基于四運算放大器LM324實現(xiàn)信號發(fā)生器的應用方案設計

信號發(fā)生器是指產(chǎn)生所需參數(shù)的電測試信號的儀器，電路形式可以采用由運放及分離元件構(gòu)成，也可以采用單片集成函數(shù)發(fā)生器，在生產(chǎn)實踐和科技領域中有著廣泛的應用。目前廣泛使用的一些標準產(chǎn)品，雖然功能齊全、性能指標較高，但是價格較貴，而且有許多功能用不上。這里采用帶有差動輸入的四運算放大器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軟件仿真和模擬實驗獲得了20 Hz～20 kHz的理想的波形，信號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；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，但經(jīng)過積分電路產(chǎn)生同步的三角波信號存在難度。原因是若積分電路的時間常數(shù)不變，隨著方波信號頻率的改變，輸出的三角波幅度同時改變。若要保持三角波的輸出幅度不變且線性良好，必須同時改變積分時間常數(shù)的大小。

信號的頻率由正弦振蕩電路的RC選頻網(wǎng)絡決定。由于頻率范圍跨度較大，選頻網(wǎng)絡采用三組不同容量的電容構(gòu)成三個頻段，通過波段開關選擇，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檔位開關選擇，再經(jīng)過幅度的調(diào)節(jié)電位器獨立輸出，以達到選擇信號和調(diào)節(jié)幅度的目的。

2 、單元電路的設計

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，而且是后面電路的輸入信號。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)絡兩部分組成。以運算放大器為核心構(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)絡為RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡。選頻網(wǎng)絡同時為正反饋電路，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)絡的中心頻率為fo=1／（2πRC）。當電路工作于該頻率時，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該為3A |（R4R3）／R4|，因此為了保證電路起振，要求R3》2R4。

在實際應用中，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)成負反饋網(wǎng)絡和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。調(diào)節(jié)RV3可改變負反饋的反饋系數(shù)，從而調(diào)整放大電路的電壓增益，使之滿足振蕩的復制條件。

鑒于信號頻率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)，用同軸電位器實現(xiàn)fo的微調(diào)。不同電容及振蕩頻率fo對應的電阻阻值如表1所示。

從表1可以看出，每一個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，故可實現(xiàn)頻率連續(xù)可調(diào)。如要產(chǎn)生200Hz～2 kHz的信號，可將電容置為33 nF，再同時調(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。

當輸入的正弦信號sin在正負半周之間變化時，輸出為幅值固定且與正弦波同相的方波信號squ。

2．3 三角波產(chǎn)生電路

通過波段開關（該開關應該與選頻率網(wǎng)絡的波段開關同步）選擇，以改變不同頻段電路的積分時間常數(shù)，電位器RV4可以調(diào)節(jié)輸出信號的幅度。為獲得線性良好的三角波，采用電阻R8進行負反饋限幅，并在選擇元件參數(shù)時，應使積分電路的時間常數(shù)τ=RC大于方波信號周期的一半（方波的寬度）。如信號頻率為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。在仿真過程中，有幾個問題需要注意：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，但實際仿真過程中有時會出現(xiàn)不起振的現(xiàn)象，為此可在電源中加入擾動來解決，如圖3中的-9 V電源，詳見文獻。若要變換頻段，

三組電容器須同時改變，否則會不起振或波形失真。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。通過對電路進行實驗測試，在示波器上可以觀察到三種理想的波形。應該注意的是：開關SW1，SW2，SW3要采用1個3組以上的3位波段開關。RV1，RV2采用同軸電位器進行調(diào)節(jié)。三種輸出信號可以同時并行輸出，也可以通過一個選擇開關并經(jīng)電位器（使信號幅度可調(diào)）單獨輸出。另外實際測試時電源不用再加擾動。

4 、結(jié)語

Proteus是集電路設計、分析、仿真、制版等多種功能于一身的實物仿真軟件，利用Proteus的ISIS進行設計仿真后，可以將設計結(jié)果數(shù)據(jù)直接導入Proteus的ARES進一步設計PCB，因此通過Proteus仿真技術，提高了電路設計的效率和質(zhì)量。LM324是低成本的四運算放大器，以其為核心器件設計的低頻信號發(fā)生器具有電路簡單、波形穩(wěn)定、經(jīng)濟實用、使用方便等優(yōu)點，能夠輸出實驗測試常用的正弦波、方波和三角波信號，而且信號的頻率和幅度均可以調(diào)節(jié)。該信號發(fā)生器可用于學校的教學實驗演示和業(yè)余制作測試。

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