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电路信号频率基于LM324的信号发生器设计与仿真

信号发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器,电路形式可以采用由运放及分离元件构成,也可以采用单片集成函数发生器,在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。目前广泛使用的一些标准产品,虽然功能齐全、性能指标较高,但是价格较贵,而且有许多功能用不上。这里采用带有差动输入的四运算放大器LM324为核心器件,通过RC桥式振荡电路产生正弦波,然后用过零比较器产生方波,再经过积分电路产生三角波。通过Proteus软件仿真和模拟实验获得了20 Hz~20 kHz的理想的波形,信号的频率和幅度都可以调节。

1 总体方案确定
波形产生和变换的方案很多,这里采用图1所示正弦波→方波→三角波方案。其中正弦波采用RC桥氏振荡电路产生,其特点是振幅和频率稳定且调节方便,能够产生频率很低的正弦信号;然后用过零比较器产生方波,再经过RC积分电路产生三角波,三种信号的频率相同。

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该电路结构简单,且能产生良好的正弦波和方波信号,但经过积分电路产生同步的三角波信号存在难度。原因是若积分电路的时间常数不变,随着方波信号频率的改变,输出的三角波幅度同时改变。若要保持三角波的输出幅度不变且线性良好,必须同时改变积分时间常数的大小。
信号的频率由正弦振荡电路的RC选频网络决定。由于频率范围跨度较大,选频网络采用三组不同容量的电容构成三个频段,通过波段开关选择,再由同轴电位器来调节振荡频率。三种波形可通过一个档位开关选择,再经过幅度的调节电位器独立输出,以达到选择信号和调节幅度的目的。

2 单元电路的设计
2.1 正弦波产生电路
正弦波产生电路不仅要产生所需输出的正弦信号,而且是后面电路的输入信号。该部分电路采用典型的RC桥氏正弦波振荡电路,如图2所示,它由放大环节与选频网络两部分组成。以运算放大器为核心构成放大环节,由电阻R1与电容C1串联、电阻R2与电容C2并联所组成的网络为RC串并联选频网络。选频网络同时为正反馈电路,提供零相移并构成同相放大器,R3,R4为深度负反馈,以获得良好的输出波形。若R1=R2=R,C1=C2=C,则选频网络的中心频率为fo=1/(2πRC)。当电路工作于该频率时,反馈系数最大且为|F|max=1/3,根据振荡条件,放大电路的电压增益至少应该为3A |(R4+R3)/R4|,因此为了保证电路起振,要求R3>2R4。

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在实际应用中,为了能够调节频率与放大器的增益,可采用如图3所示电路。其中:R3~R5与二极管D1,D2构成负反馈网络和稳幅环节。调节RV3可改变负反馈的反馈系数,从而调整放大电路的电压增益,使之满足振荡的复制条件。

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鉴于信号频率20 Hz~20 kHz跨度较大,因此采用2组各3只容量相差10倍的电容和2只同轴电位器来调节。选用不同的电容作为振荡频率fo的粗调,用同轴电位器实现fo的微调。不同电容及振荡频率fo对应的电阻阻值如表1所示。

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从表1可以看出,每一个电容和电阻的组合都可以调节一定范围的频率,而这三范围有交叉,故可实现频率连续可调。如要产生200Hz~2 kHz的信号,可将电容置为33 nF,再同时调节RV1,RV2使之与R1,R2串联的阻值在24 kΩ~2.4 kΩ之间变化。
2.2 方波产生电路
方波产生电路相对比较简单,将运算放大器LM324的反相输入端接地,同相输入端接正弦波产生电路的输出端构成过零比较器,如图4所示。

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当输入的正弦信号sin在正负半周之间变化时,输出为幅值固定且与正弦波同相的方波信号squ。

2.3 三角波产生电路
三角波产生电路采用如图5所示的RC积分电路,由运放g.JPG与R7、RV4组成。

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方波信号squ通过R7和RV4接放大器的反相输入端,输出信号由R7,RV4与k.JPG组成的RC电路进行积分变换产生的三角波tri。电容l.JPG通过波段开关(该开关应该与选频率网络的波段开关同步)选择,以改变不同频段电路的积分时间常数,电位器RV4可以调节输出信号的幅度。为获得线性良好的三角波,采用电阻R8进行负反馈限幅,并在选择元件参数时,应使积分电路的时间常数τ=RC大于方波信号周期的一半(方波的宽度)。如信号频率为100Hz,则方波的宽度为0.005s,若取C=1μF,则R>5kΩ。

3 电路仿真与测试
在Proteus中绘制图3~图5所示各部分电路,三部分电路按照图1所示关系连接,再将各部分电路的输出端接虚拟示波器,然后开始仿真,即可观察到图6所示的仿真波形。Proteus中原理图的绘制与仿真见文献。在仿真过程中,有几个问题需要注意:根据理论推算,正弦波产生电路在放大器的增益大于3即可起振,但实际仿真过程中有时会出现不起振的现象,为此可在电源中加入扰动来解决,如图3中的-9 V电源,详见文献。若要变换频段,i.JPGj.JPG三组电容器须同时改变,否则会不起振或波形失真。电位器RV1,RV2要调节到相同的阻值,调节RV3使输出正弦波幅值达到最大不失真状态,RV4可以调节输出三角波的幅度。通过对电路进行实验测试,在示波器上可以观察到三种理想的波形。应该注意的是:开关SW1,SW2,SW3要采用1个3组以上的3位波段开关。RV1,RV2采用同轴电位器进行调节。三种输出信号可以同时并行输出,也可以通过一个选择开关并经电位器(使信号幅度可调)单独输出。另外实际测试时电源不用再加扰动。

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4 结语
Proteus是集电路设计、分析、仿真、制版等多种功能于一身的实物仿真软件,利用Proteus的ISIS进行设计仿真后,可以将设计结果数据直接导入Proteus的ARES进一步设计PCB,因此通过Proteus仿真技术,提高了电路设计的效率和质量。LM324是低成本的四运算放大器,以其为核心器件设计的低频信号发生器具有电路简单、波形稳定、经济实用、使用方便等优点,能够输出实验测试常用的正弦波、方波和三角波信号,而且信号的频率和幅度均可以调节。该信号发生器可用于学校的教学实验演示和业余制作测试。

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