波形发生器的设计

1、波形发生器的设计 波形发生器的设计 1选题背景 波形发生器又名信号源，广泛应用于电子电路、自动掌握和科学试验等领域。雷达、通信、宇航、遥控遥测技术和电子系统等领域都随处可见波形发生器的应用。如今作为电子系统心脏的信号源的性能很大程度上打算了电子设备和系统的性能的提高，因此随着电子技术的不断进展，现今对信号源的频率稳定度、频谱纯度和频率范围以及信号波形的外形提出越来越高的挑战。 1.1指导思想 利用ne555勾成多谐振荡器产生方波，依据lm324输出的锯齿波分别通入低通滤波器和高通滤波器就可以输出正弦波i、正弦波u。 1.2方案论证 方案一：使用ne555芯片构成多谐振荡器，输出方波，通过锯齿波

2、发生电路产生锯齿波，然后通过一个f h =10khz的低通滤波器，通过滤波产生一次，8khz到10khz的正弦波，然后再让锯齿波通过一个24khz30khz勺带通滤波器，输出三次正弦波。其中滤出三次谐波的理论依据是，由于锯齿波是一个关于t的周期函数，并且满意狄里赫莱条件：在 一个周期内具有有限个间断点，且在这些间断点上，函数是有限值；在一个周期内具有有限个极值点；肯定可积。 方案二：使用功放构成文森桥式震荡电路，产生出8khz10khz的正弦波。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个 f h =10khz的低通滤波器和24khz30khz的带通滤波

3、器电路中，产生一次和三次正弦波。 最初方案设计的大体思路在方案一和方案二之间迟疑不决，于是将两个电路的大体电 路都进行了简洁的设计，发觉方案二存在许多的问题很难解决。 问题一：假如使用文森桥式震荡器产生正弦波，转变震荡频率就需要转变rc常数， 要同时转变两个r （在实际电路中，同时转变两个电容的值是很简单的，而且这样也无法得到一个 8khz10khz的连续的频率），需要双滑动变阻器并且要保证滑动变阻器转变的值完全相同，有肯定困难。 问题二：ne555芯片搭建出来的是一个简洁的施密特触发器，输入正弦波之后，输出的脉冲波的占空比是不行以调整的，不满意试验要求的占空比可调的条件。要是施密特触发器产生

4、的脉冲波的占空比可调会是该电路进一步简单化。 问题三：lm324芯片的功放不够，由于有6001负载电阻的限制，输出波形的峰峰值不能简洁的通过电阻的分压来实现。 鉴于方案二存在的问题能以解决，我们就确定选择方案一的整体思路进行方案的设计。 1.3基本设计任务 用555定时器和四运放lm324设计并制作一个频率可变的、能够同时输出脉冲波、锯齿波、正弦波i和正弦波ii的波形产生电路。 （1）四通道同时输出。每通道输出脉冲波、锯齿波、正弦波i和正弦波ii中的一种波形，通道负载电阻均为600欧姆。 （2）四通道输出波形的频率关系为1：1：1 : 3 （三次谐波）。脉冲波、锯齿波、正弦波i输出频率范围为8

5、khz10khz,正弦波ii的输出频率范围为24khz30khz输出波形无明显失真。 （3）频率误差不大于10%通带内输出电压幅度峰峰值误差不大于5% 2电路设计 2.1工作原理 ne555勾成了多谐振荡器，内部可以产生脉冲波和锯齿波，将锯齿波经过lm324一个比例运算放大电路，就可以得到所需的锯齿波。然后让锯齿波输出分别通入由lm324组成的低通滤波器电路和高通滤波器电路，就可得到一次正弦波和二次正弦波。 3各主要电路及部件工作原理 3.1脉冲波产生电路 脉冲波由ne555芯片搭建的多稳态谐振器振动产生，频率可调，为 8k h z10k h。参考ne555芯片使用手册可知，芯片输出波形的峰峰

6、值为10v左右。使用multisim 仿真的脉冲波产生电路如下图1所示。 图1脉冲波发生电路 的电阻值固定，只转变另一方向的电阻值就可以了。见图 ed va 二52 ；r4 . “ . 1uklj . r? n h n ibaiibni s l、二尺3 ; r - ?i - in3a : mm ：:冷网v 4总 . 3是该方案的仿真电路 e）. 利用软件进行波形的仿真，得到脉冲波的图形如图2所示 图2脉冲波仿真波形 3.2锯齿波发生电路 在锯齿波发生电路的设计中，原始方案是采纳教材中的锯齿波发生电路，是通过调整积分电路的正向和反向时间常数的不同，对输入信号的脉冲波进行积分产生锯齿波（该电路是需

7、要二极管的）。开头是根据这个思路进行仿真的。由于要同时调整正向和反向积分的时间常数，于是我们就想可以在调整脉冲波的输出频率的时候，只转变高电平或者低电平的持续时间，然后在锯齿波发生电路中选取合适的电容值，然后就可以讲正向或者反向 u2a th- ，o.olpf output _ waveform _ duty _ cycle = t h t h t l r b r a 2r b 依据以上的公式，就可以计算出理论上的各种参数: min _ 1.44 (12 4) 103 2 1 103) 0.01 10 = 8khz 1 44 f max 3 3 6 =10.29 khz (12 103 2 1

