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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：使用题目指定的综合测试板上的NE555 芯片和一片四运放LM324 芯片制作一个频率可变的同时输出脉冲波、锯齿波、一次和三次正弦波。进展方案设计，制作出实际电路使其到达试验要求的各项指标。一、设计任务与要求使用题目指定的综合测试板上的NE555 芯片和一片四运放LM324 芯片，设计制作一个频率可变的同时输出脉冲波、锯齿波、正弦波、正弦波的波形产生电路。给出方案设计、具体电路图和现场自测数据及波形。设计制作要求如下：1、同时四通道输出、每通道输出脉冲波、锯齿波、正弦波、正弦波中 的一种波形， 每通道输出的负载电阻均为 6
2、00 欧姆。2、四种波形的频率关系为1:1:1:33 次谐波；脉冲波、锯齿波、正弦波输出频率范围为 8KHz10KHz，输出电压幅度峰峰值为 1V；正弦波输出频率范围为 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。频率误差不大于 10%；通带内输出电压幅度峰峰值误差不大于5%。脉冲波占空比可调整。3、电源只能选用+10V 单电源，由稳压电源供给，不得使用额外电源。4、要求预留脉冲波、锯齿波、正弦波、正弦波和电源的测试端子。5、每通道输出的负载电阻 600 欧姆应标清楚、至于明显位置，便于检查。6、翻译：NE555 和 LM324
3、 的数据手册器件描述、特点、应用、确定参数、电参数。二、方案设计与论证1. 原始方案：在使用 Multisim 进展仿真设计的阶段，我想出了两种原始方案，两种方案的大体思路如下。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，然后通过一个 fH= 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 的带通滤波器，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，并且满足狄里赫莱条件：在一个周期内具有有限个连续点，且在这些连续点上，函数是有限值；在一个周期内
4、具有有限个极值点；确定可积。则有如下公式1成立。称为积分运算 f (t)的傅里叶变换F (w)=(t )e- f-jwt dt依据欧拉公式cos w t =0e jw0t + e- jw0t2就可以方案二：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= 10KHz 的低通滤波器和 24KHz30KHz 的带通滤波器电路中，产生一次和三次正H弦波。2. 总体方案设计与论证：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展了简洁的设计，觉察方案二存在很多
5、的问题很难解决。问题一：假设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洁的，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一样，有确定困难。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，不满足试验要求的占空比可调的条件。要是施密特触发器产生的脉冲波的占空比可调会是该电路进一步简洁化。问题三：LM324 芯片的功放不够，由于有600W 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
6、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展方案的设计。3. 单元电路的设计与论证：（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8KHz 10KHz参考NE555 芯片使用手册可知，芯片输出波形的峰峰值为10V 左右。使用 Multisim 仿真的脉冲波产生电路如以以下图 1 所示。图 1 脉冲波发生电路利用软件进展波形的仿真，得到脉冲波的图形如图2 所示（2） 锯齿波发生电路在锯齿波发生电路的设计中，原始方案是承受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展积分产生锯齿波
7、该电路是需要二极管的。开头是依据这个思路进展仿真的。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适宜的电容值，然后就可以讲正向或者反向的电阻值固定，只转变另一方向的电阻值就可以了。见图 3 是该方案的仿真电路。图 3锯齿波产生电路见图 1，是用 NE555 产生出脉冲波，然后通过锯齿波产生电路，这里仿真没有选择功放为 LM324，未考虑600W 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值如下R = 12.0KW1R = 1KW2R = 9KW3R = 10KW4R =R56=
8、 5KWR = 3KW(电位器)7R = 700W8R= 4KW(电位器)20C = C12= C= 0.01uf3依据NE555 芯片的使用手册，有以下有用公式：t= 0.693(RHA+ R )CBt= 0.693(R )CLBperiod = tH+ t= 0.693(RLA1.44+ 2R )CBfrequency (R+ 2R )CABtRHBOutput _ waveform _ duty _ cycle =t+ tHL= 1-R+ 2RAB依据以上的公式，就可以计算出理论上的各种参数：fmin=1.44(12 + 4) 103 + 2 1103 ) 0.0110-61.44= 8
9、KHzfmaxt= 10.29KHz(12 103 + 2 1103 ) 0.0110-6= 0.693(12103 +1103 ) 0.0110-6 = 90.1uSH mintH max= 0.693(12 + 4) 103 +1103 ) 0.0110-6= 117.8uSt= 0.6931103 0.0110-6 = 6.9uSL在对锯齿波进展仿真的时候，觉察波形有些失真，上网查阅资料后得知要是RC 常数跟脉冲波的时间相匹配才行。RC = tH(或t )L去锯齿波发生电路的参数选择及计算过程如下：取C = 0.01uf由R C = t1HR= 90.110-6 = 9KW10.0110
10、-6minR= 117.810-6 = 11.8KW1max0.0110-66.9 10-6R = 690W20.0110-6如图 1 所示， R1为一个9KW 电阻和一个3KW 电位器组成， R2取700W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600W ，不能直接进展分压来把握峰峰值为1V ,再用功放来满足峰峰值的要求的话，LM324 的四功放无法满足整个电路的需求，因此这种锯齿波的单元电路就被放弃了，需要进展改进。在教师的提示下，我觉察了在 NE555 芯片构成的脉冲波发生电路中
