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基于LM324的信号发生器电路设计与仿真

2024-12-01 88 上传者：管理员

摘要：信号发生器电路在电气实验与工程领域应用广泛。为满足实验教学需要，基于LM324芯片自主设计了一款集成三角波发生器电路、加法器电路、滤波器电路及比较器电路的信号发生电路。通过精心设计与计算各元件参数，利用Multisim软件绘制并仿真电路图，验证了设计方案的可行性。仿真过程中，重点观察了波形的形状，评估了信号是否失真，以确保满足实验要求。该发生器设计简洁，成本低廉，通过调整元件参数灵活提升信号发生器性能，以期为电子实验教学提供重要参考。

关键词：
信号发生器
波形
电子设备
电路仿真
电路设计
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信号发生器作为一种电子仪器，用于产生各种类型的电信号，这些信号涵盖了不同的频率、振幅和波形，广泛应用于电子设备、电路及系统的测试、测量与调试过程中。目前在市场上，信号发生器的种类繁多，从基于MCS-51单片机[1]和DSP Builder[2]设计的，到采用CL8038集成芯片、LF353芯片[3]构建的，再到以FPGA为核心[4]的硬件电路，不一而足。然而，这些设备往往价格不菲且操作复杂，给使用者带来一定困扰。鉴于此，开发一款基于常用芯片LM324、设计简洁且易于操作的信号发生器显得尤为重要。本设计集成了三角波发生器电路，加法器电路、比较器电路及滤波器电路，旨在通过各电路模块的协同工作，产生所需要的波形信号，满足更多用户的不同需求和应用场景。在验证与仿真阶段，设计人员采用了Multisim软件，以确保设计满足预定的实验要求，最终达到预期的波形生成效果。

1、设计思路

图1为由一片四运放芯片LM324组成的信号发生器电路原理框图。

图1信号发生器电路原理图

首先，通过低频信号源(函数发生器)产生一个正弦波信号，其数学表达式为ui1=0.1sin 2πf0t,其中f0=500 Hz。随后，将这一正弦波信号接入加法器的一个输入端，同时加法器的另一个输入端则连接一个自制的振荡器所产生的信号uo1。加法器波形图如图2所示。

图2加法器波形图

加法器的输出电压uoa由两部分组成：一是ui1的10倍，即10ui1;二是自制振荡器产生的信号uo1。ui2信号随后进入选频滤波器电路，该电路的作用是滤除uo1的频率分量，从而选出频率为f0(即500 Hz)的信号作为uo2。uo2信号的峰峰值应等于9 V的正弦波信号，且在示波器上观察时无明显失真现象。uo2信号经过比较器处理，并在1 kΩ的负载电阻上得到输出电压uo3,uo3的峰峰值应为2 V。值得注意的是，本设计中所使用的电源仅限于+12 V和+5 V两种单电源，不得使用其他额外电源或其他型号的运算放大器。

2、设计方案

本设计使用一片LM324芯片构建三角波发生电路，产生的三角波信号随后与函数信号发生器输出的正弦波信号进行相加。相加后的信号通过专门设计的滤波电路进行处理，以提取所需的正弦波信号。最终，这个滤波后的正弦波信号被用作电压比较器的输入信号，从而输出符合设计要求的信号波形。

在实验过程中，设计人员选用+12 V稳压电源为整个电路供电。值得注意的是，后续文中提及的LM324芯片均默认采用+12 V电源供电，为简化图示，电源供电部分将不在电路图中单独画出。此外，为了确保运算放大器(以下简称“运放”)能够工作在线性放大状态，本设计采用电阻分压网络为运放的正向输入端供Ucc/2的偏置电压，这一偏置电路的设计对于保证运放的正常工作至关重要。

3、各单元电路设计

3.1 三角波发生器电路

三角波发生器是一种专门设计的电子电路，用于产生具有特定频率和幅度的三角形波形信号。产生三角波有多种方案，而本设计则侧重于一种特定方案：首先，利用函数发生器输入一个正弦波信号ui1;接着，通过电压比较器将该正弦波信号转换成方波；最后，利用积分变换器对方波进行一次积分操作，从而得到所需的三角波信号。

该电路以LM324芯片为核心，通过反相输入端的电容充放电过程来生成三角波信号。为解决供电问题，采用+12 V的单电源并通过R2、R3的串联来分配电压。在电路末端连接一个示波器来展示R5两端电压的波形，并用探针1来检测该末端电路的电压参数。设计人员采用Multisim软件绘制电路图，如图3所示。

图3三角波发生器电路图

三角波产生器的周期T是一个关键参数，它受到外部电阻R1、R4、R5和电容C1数值的共同影响。这个周期的大小可以通过式(1)计算得出。

在给定条件下，设R1为10.2 kΩ、R4为20 kΩ、R5为6 kΩ,由式(1)计算得出的周期T为0.5 ms,可见所设元件参数符合预先设定的周期要求。

3.2 加法器电路

加法器在信号发生器中的作用是实现波形的合成和调制，使得信号发生器能够产生各种复杂的波形。设计加法器电路时，各电阻的阻值需要精准设定，以决定具体的运算关系。此外，与三角波产生器类似，加法器也集成了偏置电路，为放大器提供稳定电源，并确保其正常运作。为实现这一目标，设计人员选用反向求和运算电路作为加法器的实现方式，采用Multisim仿真软件完成了加法器电路图的绘制，如图4所示。

