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1、波形发生器徐威（宁波大学 信息科学与工程学院，浙江 宁波 315211）摘要：使用题目指定综合测试板上NE555芯片和一片四运放LM324芯片制作一种频率可变同步输出脉冲波、锯齿波、一次和三次正弦波。进行方案设计，制作出实际电路使其达到实验规定各项指标。一、设计任务与规定使用题目指定综合测试板上NE555芯片和一片四运放LM324芯片，设计制作一种频率可变同步输出脉冲波、锯齿波、正弦波、正弦波波形产生电路。给出方案设计、详细电路图和现场自测数据及波形。设计制作规定如下：1、同步四通道输出、每通道输出脉冲波、锯齿波、正弦波、正弦波中 一种波形，每通道输出负载电阻均为600欧姆。 2、四种波形频率
2、关系为1:1:1:3（3次谐波）；脉冲波、锯齿波、正弦波输出频率范畴为8KHz10KHz，输出电压幅度峰峰值为1V；正弦波输出频率范畴为24KHz30KHz，输出电压幅度峰峰值为9V。脉冲波、锯齿波和正弦波输出波形应无明显失真（使用示波器测量时）。 频率误差不不不大于10%；通带内输出电压幅度峰峰值误差不不不大于5%。脉冲波占空比可调节。 3、电源只能选用+10V单电源，由稳压电源供应，不得使用额外电源。 4、规定预留脉冲波、锯齿波、正弦波、正弦波和电源测试端子。 5、每通道输出负载电阻600欧姆应标清晰、至于明显位置，便于检查。 6、翻译：NE555和 LM324数据手册（器件描述、特点、应
3、用、绝对参数、电参数）。二、方案设计与论证1.原始方案：在使用Multisim进行仿真设计阶段，我想出了两种原始方案，两种方案大体思路如下。方案一：使用NE555芯片构成多谐振荡器，输出方波，通过锯齿波发生电路产生锯齿波，然后通过一种低通滤波器，通过滤波产生一次，8KHz到10KHz正弦波，然后再让锯齿波通过一种24KHz30KHz带通滤波器，输出三次正弦波。其中滤出三次谐波理论根据是，由于锯齿波是一种关于周期函数，并且满足狄里赫莱条件：在一种周期内具备有限个间断点，且在这些间断点上，函数是有限值；在一种周期内具备有限个极值点；绝对可积。则有如下公式（1）成立。称为积分运算傅里叶变换依照欧拉公
4、式就可以方案二：使用功放构成文森桥式震荡电路，产生出8KHz10KHz正弦波。接着是用NE555芯片，搭建出施密特触发电路，产生脉冲波输出；将脉冲波分别输入一种低通滤波器和24KHz30KHz带通滤波器电路中，产生一次和三次正弦波。2.总体方案设计与论证：最初方案设计大体思路在方案一和方案二之间踌躇不决，于是将两个电路大体电路都进行了简朴设计，发现方案二存在诸多问题很难解决。问题一：如果使用文森桥式震荡器产生正弦波，变化震荡频率就需要变化RC常数，要同步变化两个R（在实际电路中，同步变化两个电容值是很复杂，并且这样也无法得到一种8KHZ10KHz持续频率），需要双滑动变阻器并且要保证滑动变阻器
5、变化值完全相似，有一定困难。问题二：NE555芯片搭建出来是一种简朴施密特触发器，输入正弦波之后，输出脉冲波占空比是不可以调节，不满足实验规定占空比可调条件。要是施密特触发器产生脉冲波占空比可调会是该电路进一步复杂化。问题三：LM324芯片功放不够，由于有负载电阻限制，输出波形峰峰值不能简朴通过电阻分压来实现。鉴于方案二存在问题能以解决，咱们就拟定选取方案一整体思路进行方案设计。3. 单元电路设计与论证：（1）脉冲波产生电路脉冲波由NE555芯片搭建多稳态谐振器振动产生，频率可调，为参照NE555芯片使用手册可知，芯片输出波形峰峰值为10V左右。使用Multisim仿真脉冲波产生电路如下图1所
6、示。 图1 脉冲波发生电路运用软件进行波形仿真，得到脉冲波图形如图2所示图2 脉冲波仿真波形（2）锯齿波发生电路在锯齿波发生电路设计中，原始方案是采用教材中锯齿波发生电路，是通过调节积分电路正向和反向时间常数不同，对输入信号脉冲波进行积分产生锯齿波（该电路是需要二极管）。开始是按照这个思路进行仿真。由于要同步调节正向和反向积分时间常数，于是咱们就想可以在调节脉冲波输出频率时候，只变化高电平或者低电平持续时间，然后在锯齿波发生电路中选用适当电容值，然后就可以讲正向或者反向电阻值固定，只变化另一方向电阻值就可以了。见图3是该方案仿真电路。图3 锯齿波产生电路见图1，是用NE555产生出脉冲波，然后
7、通过锯齿波产生电路，这里仿真没有选取功放为LM324，未考虑负载电阻以及输出峰峰值。脉冲波和锯齿波发生电路参数取值如下依照NE555芯片使用手册，有如下有用公式：依照以上公式，就可以计算出理论上各种参数：在对锯齿波进行仿真时候，发现波形有些失真，上网查阅资料后得知要是常数跟脉冲波时间相匹配才行。去锯齿波发生电路参数选取及计算过程如下：如图1所示，为一种电阻和一种电位器构成，取仿真成果见图4锯齿波。图4 锯齿波仿真波形从图4波形中算出锯齿波峰峰值为由于规定负载电阻为，不能直接进行分压来控制峰峰值为,再用功放来满足峰峰值规定话，LM324四功放无法满足整个电路需求，因而这种锯齿波单元电路就被放弃了
