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標題: LM324波形發生器的設計思路 [打印本頁]

作者: 919188581 時間: 2020-11-5 13:54
標題: LM324波形發生器的設計思路

波形發生器亦稱函數發生器，作為實驗用信號源，是現在各種電子實驗設計應用中必不可少的儀器設備之一，函數信號發生器可以用分立元件組成，通常是單函數發生器且頻率不高，其工作不很穩定，不以調試。也可以由晶體管、運放IC等通用器件制作，更多的則是用專門的函數信號發生器IC產生。早期的函數信號發生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它們的功能較少，精度不高，頻率上限只有300KHZ，無法產生更高頻率的信號，調節方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨立調節，二者互相影響。還可利用單片集成芯片的函數發生器：能產生多種波形，達到較高的頻率，且易于調試。可以達到更高的技術指標。目前，市場上常見的波形發生器多為純硬件的搭接而成，且波形種類有限，多為鋸齒、正弦、方波、三角等波形。在電子工程、通信工程、自動化控制、遙測控制、測量儀器、儀表和計算機等技術領域，經常需要用到各種各樣的信號波形發生器。隨著集成電路的迅速發展，用集成電路可很方便地構造成各種各樣信號波形發生器。用集成電路實現的波形發生器與其他信號波形發生器比，其波形質量、幅度和頻率穩定性等性能指標，都有了很大的提高。

2.2方案論證

方案一：由555多諧振蕩器、積分電路、低通濾波器共同組成的方波—三角波—正弦波波形發生器的設計方法，電路框圖如圖2.2.1。首先由555定時器組成的多諧振蕩器產生方波，然后由積分電路將方波轉化為三角波，最后用低通濾波器將方波轉化為正弦波。

圖2.2.1 方波、三角波、正弦波、信號發生器的原理框圖

方案二：由RC正弦波振蕩電路、電壓比較器、積分電路共同組成的正弦波—方波—三角波波形發生器的設計方法，電路框圖如圖2.2。先通過RC正弦波振蕩電路產生正弦波，再通過電壓比較器產生方波，最后通過積分電路形成三角波。

圖2.2.2 正弦波、方波、三角波信號發生器的原理框圖

方案三：由比較器、積分器、差分放大器共同組成的方波—三角波—正弦波波形發生器的設計方法，電路框圖如圖2.2.2。首先由比較器輸出的方波經由積分器后輸出三角波；三角波經由差分放大器變換正弦波輸出。

圖2.2.3 方波、正弦波、三角波信號發生器的原理框圖

2.3.1分析與比較：

方案一：電路結構、思路簡單，運行時性能穩定且能較好的符合設計要求，且成本低廉、調整方便，但輸出將造成負載的輸出正弦波波形變形，因為負載的變動將拉動波形的崎變。

方案二：電路具有良好的正弦波和方波信號。但經過積分器電路產生的同步三角波信號，存在難度。原因是積分器電路的積分時間常數不變，而隨著方波信號頻率的改變，積分電路輸出的三角波幅度同時改變。若要保持三角波幅度不變，需同時改變積分時間常數的大小。三角波的缺陷，難處理，且波形質量不理想。

方案三：差分放大器具有工作點穩定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等有點。尤其作為直流放大器時，可以有效地抑制零點漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。

綜上所述，選擇方案三。

2.3.2設計要求

根據課題要求，設計制作一個可以發射三角波，正弦波，矩陣方波的波形信號發射器。波形信號發射器可實現三種波形的發射，轉換，具體要求如下：

(1)信號發生器能產生正弦波、方波和三角波三種周期性波形；

(2)輸出波形頻率在0.2Hz～20kHz范圍內連續可調；

(3)正弦波幅度為+2V和-2V。

(4)方波幅值為2V。

(5)三角波峰-峰值為2V，占空比可調。

(6)輸出信號波形無明顯失。

2.3.3系統組成

由比較器輸出的方波經由積分器后輸出三角波；三角波經由差分放大器變換正弦波輸出。波形發生器設計系統的原理框圖如圖2.3.2：

圖2.3.3 波形發生器設計系統原理框圖

2.3.4電路總體設計方案

本系統是經過比較器輸出的方波經積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。差分放大器具有工作點穩定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優點。特別是作為直流放大器時，可以有效地抑制零點漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。

