葛振澎，顏閩秀

(沈陽化工大學 信息工程學院，遼寧 沈陽 110142)

信號發(fā)生器又稱信號源或振蕩器，在生產(chǎn)實際和科技領域中有著廣泛的應用。文獻[1]對信號發(fā)生器的分類、應用領域和發(fā)展趨勢進行了介紹。簡易信號發(fā)生器通常有基于單片機和集成運放放大器兩大類設計方案。其中后者結構簡便、易于低年級學生接受且可創(chuàng)新性強。本設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，配以比較器、積分器以轉換輸出方波和三角波，并使用與非門電路產(chǎn)生單脈沖。增加的輸出調整電路可對波形幅值和偏移量進行調節(jié)使輸出靈活可調有效避免失真。同時還可對輸出幅值波形進行疊加以增加波形種類。最后，使用Multisim軟件對電路進行驗證與調試。

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)生器的設計方案可大致分為兩種：

方案一：采用DDS(Direct Digital Synthesis，簡稱DDS技術)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、準確度提高到與基準頻率相同的水平，并且可以在很寬的頻率范圍內進行精細的頻率調節(jié)。采用這種方法設計的信號源可工作于調制狀態(tài)，可對輸出電平進行調節(jié)，也可輸出各種波形。目前，利用單片機即可以實現(xiàn)該方案[2-3]。

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

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，但要求掌握單片機相關知識、設計較為復雜學生上手較慢且成本較高。對于方法二，雖由集成運算放大器構成的信號發(fā)生器性能低于DDS技術，但具有多重優(yōu)勢，如價格低廉、結構簡潔、容易調試等，綜合考量選擇方法二。

2 總體設計

本設計采用發(fā)生電路加波形轉換電路加輸出調整電路的結構，總體設計方案如圖1所示。信號發(fā)生器將實現(xiàn)如下預期功能(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行選擇和調整(3)可對輸出波形幅度與直流偏移電壓進行調節(jié)(4)可對四種波形進行疊加。

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。本設計采用3個1/4 LM324組成波形發(fā)生和轉換電路，1個1/4 LM324組成調節(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，在本設計中74LS00芯片用于構造單脈沖發(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 電路設計

正弦波-方波轉換電路是一個過零比較器，可將正弦波轉換為同頻方波，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整比較器閾值對占空比進行調節(jié)。

方波信號再經(jīng)轉換電路可生成三角波，如圖所示。該轉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，因此若信號發(fā)生失真現(xiàn)象可以通過改變R9的阻值對波形進行微調。其中R11是積分漂移泄漏電阻，可為積分電容C5構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。當按下單脈沖開關 S3時，輸出脈沖上升沿；當按下開關 S3不動時，輸出保持高電平不變；當松開開關S3時，輸出脈沖下降沿[8]。

圖6 方波-三角波轉換電路圖

圖7 單脈沖發(fā)生電路圖

這里使用同向比例放大器來實現(xiàn)輸出調整，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，通過調節(jié)可變電阻RW4可對輸出波幅值進行調整?？勺冸娮鑂W5用于調整參考電壓，以此調節(jié)信號偏移量，使輸出信號上下平移。當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 輸出調整電路圖

5 Multisim仿真與電路調試

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

圖9 Multisim仿真電路圖

運行仿真時應先通過S1選擇發(fā)生器頻段，待電路起振后調節(jié)RW2和RW3可對頻率進行微調。當電容選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。當調節(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，當波形出現(xiàn)失真時應調小RW1從而找到合適的正弦波。

圖10 正弦起振過程波形圖

圖11 調節(jié)RW1時的波形變化圖

當正弦波起振后，同時可得到同頻率的方波和三角波。例如，當選C2、C3檔RW2=RW3=5KΩ時運行仿真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

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

圖13 RW4調節(jié)時波形變化圖

圖14 RW5調節(jié)時波形變化圖

當調節(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

從上述系統(tǒng)仿真結果來看，本系統(tǒng)的輸出信號各項指標均能滿足設計預期，而且可以靈活進行信號疊加，具有一定的延伸性。雖然與采用單片機控制技術方案和利用直接數(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，是有實用性的信號源設計有效。同時這種設計應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的教學重點，可作為學生鞏固理論知識、參加創(chuàng)新實踐的參考方案。