波形发生器的设计.pdf

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正文
1选题背景
波形发生器又名信号源,广泛应用于电子电路、自动控制和科学试验等领域。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决定了电子设备和系统的性能的提高,因此随着电
子技术的不断发展,现今对信号源的频率稳定度、频谱纯度和频率围以及信号波形的形状
提出越来越高的挑战。

利用NE555构成多谐振荡器产生方波,根据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Ⅱ。

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f10KHz的低通滤波器,通过滤波产生一次,8KHz到10KHz的正弦
H
波,然后再让锯齿波通过一个24KHz~30KHz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;在一个周期具有有限个
极值点;绝对可积。
方案二:使用功放构成文森桥式震荡电路,产生出8KHz~10KHz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
H
的低通滤波器和24KHz~30KHz的带通滤波器电路中,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犹豫不决,于是将两个电路的大体电
路都进行了简单的设计,发现方案二存在很多的问题很难解决。
问题一:如果使用文森桥式震荡器产生正弦波,改变震荡频率就需要改变RC常数,
要同时改变两个R(在实际电路中,同时改变两个电容的值是很复杂的,而且这样也无法
得到一个8KHZ~10KHz的连续的频率),需要双滑动变阻器并且要保证滑动变阻器改变的值
完全相同,有一定困难。
问题二:NE555芯片搭建出来的是一个简单的施密特触发器,输入正弦波之后,输出
的脉冲波的占空比是不可以调整的,不满足实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复杂化。
问题三:LM324芯片的功放不够,由于有600负载电阻的限制,输出波形的峰峰值
不能简单的通过电阻的分压来实现。
1:.
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。

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输出频率围为8kHz~10kHz,正弦波II的输出频率围为24kHz~30kHz。输出波形无明显失
真。
(3)频率误差不大于10%,通带输出电压幅度峰峰值误差不大于5%。
2电路设计

NE555构成了多谐振荡器,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

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
波产生电路如下图1所示。
2:.
图1脉冲波发生电路
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

在锯齿波发生电路的设计中,原始方案是采用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
路是需要二极管的)。开始是按照这个思路进行仿真的。因为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,只改变高电平或者低电
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
的电阻值固定,只改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
3:.
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
数取值如下
R
1
R1K
2
R9K
3
R10K
4
RR5K
56
R3K(电位器)
7
R700
8
R4K(电位器)
20
CCC
123
根据NE555芯片的使用手册,有以下有用公式:
t(RR)C
HAB
t(R)C
LB
periodtt(R2R)C
HLAB

frequency
(R2R)C
AB
tR
Output_waveform_duty_cycleH1B
ttR2R
HLAB
根据以上的公式,就可以计算出理论上的各种参数:
4:.

f8KHz
min((124)10321103)106

f
max(1210321103)106
t(121031103)106
Hmin
t((124)1031103)106
Hmax
t1103106
L
在对锯齿波进行仿真的时候,发现波形有些失真,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t(或t)
HL
去锯齿波发生电路的参数选择及计算过程如下:
取C
由RCt
1H
10-6
R9K
10-6
min
10-6
R
10-6
10-6
R690
10-6
如图1所示,R为一个9K电阻和一个3K电位器组成,R取700仿真结果见图4的
12
锯齿波。
5:.
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
由于要求负载电阻为600,不能直接进行分压来控制峰峰值为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,需要进行改进。查阅资料发现了在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。
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
uuf
o
R
参数的选择如下:
由u1V
o
取
R10K
f
R35K
对该电路进行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。
6:.
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一致,满足
实验要求,就完成了锯齿波波形发生电路的理论设计。

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采用的是截止
频率为f10KHz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
根据截至频率f10KHz,查图确定电容的标称值
c
7:.
图8二阶压控电压源低通滤波电路参数选取参考图
取C
查表确定电容C的值,以及K1时对应的电阻。
1
A1246810
v

R
1

R
1

R
1

R
1

1
表1-1二阶压控电压源低通滤波器参数表
因为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
v
R
1
R
2
C1nF
1
将上列阻值乘以计算出来的K值
R34K
1
R316K
2
进行电路仿真后电路图如图
8:.
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
波保持一致,但是峰峰值没有达到实验要求的1V,有所衰减。于是对电路的参数重新选择。
A2
v
R3
1
R3
2
R320K
3
R320K
4
C1nF
1
9:.
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:
图12改进后的一次正弦波仿真波形
从仿真结果可以发现,波形的峰峰值又超过了1V,对电路进行理论分析,发现因为使
用的单电源,偏置电阻10K影响了原本与地直接只有10K的R的阻值,串上了偏置电
3
R
阻。根据二阶压控电压源电路的放大倍数公式A14进行电阻的调整。取R100K得
vR3
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3
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的仿真结果都满足实验要求。该部分的仿真设计就完
成了。
10:.
图13一次正弦波仿真波形

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
该滤波器是采用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无限增益多路反馈电路原理图
该电路有以下公式方便参数选择
RR
w212
0RRRC2
123
wf
Q0或0(BWw时)
BWBW0
R
A3
v2R
1
为了使通带更加平坦,应该尽量使Q值大,查二阶无限增益多路反馈带通滤波器设计用表
K
归一化电路元件值
11:.
Q电增益
路
1246810
元
件

1



1


表1-2无限增益多路反馈电路参数选择表
参数选择如下:
A8
v
Q10
R
1
R83
2
R
3
仿真的电路图如下图所示:
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现,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
查看输入端和输出端的波形,结果如下:
12:.
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,
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
v
R
1
R200
2
R16K
3
RR8103200
C12
22
RRRw810320016103227103
1230
对电路的波形进行仿真,发现峰峰值比较小,与实验要求差距较大,由
RRR
w212,A3,可知,缩小R的值会使放大倍数A增大,而且对通带的中心
0RRRC2v2R1v
1231
频率w影响也较小。电容值取实验室有的电容C。改进后的电路图如下所示
0
13:.
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
正弦波的频率是满足实验要求的,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/Div
图18三次正弦波仿真波形
4原理总图
14:.
图19总体方框图
5元器件清单
表1-3元器件清单
序号名称型号参数数量备注
1555定时器NE5551
2四运放LM324LM3243


5电容1nf1
6电阻10k6
7电阻1k1
8电阻6k1

10电阻20k2
11电阻2k2


14电阻16k1


17电阻35k1
18电位器2k1
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用分块调试的方法。

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。

15:.
图20总体仿真波形图

观察示波器上显示波形,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
本次实验时间较长,在仿真设计电路的阶段占了很大一部分时间,拖慢了实验进度。
在电路仿真设计中,开始没有选取实验要求使用的LM324运放,导致在设计无限增益多路
反馈电路时出现了自激振荡而找不到具体的原因。掌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,会很影响电路仿真的结果。在实际电路的制作过程中,因为电
阻、电容值的误差,实际需要进行参数的再次调整,而且有些电路焊接的影响在电路仿真
阶段是无法预知的。
8体会
通过这次课设使我学到了很新的东西,知道了怎样去设计电路、调试电路以及对电路
进行修正,体会到了理论与实践的差异。
识的掌握以及运用理论指实践的能力。当我一着手清理自己的设计成果,一种少有的成功
,也是人生的一点小小的胜利,
然而它令我感到自己成熟的许多,通过课程设计,使我深体会到,干任何事都必须耐心,
16:.
,加强了我们动手、思考和解决问题的能力,同时也是我们懂得
小心谨慎的重要性。
参考文献
【1】
【2】(模拟部分).
【3】.***.2006
【4】何杜成、-光电显示-
【5】
【6】刚、
17