8、，需要进行改进。在教师提示下，我发现了在NE555芯片构成脉冲波发生电路中就有锯齿波，只需要在该处输出，然后调节峰峰值便可以得到规定锯齿波。改进后电路仿真图如下图5。图5 改进后脉冲波和锯齿波发生电路改进后电路对脉冲波发生电路参数也进行了调节，让脉冲波占空比接近一半。锯齿波发生电路是一种反向比例运算电路，由公式参数选取如下：对该电路进行软件仿真得到理论上锯齿波波形，见图6。图中另一种波形是NE555芯片输出波形。图6 改进电路后脉冲波和锯齿波仿真波形得到锯齿波峰峰值约为，频率与NE555芯片产生脉冲波频率保持一致，满足实验规定，就完毕了锯齿波波形发生电路理论设计。（3） 正弦波发生电路在电路设
9、计初期，一次正弦波，也就是正弦波发生电路是采用是截止频率为二阶压控电压源低通滤波器，电路图见下图图7 二阶压控电压源低通滤波器原理图依照截至频率，查图拟定电容标称值图8 二阶压控电压源低通滤波电路参数选用参照图取 查表拟定电容值，以及时相应电阻。1246810 1.4221.1260.8240.6170.5210.4625.3992.2501.5372.0512.4292.742开路6.7523.1483.2033.3723.56006.7529.44416.01223.60232.038表1 二阶压控电压源低通滤波器参数表由于低通滤波器输入直接从锯齿波发生电路输出端引入，峰峰值为，所将上列阻
10、值乘以计算出来值。进行电路仿真后电路图如图图9 二阶压控电压源低通滤波器仿真电路图9下某些就是二阶压控电压源低通滤波器电路（一次正弦波产生电路），蓝色线分别是滤波器输入和输出端，其中输入端是锯齿波发生电路输出端，即输入峰峰值为锯齿波。图10 一次正弦波仿真波形图中，上某些波形是输入峰峰值为锯齿波，下某些是一次正弦波，频率与锯齿波保持一致，但是峰峰值没有达到实验规定，有所衰减。于是对电路参数重新选取。修改后仿真电路图如下图11 改进后二阶压控电压源低通滤波电路再次进行波形仿真，成果如下图：图12 改进后一次正弦波仿真波形从仿真成果可以发现，波形峰峰值又超过了，对电路进行理论分析，发现由于使用单电
11、源，偏置电阻影响了原本与地直接只有阻值，串上了偏置电阻。依照二阶压控电压源电路放大倍数公式进行电阻调节。获得到满足条件峰峰值为一次正弦波。上面波形是从锯齿波发生电路输出锯齿波，下面是通过低通滤波器之后产生一次正弦波波形，两个波形峰峰值单位都是，可知波形在仿真成果都满足实验规定。该某些仿真设计就完毕了。图13 最后一次正弦波仿真波形图14 最后一次正弦波仿真波形图14 最后一次正弦波仿真波形（4） 三次正弦波发生电路三次正弦波电路设计思路是通过一种通带为带通滤波器。设计该滤波器是采用无限增益多路反馈（MFB）电路。该电路电路图如下所示。图15 无限增益多路反馈电路原理图该电路有如下公式以便参数选
12、取为了使通带更加平坦，应当尽量使值大，查二阶无限增益多路反馈带通滤波器设计用表表2 无限增益多路反馈电路参数选取表归一化电路元件值电路元件增益1246810510参数选取如下：仿真电路图如下图所示：图16 无限增益多路反馈电路（带通滤波器）对电路进行波形仿真时发现，当接入一种波形发生器进行测试时候，输出波形不会随着输入信号频率变化而变化，始终为左右，于是想到没有接输入信号，直接查看输入端和输出端波形，成果如下：图17 无限增益多路反馈电路自激振荡仿真波形仿真波形图中上面波形是A端，即输入端波形，下面波形是输出端波形，两个探针A/B分别放在输入和输出端。这里没有输入信号，输出却稳定在将近，可知电
13、路产生了自激震荡。对电路进行改进，重新选用参数对电路波形进行仿真，发现峰峰值比较小，与实验规定差距较大，由，可知，缩小值会使放大倍数增大，并且对通带中心频率影响也较小。电容值取实验室有电容。改进后电路图如下所示图18 改进后无限增益多路反馈电路对电路进行仿真，查看仿真出波形成果如下图，由波形可以懂得该电路产生三次正弦波频率是满足实验规定，但是峰峰值没有达到规定9V。两个波形峰峰值单位分别是和图19 三次正弦波仿真波形图20 三次正弦波仿真波形图21 三次正弦波仿真波形三、 系统测试成果与分析1. 系统测试成果脉冲波波形如下所示，分别是波形：图22 脉冲波波形图23 脉冲波波形图24 脉冲波波形
14、锯齿波波形如下：分别是波形：图25 锯齿波波形图26 锯齿波波形图27 锯齿波波形2. 实验成果分析观测示波器上显示波形，可以四、 实验结论本次实验时间较长，在仿真设计电路阶段占了很大一某些时间，拖慢了实验进度。在电路仿真设计中，开始没有选用实验规定使用LM324运放，导致在设计无限增益多路反馈电路时浮现了自激振荡而找不到详细因素。掌握了单电源用法，以及对单电源电路参数选取，以及尽量减小单电源偏执电路对原电路影响办法。理解了运放型号不同，参数会有所不同，会很大地影响电路仿真成果。在实际电路制作过程中，由于电阻、电容值误差，实际需要进行参数再次调节，并且有些电路焊接影响在电路仿真阶段是无法预知。