8、 103) 0.01 10 t h min =0.693(12汉103 十1汇103)汉0.010厘=90.1us t h max =0.693(12 +4)氷103 +仔103戶0.01咒10上=117.8us 3 _6 t l =0.693 1 10 0.01 10 -6.9us 在对锯齿波进行仿真的时候，发觉波形有些失真，上网查阅资料后得知要是 常数跟脉冲波的时间相匹配才行 。 rc rc f (或俎) 图3锯齿波产生电 见图1是用ne555产生出脉冲波，然后通过锯齿波产生电路，这里仿真没有选择功 放为lm324，未考虑600“的负载电阻以及输出的峰峰值。脉冲波和锯齿波发生电路的参 数取

9、值如下 r12.0kj r 2 = 1k. r 3 = 9k riokj r 5 = r 6 = 5 k 1 1 r 7 = 3k (电位器) r700j r 20 =40 q 电位器) g =c 2 =c 3 =0.01uf 依据ne555芯片的使用手册，有以下有用公式: t h =0.693(r a r b )c 九=0.693( r b )c period =t h t |_ =0.693(r a 2r b )c 1.44 frequency : (r a +2r b )c 去锯齿波发生电路的参数选择及计算过程如下： 取 c =0.01uf 如图1所示，r 为一个9k0电阻和一个3kc

10、电位器组成，r 2取7000仿真结果见图4的 锯齿波。 图4锯齿波仿真波形 从图4的波形中算出锯齿波的峰峰值为 2v /div 2.2div -4.4v 由于要求负载电阻为6 00，不能直接进行分压来掌握峰峰值为1v ,再用功放来满意峰 峰值的要求的话，lm324的四功放无法满意整个电路的需求，因此这种锯齿波的单元电 路就被放弃了，需要进行改进。查阅资料发觉了在 ne555芯片构成的脉冲波发生电路中 就有锯齿波，只需要在该处输出，然后调整峰峰值便可以得到要求的锯齿波。改进后的电 路仿真图如下图5。 r i = min -6 0.01 106 r max -6 117?8 10 “1.82 0.

11、01 10 6 6.9 106 0.01 10-6 二 690 1 channd_a chamd_b 3.wv 0-000 v 3书彳甘 0-000 v o.ov o a ov | re ver-se | seve time 54.069 ms 54.069 rre; q.(xx)s channd a chared b 图5改进后的脉冲波和锯齿波发生 电路 改进后的电路对脉冲波发生电路的参数也进行了调整，让脉冲波的占空比接近一半 锯齿波发生电路是一个反向比例运算电路，由公式 r f、 uo =u - r 参数的选择如下： 由u o =1 取 r f =10k r = 35k 对该电路进行软件仿

12、真得到理论上的锯齿波波形，见图6。图中另一个波形是ne555芯片的输出波形。 4.717 v . .737v |i.o0(iv chmh a charnse t itos sih!salt： 5 vjtov atoa：olajir ypwiflpivjf-m y pos 0r)；is q ； .帀心0i x ；” o丙沁尢如2 *ji .lw：t vcc iuv 图6改进电路后的脉冲波和锯齿波 的仿真波形 得到的锯齿波的峰峰值约为1v，频率与ne555芯片产生的脉冲波频率保持全都，满意试验要求，就完成了锯齿波波形发生电路的理论设计。 3.3正弦波发生电路 在电路的设计初期，一次正弦波，也就是8

13、k h vokhz的正弦波发生电路是采纳 的是截止频率为fc=1okhz的二阶压控电压源低通滤波器，电路图见下图 c 图7二阶压控电压源低通滤波器原理图 依据截至频率fc=1okhz查图确定电容的标称值 io io2 a(h) z =( 14101) hz l(l2lo1 x(hz) 图8二阶压控电压源低通滤波电路参 数选取参考图 取c =3.3 nf 查表确定电容c i的值，以及k =1时对应的电阻 表1 -1二阶压控电压源低通滤波器参数表 由于低通滤波器的输入直接从锯齿波发生电路的输出端引入，峰峰值为1v，所以 a =1 r =1.422 2 r2=5.399k g =0.33c =0.3

14、3 3.3nf =1nf 将上列阻值乘以计算出来的k值 r =1.422 3 4k r2 =5.399 3 t6k 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下部分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），蓝色的线分别是滤波器的输入和输出端，其中输入端是锯齿波发生电路的输出端，即输入峰峰值为 1v的锯齿波。 仿真的波形如下图9所示 图10 一次正弦波仿真波形 图中，上部分波形是输入的峰峰值为 1v的锯齿波，下部分是一次正弦波，频率与锯齿波保持全都，但是峰峰值没有达到试验要求的 1v，有所衰减。于是对电路的参数重新选择。 代=2 r =1.126 3 ：

