簡易函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

陳 貞

(武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢：430080)

0 引言

信號源是研制、生產(chǎn)、測試和維修各種元器件以及整機(jī)設(shè)備時的重要設(shè)備。通過信號源產(chǎn)生不同頻率、不同波形的電壓、電流信號并加到被測元器件或設(shè)備上，用來觀察、測量被測元器件或設(shè)備的輸出響應(yīng)，以分析和確定它們的性能參數(shù)。函數(shù)信號發(fā)生器是能夠產(chǎn)生多種波形信號源的設(shè)備，如正弦波、三角波、方波等，因而廣泛用于通信、雷達(dá)、導(dǎo)航等領(lǐng)域。

目前，在學(xué)校電子實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的多波形函數(shù)信號發(fā)生器廣泛使用的是功能齊全、性能指標(biāo)高的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，但價格較貴。本文設(shè)計的簡易函數(shù)信號發(fā)生器以LM324運(yùn)放芯片為核心, 實(shí)現(xiàn)正弦波—方波—三角波的輸出，該電路結(jié)構(gòu)簡單，信號的幅度、頻率等參數(shù)可調(diào)，雖然性能指標(biāo)沒有標(biāo)準(zhǔn)的信號發(fā)生器高，但是能夠滿足一般的實(shí)驗(yàn)要求，節(jié)省教學(xué)成本。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計的電路系統(tǒng)框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)框圖

電路系統(tǒng)設(shè)計主要設(shè)計三個單元電路，分別是正弦波產(chǎn)生電路、方波產(chǎn)生電路和三角波產(chǎn)生電路，設(shè)計方案有兩種：

圖2函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計方案一

圖3函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計方案二

在實(shí)際操作過程中發(fā)現(xiàn)：方案一中正弦波產(chǎn)生電路輸出電壓要與反饋電壓靠變壓器磁路相耦合，如果耦合不緊密，有較大損耗，且正弦波頻率穩(wěn)定性不高；方案二中使用的元件不多，制作簡單，且獲得的信號非線性失真較方案一小，但電路需分級調(diào)試，因此選擇穩(wěn)定性較高的方案二。

2 LM324芯片工作原理

LM324芯片是四運(yùn)放集成電路，采用14腳雙列直插塑料封裝(DIP14)，如圖4(a)所示。LM324芯片工作電壓范圍寬，可用正電源3～30V，或正負(fù)雙電源±1.5～±15V工作。

LM324芯片的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立，每一組運(yùn)算放大器可用圖4(b)所示的符號來表示。圖中“Vi(-)”、“Vi(+)”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“VO”為輸出端。其中信號輸入端Vi(-)為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端VO的信號與該輸入端的相位相反，信號輸入端Vi(+)為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端VO的信號與該輸入端的相位相同，LM324芯片的引腳排列見圖4(c)。

由于LM324四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬、靜態(tài)功耗小、可單電源使用、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛使用在放大電路和波形轉(zhuǎn)換電路中。

圖4 LM324

3 電路設(shè)計

本文主要以運(yùn)放芯片LM324為主設(shè)計正弦波—方波—三角波的簡易函數(shù)信號發(fā)生器，設(shè)計電路圖如圖5所示。

圖5 正弦波—方波—三角波的波形轉(zhuǎn)化器電路圖

在此次設(shè)計中要求幅度可調(diào)，因此通過RC橋式正弦波振蕩電路設(shè)計好了正弦波電路之后，對正弦波產(chǎn)生電路輸出的波形進(jìn)行反相放大的設(shè)計，使用的是反相比例運(yùn)算放大電路，其放大倍數(shù)為R8/R6的阻值比例，調(diào)節(jié)R8、R6阻值的大小，即可調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。

圖6 滯回電壓比較器的傳輸特性

圖7 方波和三角波輸出電壓對應(yīng)關(guān)系

電路通過Protues仿真軟件仿真之后，得到如圖8所示的波形。

圖8 正弦波——方波——三角波波形轉(zhuǎn)換電路輸出波形圖

4 電路調(diào)試

將各元器件按照電路圖插入面包板中，接入電源后，用示波器進(jìn)行觀察。調(diào)節(jié)RV1使電路起振，然后微調(diào)RV1讓波形幅度滿足要求且輸出波形無失真，實(shí)測波形如圖9所示。

簡易函數(shù)信號發(fā)生器主要是由三級單元電路組成的，因此在調(diào)試時應(yīng)該按照單元電路的先后順序分級調(diào)試與級聯(lián)。

圖9 簡易函數(shù)信號發(fā)生器的實(shí)測波形

在調(diào)試時，正弦波產(chǎn)生電路采用RC橋式正弦波振蕩電路，此電路可自行產(chǎn)生波形，因此可先獨(dú)自安裝。注意應(yīng)先調(diào)節(jié)RV1使電路起振，否則電路將不會起振，如果輸出不是正弦波，可微調(diào)RV1使波形達(dá)到正弦波標(biāo)準(zhǔn)。三角波產(chǎn)生電路由方波產(chǎn)生電路通過積分電路后獲得，若輸出的三角波出現(xiàn)失真則可檢查前級方波輸出是否符合規(guī)范要求或者改變電阻R12的阻值，使之得到改善。

5 總結(jié)

本論文基于運(yùn)放的函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計具有電路結(jié)構(gòu)簡單，信號的幅度、頻率等參數(shù)可調(diào)等特點(diǎn)。設(shè)計的電路在實(shí)驗(yàn)室的檢測中，輸出信號穩(wěn)定，非線性失真較小，其頻率和幅度的可調(diào)節(jié)性也滿足一般實(shí)驗(yàn)要求，降低了教學(xué)成本。

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