简易函数信号发生器的设计与实现

第２６卷第３期　武汉工程职业技术学院学报　Ｖｏ１．２６　Ｎｏ．３　２０ｌ４年９月　ＪｏｕｒｎａｌｏｆＷｕｈａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ２０１４　简易函数信号发生器的设计与实现　陈　贞　（武汉工程职业技术学院　湖北　武汉：４３００８０）　摘　要　介绍以ＬＭ３２４运放芯片为核心，实现正弦波一方波一三角波输出的简易函数信号发生　器的设计。该电路结构简单，信号的幅度、频率等参数可调，在仿真软件和实验室检测都有较好的　性能输出，可替代实验室标准的函数信号发生器完成一般的实验要求，节省教学成本。　关键词　运放；ＬＭ３２４；函数信号发生器；正弦波；方渡；三角波　中图分类号：ＴＮ７５　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１—３５２４（２０１４）０３—００７５—０４　电路系统设计主要设计三个单元电路，分别是　０　引言　正弦波产生电路、方波产生电路和三角波产生电路，　设计方案有两种：　信号源是研制、生产、测试和维修各种元器件以　（１）正弦波信号采用变压器反馈式ＬＣ正弦波　及整机设备时的重要设备。通过信号源产生不同频　１　振荡电路产生，其振荡频率．厂一—　。其次，方　率、不同波形的电压、电流信号并加到被测元器件或　２ｎ￣／ＬＣ　设备上，用来观察、测量被测元器件或设备的输出响　波信号由正弦波信号通过集成运放ＬＭ３２４和电路　应，以分析和确定它们的性能参数。函数信号发生器　元件构成的过零比较器转换输出。最后，三角波信　是能够产生多种波形信号源的设备，如正弦波、三角　号由方波信号通过积分电路转换输出。对于幅值的　波、方波等，因而广泛用于通信、雷达、导航等领域。　要求可通过运放反馈回路或可调电位器进行调节，　目前，在学校电子实验室内的多波形函数信号发　从而达到设计要求，框图如图２所示。　生器广泛使用的是功能齐全、性能指标高的标准产　ｌ　垂蘸这　垒里堕卜叫丝篓些錾墨Ｈ塑坌里墅ｌ　品，但价格较贵。本文设计的简易函数信号发生器以　图２　函数信号发生器设计方案一　ＬＭ３２４运放芯片为核心，实现正弦波～方波一三角　（２）正弦波信号采用ＲＣ桥式正弦波振荡电路　波的输出，该电路结构简单，信号的幅度、频率等参数　产生，其电路采用ＲＣ串并联网络作为选频和反馈　可调，虽然性能指标没有标准的信号发生器高，但是　１　能够满足一般的实验要求，节省教学成本。　网络，其振荡频率厂一　，考虑到实际操作的可　厶　【Ｊ、Ｌ　行性，一般通过改变Ｒ的值来得到不同频率的正弦　１　系统方案设计　波信号。其次，方波信号由正弦波信号通过集成运　放ＬＭ３２４和电路元件构成的反相滞回电压比较器　根据要实现的功能，设计的电路系统框图如图　转换输出。最后，三角波信号由方波信号通过积分　１所示：　电路转换输出，框图如图３所示。　ＲＣ桥式正弦波产生电路Ｈ滞回电压比较器　图３　函数信号发生器设计方案二　在实际操作过程中发现：方案一中正弦波产生　电路输出电压要与反馈电压靠变压器磁路相耦合，　图１系统框图　如果耦合不紧密，有较大损耗，且正弦波频率稳定性　收稿日期：２０１４—０６—２３　作者简介：陈贞（１９８１～），女，讲师．Ｅ—ｍａｉｌ：ＣＺ＠ｗｇｘｙ．ｎｅｔ　７６　武汉Ｔ程职业技术掣：院学报　不高；方案二中使用的元件不多，制作简单，且获得　的信号非线性失真较方案一小，但电路需分级调试，　因此选择稳定性较高的方案二。　输　Ｉ　２　Ｉ　Ｍ３２４芯片工作原理　ＯＵＴＩ　ＯＵＴ４　Ｉ　Ｍ３２４芯片是四运放集成电路，采用１４脚双　列直插塑料封装（ＤＩＰ１４），如图４（ａ）所示。Ｉ　Ｍ３２４　ＩＮ１（－）　ｌＮｌｆ＋　ＩＮ４（一）　ｌＮ４（＋）　芯片工作电压范围宽，可用正电源３～３０Ｖ，或正负　ＶＣＣ　双电源±１．５～±１５Ｖ工作。　ＩＮ２ｆ＋　Ｉ　Ｍ３２４芯片的内部包含四组形式完全相同的　ＩＮ２【＿）　ＯＵＴ２　运算放大器，除电源共用外，四组运放相互，每　一组运算放大器可用图４（ｂ）所示的符号来表示。　（ｃ）『Ｊｌ　排制　图中“Ｖ，（一）”、“Ｖ，（＋）”为两个信号输入端，“Ｖ　”、　“Ｖ”为正、负电源端，“Ｖ　”为输出端。