一種簡易信號發(fā)生器的設(shè)計與仿真

葛振澎，顏閩秀

(沈陽化工大學(xué) 信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142)

信號發(fā)生器又稱信號源或振蕩器，在生產(chǎn)實(shí)際和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[1]對信號發(fā)生器的分類、應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢進(jìn)行了介紹。簡易信號發(fā)生器通常有基于單片機(jī)和集成運(yùn)放放大器兩大類設(shè)計方案。其中后者結(jié)構(gòu)簡便、易于低年級學(xué)生接受且可創(chuàng)新性強(qiáng)。本設(shè)計是后者的組合和創(chuàng)新，以產(chǎn)生正弦波的文氏橋電路為起點(diǎn)，配以比較器、積分器以轉(zhuǎn)換輸出方波和三角波，并使用與非門電路產(chǎn)生單脈沖。增加的輸出調(diào)整電路可對波形幅值和偏移量進(jìn)行調(diào)節(jié)使輸出靈活可調(diào)有效避免失真。同時還可對輸出幅值波形進(jìn)行疊加以增加波形種類。最后，使用Multisim軟件對電路進(jìn)行驗(yàn)證與調(diào)試。

1 方案選擇與論證

簡易信號發(fā)生器一般夠產(chǎn)生正弦波、方波、三角波等常用波形。目前，常見的簡易發(fā)生器的設(shè)計方案可大致分為兩種：

方案一：采用DDS(Direct Digital Synthesis，簡稱DDS技術(shù))信號發(fā)生器直接數(shù)字頻率合成，把信號發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度提高到與基準(zhǔn)頻率相同的水平，并且可以在很寬的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行精細(xì)的頻率調(diào)節(jié)。采用這種方法設(shè)計的信號源可工作于調(diào)制狀態(tài)，可對輸出電平進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可輸出各種波形。目前，利用單片機(jī)即可以實(shí)現(xiàn)該方案[2-3]。

方案二：直接利用在模擬電子技術(shù)中學(xué)過的基本運(yùn)算電路組合來解決實(shí)際問題，即主要以由集成運(yùn)算放大器為核心的三角波信號產(chǎn)生電路、波形轉(zhuǎn)換電路、輸出信號調(diào)節(jié)電路三部分組成，可得到頻率連續(xù)可調(diào)的正弦波、三角波、方波信號。使用四運(yùn)算放大器LM324構(gòu)成信號發(fā)生器[4-5]是一種低成本的設(shè)計方案，并且產(chǎn)生的信號可以滿足一般實(shí)驗(yàn)室要求。

綜上所述，雖然方案一產(chǎn)生的波形精度較高并且波形種類多，但要求掌握單片機(jī)相關(guān)知識、設(shè)計較為復(fù)雜學(xué)生上手較慢且成本較高。對于方法二，雖由集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的信號發(fā)生器性能低于DDS技術(shù)，但具有多重優(yōu)勢，如價格低廉、結(jié)構(gòu)簡潔、容易調(diào)試等，綜合考量選擇方法二。

2 總體設(shè)計

本設(shè)計采用發(fā)生電路加波形轉(zhuǎn)換電路加輸出調(diào)整電路的結(jié)構(gòu)，總體設(shè)計方案如圖1所示。信號發(fā)生器將實(shí)現(xiàn)如下預(yù)期功能(1)在±9 V直流供電下輸出單脈沖、正弦波、方波和三角波(2)可對輸出波形頻率進(jìn)行選擇和調(diào)整(3)可對輸出波形幅度與直流偏移電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)(4)可對四種波形進(jìn)行疊加。

圖1 系統(tǒng)總體方案簡圖

3 芯片介紹

LM324是一種帶有差動輸入的四運(yùn)算放大器， 采用14引腳雙列直插式塑封，如圖2所示。該芯片帶寬約為1MHz，可在±1.5-±16V雙電源或3-32V單電源下工作，且有價格低廉、功耗小等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計采用3個1/4 LM324組成波形發(fā)生和轉(zhuǎn)換電路，1個1/4 LM324組成調(diào)節(jié)電路。74LS00芯片是一種雙輸入四與非門集成電路，采用14引腳雙列直插式塑封，如圖3所示。該芯片可采用5V供電，最高低電平為0.8V，在本設(shè)計中74LS00芯片用于構(gòu)造單脈沖發(fā)生電路。

圖2 LM324芯片引腳封裝圖

圖3 74LS00芯片引腳封裝圖

4 電路設(shè)計

正弦波-方波轉(zhuǎn)換電路是一個過零比較器，可將正弦波轉(zhuǎn)換為同頻方波，如圖5所示。且正弦波的頂部失真對方波影響不大。其中穩(wěn)壓管IN4737可將方波幅值穩(wěn)定在7V左右。若改變反向輸入端的參考電壓則可通過調(diào)整比較器閾值對占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。