11、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以以下图 5。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展了调整，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u= u- Rf oR 参数的选择如下：由u= 1Vo取R= 10KWfR = 35KW对该电路进展软件仿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。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， 满足试验要求，就完成了锯齿波波
12、形发生电路的理论设计。（3） 正弦波发生电路在电路的设计初期，一次正弦波，也就是8KHz 10KHz 的正弦波发生电路是承受的是截止频率为 fc = 10KHz 的二阶压控电压源低通滤波器，电路图见以以下图图 7 二阶压控电压源低通滤波器原理图依据截至频率 f= 10KHz ，查图确定电容的标称值c图 8二阶压控电压源低通滤波电路参数选取参考图取C = 3.3nFA1246810R1.4221.1260.8240.6170.5210.462查表确定电容C 1的值，以及 K = 1时对应的电阻。v1R5.3991R开路12.2506.7521.5373.1482.0513.2032.4293.3
13、722.7423.560R106.7529.44416.01223.60232.038R0.33CC2C2C2C2C1表 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A = 1vR = 1.422KW1R = 5.399KW2C = 0.33C = 0.33 3.3nF = 1nF1将上列阻值乘以计算出来的K 值。R = 1.422 3 4KW1R = 5.399 3 16KW2进展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 下局部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
14、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。图 10 一次正弦波仿真波形图中，上局部波形是输入的峰峰值为1V 的锯齿波，下局部是一次正弦波，频率与锯齿波保持全都，但是峰峰值没有到达试验要求的1V ，有所衰减。于是对电路的参数重选择。A = 2vR = 1.126 3 3.3KW1R = 2.250 3 6.8KW2R = 6.752 3 20KW3R = 6.752 3 20KW4C = 0.33C = 0.33 3.3nF = 1nF1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展波形的仿真，结果如以以下图：图 12改进后的一次正弦波
15、仿真波形从仿真结果可以觉察，波形的峰峰值又超过了1V ，对电路进展理论分析，觉察由于使用的单电源，偏置电阻10KW 影响了原本与地直接只有10KW 的 R的阻值，串上3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 +R4 进展电阻的调整。R3取3R = 100KW 得到的满足条件的峰峰值为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 / Div ，可知波形在8KHz 10KHz 的仿真结果都满足试验要求。该局部的仿真设计就完成了。图 13 最终的8KHz 一次正弦波仿真波形图 14 最
16、终的9KHz 一次正弦波仿真波形图 14 最终的10KHz 一次正弦波仿真波形（4） 三次正弦波发生电路三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。设计该滤波器是承受的无限增益多路反响 MFB电路。该电路的电路图如下所示。图 15 无限增益多路反响电路原理图该电路有以下公式便利参数选择w2 =0R + R12R R R C 2123wfQ 0或 0(BW w 时)RBWBW0A = -3v2R1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响带通滤波器设计用表表 2 无限增益多路反响电路参数选择表归一化电路元件值(KW)Q电增益路12468
17、10元件R7.9583.9791.9891.3260.9950.796R0.1620.1660.1730.1810.1890.199R15.91515.91515.91515.91515.91515.915R15.9157.9583.0792.6351.9891.592R0.0800.0800.0810.0820.0830.084R31.83131.83131.83131.83131.83131.831参数选择如下：A = 8v5Q = 10R = 1.989KW11R = 83W20R = 31.831KW3仿真的电路图如以以下图所示：图 16 无限增益多路反响电路带通滤波器对电路进展波形仿
18、真时觉察，当接入一个波形发生器进展测试的时候，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，直接查看输入端和输出端的波形，结果如下：图 17 无限增益多路反响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 ，可知电路产生了自激震荡。对电路进展改进，重选取参数Q = 5A = 10vR = 0.796KW1R = 200W2R = 16KW3R2C =1 + R=8103 + 20(0) 3.6nFR R R w
19、28103 200 16 103 2p 27 103 21230对电路的波形进展仿真，觉察峰峰值比较小，与试验要求差距较大，由w2 =R + RR12，A = -3，可知，缩小 R1 的值会使放大倍数 A增大，而且0R R R C 2v2Rv1231对通带的中心频率w0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 18 改进后的无限增益多路反响电路对电路进展仿真，查看仿真出的波形结果如以以下图，由波形可以知道该电路产生的三次正弦波的频率是满足试验要求的，但是峰峰值没有到达要求的 9V。两个波形的峰峰值单位分别是1V / Div 和5V / Div图 19 2
20、4KHz 三次正弦波仿真波形图 2027KHz 三次正弦波仿真波形图 21 30KHz 三次正弦波仿真波形三、系统测试结果与分析1. 系统测试结果脉冲波波形如下所示，分别是8KHz、9KHz、10KHz 的波形：图 22 8KHz 脉冲波波形图 23 9KHz 脉冲波波形图 24 10KHz 脉冲波波形锯齿波的波形如下：分别是8KHz、9KHz、10KHz 的波形：图 25 8KHz 锯齿波波形图 26 9KHz 锯齿波波形图 27 10KH z 锯齿波波形2. 试验结果分析观看示波器上显示波形，可以四、试验结论本次试验时间较长，在仿真设计电路的阶段占了很大一局部时间，拖慢了试验进度。在 电路仿真设计中，开头没有选取试验要求使用的LM324 运放，导致在设计无限增益多路反响电路时消灭了自激振荡而找不到具体的缘由。把握了单电源的使用方法，以及对单电源电 路的参数选择，以及尽量减小单电源偏执电路对原电路影响的方法。了解了运放的型号不同， 参数会有所不同，会很大地影响电路仿真的结果。在实际电路的制作过程中，由于电阻、电 容值的误差，实际需要进展参数的再次调整，而且有些电路焊接的影响在电路仿真阶段是无 法预知的。