其中信号输　入端Ｖ　（一）为反相输入端，表示运放输出端Ｖ　，的　信号与该输入端的相位相反，信号输入端Ｖ　（＋）为　同相输入端，表示运放输出端Ｖ　的信号与该输入　图４　ＬＭ３２４　３　电路设计　本文主要以运放芯片Ｉ　Ｍ３２４为主设计正弦　端的相位相同，ＬＭ３２４芯片的引脚排列见图４（ｃ）。　由于Ｉ　Ｍ３２４四运放电路具有电源电压范围　波一方波一三角波的简易函数信号发生器，设计电　路图如图５所示。　宽、静态功耗小、可单电源使用、价格低廉等优点，所　以广泛使用在放大电路和波形转换电路中。　Ｄ１　图５　正弦波一方波一三角波的波形转化器电路图　在此次设计中正弦波产生电路采用ＲＣ桥式正　路选用深度电压串联负反馈，且与选频网络中的　弦波振荡电路，以集成运放为中心，以ＲＣ（Ｒ　—Ｒｓ　—Ｒ　Ｃ。串联支路、Ｒ　Ｄ上Ｄ　并联支路、负反馈网络中的电　Ｒ，Ｃ　一Ｃ　一Ｃ）串并联网络为选频网络和正反馈　１　阻组成桥路，要求电路起振的幅值条件满足Ａ　一　１＋　』　１　网络，振荡频率／一　厶儿Ｊ、、　，即改变Ｒ和Ｃ的取值就　＞３（忽略二极管正向导通电阻）。其中　可改变电路的频率，一般采用改变电容Ｃ作为频率　量程切换，而调节尺作为量程内频率细调。放大电　Ｒ　用可变电位器ＲＶ１来代替，用来调节正弦波输　出电压的波形和幅度，调整反馈电阻ＲＶ１，使电路　陈贞：简易　数信号发佳器的设计与实现　７７　起振且波形失真最小。如果不能起振，则说明负反　馈太强，应适当』Ｊｌｌ大ＲＶ１，如果波形失真严重，应适　三角波发生器由一个反相输入滞回电压比较器　和反相输入积分器构成，即由方波通过反相输入积　分器转换构成。由于方波输出电压即反相输入滞回　电压比较器输出电压Ｕ　埘一Ｕ　．一Ｕ　，因此方波通　当减小ＲＶ１。为保证起振，且不产生严重的波形失　真，应渊节ＲＶ１使Ｒ！满足：２Ｒ，＞Ｒ！＞（２Ｒ　一Ｒ　）。　在此次没汁Ｉｆｌ要求幅度可调，Ｉ大Ｊ此通过ＲＣ桥　式正弦波振荡电路没计好ｒ正弦波电路之后，对正　弦波产　电路输｝Ｈ的波形进行反相放大的设计，使　用的是反相比例运算放大电路，其放大倍数为　Ｒ　／Ｒ　的阻值比例，　节Ｒ　、Ｒ。　阻值的大小，即可调　节输　电压的大小。　过反相输入积分器后输出三角波的电压最大值和最　小值由反相输入滞回电压比较器的门限电压决定。　振荡周期和频率由积分电路Ｒ　。和Ｃ　的充放电时　间求得，振荡频率＿，’。为ｆｎ一下１一鑫　变电阻Ｒ．：进行细调频率。　，方波　和三角波输出电压对应关系如图７所示，因此改变　方波产生电路使用反相滞回电压比较器，其传输　特性如　６所示。电路的输ｆｆｌ电压为稳压管的稳压　二三角波的频率是通过改变电容Ｃ　进行粗调频率，改　值，Ｕｆ　一Ｕｆ　一　。两个门限电压分别是Ｕ订　一Ｕ　＋　一　Ｕ　和Ｕ　—Ｕｒ一　ｐ　（一Ｕｚ）’『１限　宽度为ＡＵ—Ｕ　—Ｌ，　一ｊ　ｒ　＿　）＜２Ｕｚ。　Ｄ　］厂一］　Ｕ　Ｌ　…：　：　　：‘ｉ　…Ｄ　ｉ　Ｉ　替’７　…一ｒ　＼＼Ｊ／　ｒ＼ｌ／　一　０　ｔ　Ｉ　［Ｉｆ＾　Ⅳ’　图７方波和三角波输出电压对应关系　ｆ　电路通过Ｐｒｏｔｕｅｓ仿真软件仿真之后，得到如　图８所示的波形。　图６滞回电压比较器的传输特性　图８正弦波——方波——三角波波形转换电路输出波形图　７８　武汉工程职业技术学院学报　然后微调ＲＶ１让波形幅度满足要求且输出波形无　４　电路调试　将各元器件按照电路图插入面包板中，接入电　失真，实测波形如图９所示。　简易函数信号发生器主要是南三级单元电路组　成的，因此在调试时应该按照单元电路的先后顺序　分级调试与级联。　源后，用示波器进行观察。调节ＲＶ１使电路起振，　ａ）正弦波输出　（ｂ）方波输出　ｆｃ　三角波输出　图９　简易函数信号发生器的实测波形　在调试时，正弦波产生电路采用ＲＣ桥式正弦　波振荡电路，此电路可自行产生波形，因此可先独自　安装。注意应先调节ＲＶ１使电路起振，否则电路将　不会起振，如果输出不是正弦波，可微调ＲＶ１使波　形达到正弦波标准。三角波产生电路由方波产生电　路通过积分电路后获得，若输出的三角波出现失真　点。设计的电路在实验室的检测巾，输出信号稳定，　非线性失真较小，其频率和幅度的可调节性也满足　一般实验要求，降低了教学成本。　参考文献　［１］康华光．电子技术基础（数字部分、模拟部分）［Ｍ３．北京：高等　教育出版社，１９９８．　