多波形信号发生器

电路实践系列讲义

多波形信号发生器与滤波器

2013-3-25

多波形信号发生器（理论设计部分）

电子电路中，信号源是必备的，在电路中，所需要的信号由信号源提供。而现在使用最多的信号主要是正弦波，脉冲波，三角波，锯齿波等等，本讲介绍一种能同时产生脉冲波，三角波和正弦波的电路的设计与实验。三角波的产生可以利用电容器的充放电过程（积分电路）来实现，因为三角波要求电位变化是线性的，即均匀变化，可以利用运算放大器产生一个对电容充放电电流恒定的电路，充电和放电过程可以由脉冲信号控制，而脉冲信号的形成也可以由运算放大器来完成，脉冲波可以由运算放大器构成比较器来产生，而正弦波可以利用正弦波信号发生器产生，好可以利用脉冲波或者三角波经滤波后得到，而所需要的滤波器也可以由运算放大器构成。从以上讨论可知，电路利用的主要器件是运算放大器。

运算放大器的基本概念

1运算放大器是电子电路中最常用的电子器件之一，利用运算放大

器可以构成比较器，电压跟随器（隔离电路），比例放大器，运算电

路，信号发生器，滤波器等多种用途的电路。

2 运算放大器的电路符号如图所示，它有两个输入端{其中（+）叫做同相输入端，（-）叫做反相输入端}，一个输出端。

3 运算放大器具有两个重要的特性，一是两个输入端的输入阻抗都很大，一般都在106Ω以上，二是开环放大倍数很大，一般都在105倍以上。

4 当运算放大器开环（在输出端和输入端不加反馈电路）使用时，一般都会工作在饱和状态（原因是：两输入端加上电压信号，输出端的电压受到电源电压的限制其最大值高不能超过电源正电压，低不能低于电源负电压），当V+> V- 时，输出高电平（接近电源正电压），当V+ < V- 时，输出低电平（接近电源负电压）。这就是一个比较器。

5 当运算放大器闭环{在输出端和反相输入端（-）加反馈电路}使用时，运算放大器的运用

非常灵活，可以构成各种各样的电路，但无论是分析还是设计电路，只要掌握以下两点：一是因为输入阻抗很大使得输入电流很小而忽略认为两输入端的电流为0（虚断路，如LM358输入端电流小于45nA），一是因为开环放大倍数很大使得两输入端的电压很小而忽略认为两输入端的电压为0（虚短路，如LM358输出信号幅度1V,两输入端电压最大不超过10μV），由以运算放大器为核心器件构成的电路的分析与设计就变得非常简单与方便。

常用的通用运算放大器LM358和LM324简介

1 通用运算放大器LM358是一块双运放集成电路，内含二个完全一样的运算放大器，引脚8个，引脚编号1，2，3，4，5，6，7，8按如下方法确定：正面朝上，有缺口的一方朝左（或者有圆点的位置在左下），左下第一引脚

为1，然后按逆时针顺序依次确定2，3，4，5，

6，7，8，即左上脚为8号引脚。实物图如图所示。8脚接

正电源，4脚接负电源或地GND．引脚3，2，1三个脚组成

A运放（其中引脚3为A运放的同相输入端，引脚2为A运放的反相输入端，引脚1为A 运放的输出端），引脚5，6，7三个脚组成B运放（其中引脚5为B运放的同相输入端，引脚6为B运放的反相输入端，引脚7为B运放的输出端）。右图为运算放大器LM358电路符号。

2 通用运算放大器LM324简介通用运算放大器LM324是四运放集成电路，内含四个完

全一样的运算放大器，引脚14个，引脚编号1，2，3，4，5，6，7，8，9，

10，11，12，13，14按如下方法确定：正面朝上，有缺口的一方朝左（或者有圆点的位置在左下），左下第一引脚为1，然后按逆时针顺序依次确定2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，

13，14，即左上脚为14

号引脚。实物如图所示。

4脚接正电源，11脚接

负电源或地GND．引脚

3，2，1三个脚组成A运放（其中引脚3为A运放的同相输入端，引脚2为A运放的反相输入端，引脚1为A运放的输出端），引脚5，6，7三个脚组成B运放（其中引脚5为B 运放的同相输入端，引脚6为B运放的反相输入端，引脚7为B运放的输出端）。引脚10，9，8三个脚组成C运放（其中引脚10为C运放的同相输入端，引脚9为C运放的反相输入端，引脚8为C运放的输出端）。引脚12，13，14三个脚组成D运放（其中引脚12为D

运放的同相输入端，引脚13为D运放的反相输入端，引脚14为D运放的输出端）上图为运算放大器LM324电路符号。

3 运算放大器LM358和LM324的主要参数

电源电压范围单电源+3.0V--+32V，双电源±1.5 V--±16 V；

输出高电平大约比电源电压低1.4V；

当单电源供电时，输出低电平约为0V；

最大输出端拉电流40mA，最大输出端灌电流20mA，

脉冲波与三角波信号发生器电路结构如图所示。由运放UB，UC，电阻R1，R2，R3，R4，发光二极管D1，D2，电容C构成，其中UB构成比较器，UC，R4，电容C构成积分器，R1，R2构成比较电压产生电路，发光二极管D1，D2构成电压稳定电路。

在最初时刻t0，设

比较器输出高电平（UB

运放同相端电位高于

反相端电位，注意到反

相端电位为0,所以同相

端电位为正），

则由于D2（图中右边

一个发光二极管）导通

（D1截止），所以Ub =

+U D（发光二极管导通

电压，红色发光二极管

导通电压若为1.8V），

而最初时刻，电容器上

无电荷，Uc=0，所以

Uo=0（注意到运放UC 的同相端和反相端电位都是0），此时Ud(比较器+端电压)为一个正电压（维持比较器输出高电平）。由于R4上有从左至右电流，所以电容C从左至右充电，电容器电压增大，注意到电容器左端电位不变，所以输出端电位（电容器右端电位）从0开始降低为负电压，Ud（UB 运放同相端电位）也就随着Uo的降低而从正电压开始降低，到t1时刻，电容器电压升高到Um，输出电压降低到-Um时，Ud降低到0，比较器输出状态翻转，输出低电平（注意到比