波形发生器的设计

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、频谱纯度和频率范围以及信号波形的形状提出越来越高的挑战。

1.1指导思想

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。

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，通过锯齿波发生电路产生锯齿波，然后通过一个KHz f H 10=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；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KHz f H 10=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。

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8kHz~10kHz,正弦波II 的输出频率范围为24kHz~30kHz。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构成了多谐振荡器，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KHz

10。参

8~KHz

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。

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

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

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

根据NE555芯片的使用手册，有以下有用公式：

根据以上的公式，就可以计算出理论上的各种参数：

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。

去锯齿波发生电路的参数选择及计算过程如下：

如图1所示，1R 为一个ΩK 9电阻和一个ΩK 3电位器组成，2R 取Ω700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

由于要求负载电阻为Ω600，不能直接进行分压来控制峰峰值为V 1,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

参数的选择如下：

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。

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V 1，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。