方波信號再經(jīng)轉(zhuǎn)換電路可生成三角波，如圖所示。該轉(zhuǎn)換電路是一個積分電路，其積分常數(shù)與電容與電阻之積有關(guān)，因此若信號發(fā)生失真現(xiàn)象可以通過改變R9的阻值對波形進(jìn)行微調(diào)。其中R11是積分漂移泄漏電阻，可為積分電容C5構(gòu)造放電回路以防止積分漂移所造成的波形失真。信號發(fā)生器還整合了單脈沖功能，單次脈沖電路由三個與非門組成，如圖7所示。其中R14、R15分壓為電路提供工作電源。當(dāng)按下單脈沖開關(guān) S3時，輸出脈沖上升沿；當(dāng)按下開關(guān) S3不動時，輸出保持高電平不變；當(dāng)松開開關(guān)S3時，輸出脈沖下降沿[8]。

圖6 方波-三角波轉(zhuǎn)換電路圖

圖7 單脈沖發(fā)生電路圖

這里使用同向比例放大器來實(shí)現(xiàn)輸出調(diào)整，以此改善輸出性能。如圖8所示。其中RW4與R16-R9夠成衰減電路，通過調(diào)節(jié)可變電阻RW4可對輸出波幅值進(jìn)行調(diào)整?？勺冸娮鑂W5用于調(diào)整參考電壓，以此調(diào)節(jié)信號偏移量，使輸出信號上下平移。當(dāng)有多路信號輸入時電路可看作一個同相加法器并輸出疊加波形。

圖8 輸出調(diào)整電路圖

5 Multisim仿真與電路調(diào)試

Multisim是一種常用的EDA(Electronics Design Automation，簡稱EDA技術(shù))軟件，擁有強(qiáng)大的仿真功能和元件庫、模型構(gòu)建簡便。因此選用該軟件對總電路進(jìn)行分析和調(diào)試。在Multisim 14.0中構(gòu)建仿真電路圖，如圖9所示。

圖9 Multisim仿真電路圖

運(yùn)行仿真時應(yīng)先通過S1選擇發(fā)生器頻段，待電路起振后調(diào)節(jié)RW2和RW3可對頻率進(jìn)行微調(diào)。當(dāng)電容選C1和C4即1KHz檔、RW1=RW2=5KΩ，電路經(jīng)10.450ms起振、16.92ms幅值穩(wěn)定，波形頻率為988Hz，起振波形如圖9所示。然后調(diào)節(jié)RW1使示波器XSC1 A通道中的正弦波不失真且幅值在7V左右。當(dāng)調(diào)節(jié)RW1由小到大時，波形幅值由小到大直至出現(xiàn)頂部失真如圖11所示，當(dāng)波形出現(xiàn)失真時應(yīng)調(diào)小RW1從而找到合適的正弦波。

圖10 正弦起振過程波形圖

圖11 調(diào)節(jié)RW1時的波形變化圖

當(dāng)正弦波起振后，同時可得到同頻率的方波和三角波。例如，當(dāng)選C2、C3檔RW2=RW3=5KΩ時運(yùn)行仿真11.11ms后起振，同時獲得頻率為480Hz的正弦波、方波、三角波。對于單脈沖電路，按下S3后松開即可得到幅值為5V 的單脈沖，脈沖持續(xù)時間由開關(guān)按下的時間決定。雙擊四路示波器XSC1可同監(jiān)測上述四種波形如圖所示。

圖12 信號發(fā)生器的四種波形圖

輸出調(diào)整電路可對幅值與偏移量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以480Hz正波形為例RW4由100%調(diào)至40%時幅值變化如圖。以480Hz三角為例，RW5由50%調(diào)節(jié)至80%再調(diào)節(jié)至40%時的偏移量變化如圖。

圖13 RW4調(diào)節(jié)時波形變化圖

圖14 RW5調(diào)節(jié)時波形變化圖

當(dāng)調(diào)節(jié)電路作加法器時，如輸出方波時接通三角波可得到疊加波形，如圖15所示。當(dāng)輸出方波時接通正弦波可得到疊加波形，如圖16所示。

圖15 方波與三角波疊加波形圖

圖16 方波與正弦波疊加波形圖

6 總結(jié)

從上述系統(tǒng)仿真結(jié)果來看，本系統(tǒng)的輸出信號各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足設(shè)計預(yù)期，而且可以靈活進(jìn)行信號疊加，具有一定的延伸性。雖然與采用單片機(jī)控制技術(shù)方案和利用直接數(shù)字頻率合成方式及函數(shù)發(fā)生器專用芯片實(shí)現(xiàn)的方法相比，但對于一般精度要求完全可以滿足，是有實(shí)用性的信號源設(shè)計有效。同時這種設(shè)計應(yīng)用到的文式振蕩電路、比較器、積分器等電路也是模擬電子技術(shù)的教學(xué)重點(diǎn)，可作為學(xué)生鞏固理論知識、參加創(chuàng)新實(shí)踐的參考方案。