15、3.3k r 2 =2.250 3 ： 6.8kj =6.752 3 ： 20k 民=6.752 3 ： 20k g = 0.33c = 0.33 3.3nf =1nf 修改后的仿真电路图如下 图11改进后的二阶压控电 压源低通滤波电路 再次进行波形的仿真，结果如下图 保存 外 时闻 4z396 ms 4zs96 ms q.oks 通追_a 5. 109 - 5.109 v 0.000v 5.501 v 5.501 v 0-000 v i * + t1 图12改进后的一次正弦波仿真波 劇度：2忡 刻js ： :、n ； y 轴位移（格）：-1 y 轴位移格）：-3 則 200 us/drv i

16、f 立穆骼）：0 ii wa r/s 边和 e3 c 水平： 从仿真结果可以发觉，波形的峰峰值又超过了1v，对电路进行理论分析，发觉由于 使用的单电源，偏置电阻10k影响了原本与地直接只有10k的r3的阻值，串上了偏置电阻。依据二阶压控电压源电路的放大倍数公式av=1进行电阻的调整。取 r3=100k得到的满意条件的峰峰值为1v的一次正弦波。上面的波形是从锯齿波发生电路输出的锯齿波，下面的是经过低通滤波器之后产生的一次正弦波波形，两个波形的峰峰值单位都是5v/d i v,可知波形在8k h z10kh 的仿真结果都满意试验要求。该部分的仿真设计就完成了。 n es 时间 36.087 ms 3

17、6.0b7ms 11道鼻通道丄 斗.461v 4.461 v j t2-t10.000 .0.000 v 图13 一次正弦波 仿真波形 3?4二次正弦波发生电路 二次正弦波的电路的设计思路是通过一个通带为24khz 30khz的带通滤波器。设计该滤波器是采纳的无限增益多路反馈（mfb ）电路。该电路的电路图如下所示。 图14无限增益多路反ux-xscl 馈电路原理图 该电路有以下公式便利参数选择 2 r1 r2 w。 2 rr2r3c2 q ：w或f。（bw： w0时） bw bw 2r1 为了使通带更加平坦，应当尽量使q值大，查二阶无限增益多路反馈带通滤波器设计用表 表1-2无限增益多路反馈

18、电路参数选择参数选择如下: 图15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觉，当接入一个波形发生器进行测试的时候，输出的波形不 会随着输入信号的频率变化而变化，始终为 17khz 左右，于是想到没有接输入信号，直接 图16无限增益多路反馈电路的自激振荡 仿真波形 仿真的波形图中上面的波形是 a 端，即输入端的波形，下面的波形是输出端的波形, 两个探针a/b 分别放在输入和输出端。这里没有输入的信号，输出却稳定在将近 18khz ，仿真的电路图如下图所示： lml ：zp* 欢匚山血 i 404 |.： u.s th= a v = 8 q =10 r i =1.9892 r

19、 2 = 83 j r =31.8313 查看输入端和输出端的波形，结果如下: 1ldv 阳f 如 l 1册粘 run.: .hkhr 可知电路产生了自激震荡。 对电路进行改进，重新选取参数 q =5 a =10 r i =0.796k j r 2 = 200j. r s =162 频率w 。影响也较小。电容值取试验室有的电容 c=3.3nf 。改进后的电路图如下所示 图17改进后的无限增益多路反馈电路 对电路进行仿真，查看仿真出的波形结果如下图，由波形可以知道该电路产生的三次 正弦波的频率是满意试验要求的，但是峰峰值没有达到要求的 9v 。两个波形的峰峰值单 位分别是1v/div 和5v/d

20、iv r 1 r 2 r 1 r 2 r 3w o 8x 103 +200 8：103；200；16：103 汶（2兀疋 27；103了 :3.6nf 对电路的波形进行仿真，发觉峰峰值比较小，与试验要求差距较大，由 2 w o r 1 r 2 2 r.1 r 2 r 3c ，a v 二 朵，可知，缩小r 的值会使放大倍数a v 增大，而且对通带的中心 vcc 10v r20 c6 3.3nf r1c 2仙 c5 13nf 图19总体方框图 5元器件清单 表1-3元器件清单 4原理总图 vcc 1w 时间 血目23 昭 血阳晡 q.wos o_a 350.29 mv 350.29 mv d.oo

21、ov 通道 輔 b1g oa liib 8 蟻 图18三次正弦波仿真波形 555_virtual 3.3 nf r12 -aaar 33ko a .a in f r13 -av r14 . vsar1 1dkq r15 101(0 r16 -wlt 铀帕 33rf lm324ad rid vcc 10 v pm 2kq me -wv 2kd 10 v vcc r1t i6k! 6调试过程及测试数据（或者仿真结果） 为使电路便于调试我们采纳分块调试的方法。 6.1通电前检查 电路安装完毕后，经检查电路各部分接线正确，电源、元器件之间无短路，器件无接错现象。 6.2仿真结果 图20总体仿真波形 图 6.3试验结果分析 观看示波器上显示波形，可以看出方波和锯齿波以及正弦波波形良好， 没有失真现象, 达到了课题的要求。 7小结 本次试验时间较长，在仿真