关于加法器在信号发生器中具体实现波形调制与合成的机制，其基本原理严格遵循特定的数学运算规则。具体而言，输出信号uoa是输入信号ui1的10倍与另一输出信号uo1之和。为了满足这一复杂的运算需求，并有效利用反向求和运算电路的内在逻辑关系，依据式(2)所定义的反向求和运算电路计算公式，主要对电路中电阻R7、R8、R9的参数值进行调校。这一过程确保了加法器能够精确无误地执行预设的运算任务，从而生成所需的复杂波形。

图4加法器电路图

将R7设为1 kΩ,R8和R9均设为10 kΩ,再将函数信号发生器产生的电压ui1和三角波发生器输出电压uo1共同作为输入信号接入加法器电路中，随后进行电路测试与分析，利用示波器观察并记录波形。若波形符合预期，则标志着该加法器的设计及参数调校工作圆满完成。

3.3 滤波器电路

滤波器[5]在信号发生器电路中的作用是滤除输入信号中的不期望频率成分，以确保输出信号的纯净度和稳定性。为了获得高质量且稳定的波形，设计人员根据给定要求，选用了二阶低通滤波器。二阶低通滤波器因其能够更精确地调控频率响应，特别是对高频信号的有效抑制而得到广泛应用。该滤波器电路图如图5所示。

图5滤波器电路图

二阶低通滤波器主要由电阻R14、R15、R16和电容C3、C4构成，其参数设定的计算公式如式(3)所示。

为了防止负载电阻对滤波特性造成不利影响，设计人员采用集成运放将滤波电路与负载电阻进行有效隔离。为了获得符合要求的正弦波信号，在滤波器电路中，设计人员将R14、R15、R16的阻值分别设定为50 kΩ、37.5 kΩ、16 kΩ,同时将电容C3和C4的容量均设置为10 nF。随后，通过示波器观察并调整电路，直至波形稳定且满足正弦波的要求。这一过程标志着该滤波器电路的设计及参数配置工作顺利完成。

3.4 比较器电路

比较器在信号发生器电路中具有多重功能，包括但不限于波形生成、频率调制、阈值检测及正弦波到方波的转换等。通过比较输入信号和参考信号的电压水平，比较器能够灵活地触发特定的输出信号，从而赋予信号发生器广泛的适用性，适用于诸如时钟信号生成、调频信号创建等多种应用场景。这一特性显著增强了电子设备的灵活操作能力和系统运行的可靠性。在具体实现中，比较器通过其正相输入端接入单电源，并与电阻R19、R21、R22等元件协同工作，共同构建成滞回比较器电路，如图6所示。

图6比较器电路图

根据输出电压的具体要求，设定电阻R18、R19、R20的阻值。假设UCC为供给LM324的电源电压，GND为接地端，R21和R22作为连接到参考电压的分压电阻，其阻值均设为1 kΩ。R18为输出电阻，其阻值设为10.5 kΩ;R19为参考电阻，阻值设为1 kΩ;R20为输出的反馈电阻，阻值设为2 kΩ。

在滞回比较器电路中，存在两个关键的阈值电压：上升阈值电压UTH和下降阈值电压UTL。参考电压Ur由电阻R21和R22从电源电压中分压得到，可知Ur为6 V。由Ur可计算出上升阈值电压UTH为8 V,下降阈值电压UTL为4 V。根据滞回比较器的工作原理，当uo2高于UTH时，输出电压uo3输出为高电平，即为Upp;当uo2低于UTL时，输出电压uo3输出为低电平，由于输出末端为接地，低电平为0 V。

在精确设定各元件参数的基础上，成功完成了比较器电路的设计，保证了该电路能够按照设计要求稳定运行。

4、仿真测试与分析

在Multisim软件平台上进行仿真测试。首先，利用函数发生器生成一个正弦波信号，其数学表达式为ui1=0.1sin 2πf0t,其中f0=500 Hz。随后，将该正弦波信号连接到加法器的一个输入端。函数信号发生器的参数设置如下：频率为500 Hz,占空比为50%,振幅为100 mV,偏置电压为0 V。接下来，按要求将先前设计的各个单元电路连接起来，构成一个完整的信号发生器电路系统。在总电路中，设计人员进行全面的波形检测，通过示波器观察并记录个节点的波形情况，以验证是否存在波形失真现象。

4.1 三角波发生器电路测试

当电源电压接入三角波发生器电路后，通过示波器可以清晰地看到三角波发生器所生成的三角波波形。该三角波的周期稳定地显示为0.5 ms,幅值约为2 V,且输出波形无失真，符合信号发生器电路对输出波形的具体要求，如图7所示。