则可检查前级方波输出是否符合规范要求或者改变　电阻Ｒ。：的阻值，使之得到改善。　Ｅ２］李晓虹．电子电路设计实例教程［Ｍ３．』Ｅ京：中国铁道出版社，　２０１４．　Ｅ３］胡宴如．模拟电子技术［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００４．　结　本论文基于运放的函数信号发生器的设计具有　Ｅ４］谢自美．电子线路设计・实验・测试（第　版）［Ｍ３．武汉：华巾　科技大学出版社，２００６．　Ｅｓ］廖芳．电子产品生产工艺与管理［Ｍ］．北京：电子工业出版社，　２Ｏ０３．　电路结构简单，信号的幅度、频率等参数可调等特　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　Ｓｉｍｐｌｅ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ＣＨＥＮ　Ｚｈｅｎ　（Ｗｕｈａｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｗｕｈａｎ　４３００８０，Ｈｕｂｅｉ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ａ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　ｓｉｍｐｌｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｓｉｇｎａｌ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｔｈａｔ　ｏｕｔｐｕｔ　ｓｉｎｅ　ｗａｖｅ　ｓｑｕａｒｅ　ｗａｖｅ，ａｎｄ　ｔｒｉａｎｇｌｅ　ｗａｖｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＬＭ３２４　ｃｈｉｐ．Ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｓｉｍｐｌｅ　ｉｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｈａｖ—　ｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ａｄｊ　ｕｓｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｉｇｎａｌ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ，ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｈａｖｉｎｇ　ｂｅｔｔｅｒ　ｐｅｒ—　ｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｎｄ　ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｔｅｓｔｓ，ａｌｔｅｒｉｎｇ　ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｇｅｎ—　ｅｒａｔｏｒ　ｔｏ　ｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｔｈｅ　ｇｅｎｅｒａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ａｎｄ　ｓａｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｓｔ　ｏｆ　ｔｅａｃｈｉｎｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ＬＭ３２４；ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｓｉｇｎａｌ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｓｉｎｅ　ｗａｖｅ；ｓｑｕａｒｅ　ｗａｖｅ；ｔｒｉａｎｇｕ—　ｌａｒ　ｗａｖｅ　（责任编辑：李文英）