： V?1由uo取 ?10KRf?35KR? NE5556。圖中另一個波形是 對該電路進(jìn)行軟件仿真得到理論上的鋸齒波波形

11、，見圖 芯片的輸出波形。 改進(jìn)電路后的脈沖波和鋸齒波的仿真波形圖6 芯片產(chǎn)生的脈沖波頻率保持一致，滿，頻率與 得到的鋸齒波的峰峰值約為NE555 V1 足實(shí)驗(yàn)要求，就完成了鋸齒波波形發(fā)生電路的理論設(shè)計(jì)。 6 3.3正弦波發(fā)生電路 在電路的設(shè)計(jì)初期，一次正弦波，也就是的正弦波發(fā)生電路是采用的是KHzKHz108 截止頻率為的二階壓控電壓源低通濾波器，電路圖見下圖 KHz?10fc 圖7 二階壓控電壓源低通濾波器原理圖 f?10KHz，查圖確定電容的標(biāo)稱值 根據(jù)截至頻率 c 圖8 二階壓控電壓源低通濾波電路參數(shù)選取參考圖 取 nF.?33C查表確定電容的值，以及時對應(yīng)的電阻。 C1K?1 1 2

12、4 6 8 10 Av 0.462 0.617 0.521 1.422 1.126 0.824 R1 2.742 2.051 1.537 2.429 5.399 2.250 R1 3.560 3.148 3.372 3.203 6.752 開路R1 32.038 0 6.752 9.444 23.602 16.012 R1 RCC.033C2C2C2C21表1 -1 二階壓控電壓源低通濾波器參數(shù)表 因?yàn)榈屯V波器的輸入直接從鋸齒波發(fā)生電路的輸出端引入，峰峰值為，所以 V1 7 A?1vR?1.422K?1 ?K5.399?R2nF1nF?33.?3.3?C0.33C?01將上列阻值乘以計(jì)算出來

13、的值 KR?1.422?3?4K?1 ?K3?16?R?5.3992 進(jìn)行電路仿真后電路圖如圖 圖9 二階壓控電壓源低通濾波器仿真電路 圖9下部分就是二階壓控電壓源低通濾波器電路（一次正弦波產(chǎn)生電路），藍(lán)色的線分別是濾波器的輸入和輸出端，其中輸入端是鋸齒波發(fā)生電路的輸出端，即輸入峰峰值為的鋸齒波。 V1 仿真的波形如下圖9所示 圖10 一次正弦波仿真波形 8 圖中，上部分波形是輸入的峰峰值為的鋸齒波，下部分是一次正弦波，頻率與鋸齒V1波保持一致，但是峰峰值沒有達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的，有所衰減。于是對電路的參數(shù)重新選擇。 V1A?2vR?1.126?3?3.3K?1R?2.250?3?6.8K?2 ?2

14、0K752?3?R?6.3?20K?3?6R?.7524nF13nF?0.33?3.?C?0.33C1 修改后的仿真電路圖如下 圖11 改進(jìn)后的二階壓控電壓源低通濾波電路 再次進(jìn)行波形的仿真，結(jié)果如下圖： 圖12 改進(jìn)后的一次正弦波仿真波形 從仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，波形的峰峰值又超過了，對電路進(jìn)行理論分析，發(fā)現(xiàn)因?yàn)槭筕1R的阻值，串上了偏置電影響了原本與地直接只有用的單電源，偏置電阻的?K10?K103R4?1A?R?100K?得阻。取根據(jù)二階壓控電壓源電路的放大倍數(shù)公式進(jìn)行電阻的調(diào)整。 3vR3 9 到的滿足條件的峰峰值為的一次正弦波。上面的波形是從鋸齒波發(fā)生電路輸出的鋸齒V1波，下面的是經(jīng)過低