波形發生器系統原理圖如圖2.3.4所示：

圖2.3.4波形發生器系統完整電路圖

2.4系統電路仿真與安裝2.4.1電路仿真2.4.2方波-三角波電路仿真

在電容

處介入一個一刀擲選擇開關，可分別選擇接入10uF、1uF、0.1uF的電容，以實現將信號頻率分為3檔：

；

。例如，選擇

檔，將示波器的A、B通道分別與電路中的測試端口

與

鏈接，啟動仿真開關，即可得到如圖5.1所示的輸出波形。

在進行單元電路設計、分析時已知，方波的輸出幅度應等于電源電壓+

，三角波的輸出幅度應不超過電源電壓

，調整電位器

可實輸出方波-三角波幅度的微調，但會影響方波-三角波的頻率；調整電位器

可實現輸出方波-三角波頻率的微調，但不會影響輸出和波形的幅度；若要在較寬的頻率范圍內調整輸出方波-三角波的頻率，則可調整接入電容

的大小。

在量程選擇開關（

大小）不變的情況下，分別將

、

從50%調整為80%，可得到不同周期（頻率）和幅度的方波-三角波波形

改變選擇開關K，接入不同的電容

量值，以調整頻率的測量量程。如要使數據更準確可調整電位器

、

的量值。

圖2.4.2方波-三角波電路輸出波形

2.4.3三角波-正弦波電路仿真

測試三角波-正弦波電路時應注意按以下步驟進行。

(1)斷開

，經

由信號源輸入50mV/100Hz的三角波（差模信號）。調節

與

，是傳輸曲線對稱。逐漸怎打差模輸入電壓，直至傳輸特性曲線形狀如圖5.2所示，記下此事后對應的差模電壓值，即為最大值。移去信號源，將

左端接地，測量差分放大器的靜態工作點

，

、

。

(2)將

與

鏈接，調節

使三角波的輸出幅度為最大值，這時

的傳輸波形應接近正弦波。調節

大小可改善輸出波形。若

的波形出現失真，則應調節和改善參數，產生失真的原因及可采取的措施有：

①若出現鐘形失真，可能是傳輸和特性曲線的線性區太寬所致，應減小

；

②若出現圓頂或平頂失真，可能是傳輸特性曲線的對稱性較差、工作點Q偏上或偏下所致，應調整電阻

。

啟動仿真開關，即可得到如圖5.3所示的三角波-正弦波輸出波形。

圖2.4.3三角波-正弦波變換的傳輸特性曲線

圖2.4.3三角波-正弦波電路輸出波形

仿真是對電路可行性的理論分析，是檢驗電路正確性的輔助手段。設計時按照理論計算選取的電路參數，帶入進行仿真后，基本得到設計的參數要求，即方波幅值為±2v，三角波峰－峰值為2v，正弦波幅值為±2v。

2.5系統電路的安裝與調試
2.5.1系統電路的安裝

1.將LM324裝上電路板，設計并排版，使各元件易于焊接且美觀；

2.分別把各電阻及電容放入適當位置，尤其注意電位器和穩壓管的接法，由于本電路用到了三個LM324，所以應明確各管腳的接線位置，并將電阻電容等焊在易于連線的位置，避免短路、少焊、虛焊等問題，也使電路易于檢查；

3.按圖接線，注意直流源的正負及接地端。

2.5.2系統電路的調試

將LM324的4腳和11腳分別接正負電壓，接上示波器觀察波形。首先分別調試各電路，在調試方波發生電路時，發現雖然有波形產生，但幅值偏小，達不到要求，多次檢查后發現，LM324所接的是 5V電壓，當調整至 15V電壓后，幅值增大，基本達到設計要求。之后調試三角波發生電路，發現也是幅值達不到要求，并且波形部分失真，又進行了仿真，并在電路板上插線連接模擬了真實電路，改變了電路參數，之后達到了設計要求。最后調試正弦波發生電路，起初沒有波形產生，后將萬用表打至蜂鳴檔檢查電路各連接點是否短路和電路焊接是否正確，找到了問題，發現有一處出現了少焊，重新焊接后，有波形產生，但發生了嚴重失真，于是又進行仿真，再次用電路板插線連接模擬真是電路，改變電路參數，使波形達到設計要求，但是頻率范圍比較窄，改變了圖中某些元件的參數（變換了電容）后，重新調試，基本達到了設計要求。

各波幅值達到設計要求后，又對參數進行了調整，使其頻率在0.02Hz～20KHz且連續可調。

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電工

作者: wallace12124 時間: 2022-8-2 10:19
感謝分享~LM324波形發生器的設計思路。

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