图7 Multisim三角波发生器输出波形仿真图

利用探针1测量三角波电路的输出电压，结果显示其峰峰值Upp(即uo1)为3.19 V,满足设计要求。

4.2 加法器电路测试

根据电路原理图，加法器接收正弦波和三角波为输入，输出为两者的混合波形。给定条件：三角波的频率为2 000 Hz,正弦波的频率为500 Hz。输出波形为两者叠加。三角波的函数为T(t),正弦波函数为ui1=0.1sin 2πf0t,叠加波形函数为ui2=T(t)+0.1sin 2πf0t。由于三角波频率是正弦波频率的4倍，在每个三角波周期内正弦波有4个完整周期。测试结果显示，示波器上输出的波形在三角波基础上叠加了高频正弦波动，且无失真，符合波形要求。输出波形如图8所示。

图8 Multisim加法器输出波形仿真图

利用探针2测量加法器电路的输出电压，结果显示其峰峰值Upp(即uoa)为5.57 V,满足设计要求。

4.3 滤波器电路测试

将加法器的输出电压uoa作为输入信号导入滤波器电路，通过示波器观察输出波形。由于本设计采用二阶低通滤波器，其特性为允许频率低于截止频率的信号通过，而阻止高于该频率的信号。根据测试要求，低通滤波器的截止频率设定为1 000 Hz。因此，正弦波(频率500 Hz)得以保留，而三角波(频率2 000 Hz)则被滤波器滤除，在示波器上观察到的输出波形为正弦波，且无明显失真，如图9所示。

图9 Multisim滤波器输出波形仿真图

调节电阻阻值，利用探针3对滤波器电路输出端进行测量，结果显示其峰峰值Upp(即uo2)为9.07 V,与给定的测试要求值相差不大，在误差范围内，符合设计要求。

4.4 比较器电路测试

将滤波器的输出电压uo2输入比较器电路，与参考电压Ur进行比较，并在比较器输出端连接示波器进行观察。此时，经滤波器处理后的正弦波电压作为输入信号进入比较器。示波器上显示的输出波形无明显失真，符合预期的波形要求，如图10所示。

图10 Multisim比较器输出波形仿真图

滤波器的输出电压uo2为9.07 V,高于设定的上升阈值电压UTH,因而比较器输出电压uo3即为该输出电压的峰峰值Upp。利用探针3测得Upp为2.14 V,虽然与测试要求存在一定的误差，但在误差允许范围内，符合设计要求。

4.5 电路优化

在仿真测试中，设计人员观察到波形不够稳定，伴有毛刺现象，这主要是输入示波器的电压波动所致。为了稳定电压，考虑了多种方案：滤波电容虽有效，但大电容占用空间大且成本高，小电容则可能不足以滤除电压纹波或噪声；线性稳压器效率较低，原因是会将多余的电能转化为热能；开关稳压器虽可行，但可能引入开关噪声和电磁干扰，需要额外滤波。鉴于此，设计人员选用稳压二极管电路，如图11所示。该方案效率高、成本低，且不会改变电压值。在每个示波器输入电压之前，该稳压管电路均被接入，确保了电压稳定。

图11稳压二极管电路原理图

经过稳压电路处理后，输出波形显著减少了波动与毛刺现象，有效降低了实验误差。借助示波器，设计人员不仅可以调节波形的位置，还能通过调节信号发生器电路中的电阻参数，获取不同幅值和宽度的波形。

5、结语

基于LM324芯片构建的信号发生器电路已成功达成既定设计要求。若要进一步满足多样化需求，则须精心选择振荡器类型、设定合适的频率范围并考虑功耗等因素。为确保输出电压的稳定性，设计方案中引入了稳压电路以维持振荡输出的平稳性。电路设计完成后，通过观测输出波形并与参考信号进行对比，可有效评估电路性能是否达标，进而进行必要的调整与优化。本文所探讨的电路与仪器，不仅适用于电子实验教学，还能广泛满足其他工程领域的实验需求，展现出较强的实用性与应用价值。

参考文献:

[1]涂国强,周来宏,朱双霞,等.基于MCS-51的高精度信号发生器设计与仿真验证[J].仪器仪表标准化与计量,2024(1):22-25.

[2]任小强,王雪梅,唐晓华,等.基于DSP Builder多波形信号发生器的设计与实现[J].仪表技术,2021(6):9-11.

[3]贾凤伟,陈强.函数信号发生器的设计与实现[J].电子制作,2023,31(23):94-98.

[4]张文铎,王闯,孙宏玥.基于FPGA的可变带宽调相信号发生器设计[J].舰船电子工程,2023,43(11):70-77.

[5]唐金元,王翠珍,任秀芳,等.带阻滤波器的设计与仿真研究[J].仪表技术,2023(1):64-68.

文章来源:林江河.基于LM324的信号发生器电路设计与仿真[J].仪表技术,2024,(06):74-78.