15、通濾波器之后產(chǎn)生的一次正弦波波形，兩個波形的峰峰值單位都是，可知波形在的仿真結(jié)果都滿足實(shí)驗(yàn)要求。該部分的仿真設(shè)計(jì)就完KHzDiv108KHz5V/成了。 圖13 一次正弦波仿真波形 3.4 二次正弦波發(fā)生電路 二次正弦波的電路的設(shè)計(jì)思路是通過一個通帶為的帶通濾波器。設(shè)計(jì)zKHz3024KH該濾波器是采用的無限增益多路反饋（MFB）電路。該電路的電路圖如下所示。 圖14 無限增益多路反饋電路原理圖 該電路有以下公式方便參數(shù)選擇 R?R221?w 02CRRR312wf00(BW?wQ?時)或 0BWBWR3?A? v2R1為了使通帶更加平坦，應(yīng)該盡量使值大，查二階無限增益多路反饋帶通濾波器設(shè)計(jì)用

16、表 Q 10 歸一化電路元件增10681245 79999832959719171618181691191919119111191110 59639807191951R08400.0820.081.0.080083.0080.02R8313131.831.83183131.31.83183131.31.3 無限增益多路反饋電路參數(shù)選擇表表1-2 參數(shù)選擇如下：8A?v10Q?K.?1989R 1?83R?2?K.831R?313 仿真的電路圖如下圖所示： 無限增益多路反饋電路（帶通濾波器） 圖15 對電路進(jìn)行波形仿真時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)接入一個波形發(fā)生器進(jìn)行測試的時候，輸出的波形不 左右，于是想到?jīng)]有接

17、輸入信號，直接會隨著輸入信號的頻率變化而變化，始終為z17KH 查看輸入端和輸出端的波形，結(jié)果如下： 11 圖16 無限增益多路反饋電路的自激振蕩仿真波形 端，即輸入端的波形，下面的波形是輸出端的波形，仿真的波形圖中上面的波形是A ，A/B分別放在輸入和輸出端。這里沒有輸入的信號，輸出卻穩(wěn)定在將近兩個探針zKH18 可知電路產(chǎn)生了自激震蕩。 對電路進(jìn)行改進(jìn)，重新選取參數(shù) 5?Q10?Av?K.7960R?1?200R? 2?16KR?33200?R8?10R?21nF6.?C?3?22wRRR333?10?81010?200?16?27?2?0213由大，差要求距較較現(xiàn)峰峰值比小，與實(shí)驗(yàn)真形電

18、 對路的波進(jìn)行仿，發(fā)RRR?2321?w?，AA增大，而且對通帶的中心，可知，縮小的值會使放大倍數(shù)R v0v12R2RRRC1132 。改進(jìn)后的電路圖如下所示頻率影響也較小。電容值取實(shí)驗(yàn)室有的電容wnF?C3.30 17 改進(jìn)后的無限增益多路反饋電路圖 12 對電路進(jìn)行仿真，查看仿真出的波形結(jié)果如下圖，由波形可以知道該電路產(chǎn)生的三次正弦波的頻率是滿足實(shí)驗(yàn)要求的，但是峰峰值沒有達(dá)到要求的9V。兩個波形的峰峰值單位分別是和 Div1V/Div/5V 圖18 三次正弦波仿真波形 4 原理總圖 圖19 總體方框圖 5 元器件清單 13 表1-3 元器件清單 序名型號參數(shù)備555定時NE55LM32四運(yùn)

19、放LM32電0.01u3.3n電電1n10電電1電60.6電201電1電2電0.21電0.16211電161電3.3電16.8135電阻1電位器182k 6 調(diào)試過程及測試數(shù)據(jù)（或者仿真結(jié)果） 為使電路便于調(diào)試我們采用分塊調(diào)試的方法。 6.1 通電前檢查 電路安裝完畢后，經(jīng)檢查電路各部分接線正確，電源、元器件之間無短路，器件無接 錯現(xiàn)象。 6.2 仿真結(jié)果 14 總體仿真波形圖20 圖 6.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析沒有失真現(xiàn)象，可以看出方波和鋸齒波以及正弦波波形良好， 觀察示波器上顯示波形， 達(dá)到了課題的要求。 7 小結(jié)本次實(shí)驗(yàn)時間較長，在仿真設(shè)計(jì)電路的階段占了很大一部分時間，拖慢了實(shí)驗(yàn)進(jìn)度。 運(yùn)放，導(dǎo)致在設(shè)計(jì)無限增益多在電路仿真設(shè)計(jì)中，開始沒有選取實(shí)驗(yàn)要求使用的LM324路反饋電