集成運算放大器構成的簡易信號發(fā)生器的設計

潘元忠 李大革

摘要 集成運算放大器構成的信號發(fā)生器具有多重優(yōu)勢，如結構簡潔，容易調試等，普遍應用于電子系統(tǒng)設計中。本次研究中使用了單電源供電方式，將LM324運算放大器作為重要的器件，把中間的4個運算放大器各自設計成符合一定需求的單元電路，最終生成了簡易信號發(fā)生器，該信號發(fā)生器融入了正弦波、方波和三角波，可為具體課程設計提供指導，提供科技創(chuàng)新的訓練模塊。

【關鍵詞】運算放大器 信號發(fā)生器 設計

信號發(fā)生器提供各種頻率、波形及輸出電平電信號。測量不同類型電信系統(tǒng)中的振幅特性與傳輸特性等參數(shù)時，作為測試的信號源。當前市場上已經具有功能完備的標準產品，而許多功能并未于教學中進行使用，導致資源極大浪費。一般教材中出現(xiàn)的運算放大器往往使用雙電源供電方式，要求較高的供電條件。本次研究中主要使用了四運算放大器LM324，該放大器攜帶有差動輸入，使用單電源供電方式，RC正弦波振蕩電路，又被稱為文氏橋正弦波振蕩電路。經過RC橋式正弦波振蕩電路，生成正弦波，正弦波頻率經過調整電阻R轉化了800-1600 HZ，接著經過電壓跟隨器輸出正弦波（sme wave，頻率成分最為單一的一種信號），正弦波通過零比較器，經過整性狀，變成方波（square wave，一種非正弦曲線的波形，一般產生于電子和訊號處理過程中），方波通過積分運算電路，通過整形，變成三角波。輸出同樣的方波、三角波頻率與正弦波頻率。當供電需求不高時，從而滿足在供電要求不高情況下，順利設計信號源產生模塊。基于單電源供電集成運算放大器組成簡易信號發(fā)生器的設計便于檢修此類電路，合理使用集成運放組成的交流放大電路。

1 總體設計方法的確定

1.1 第一種設計方案

以LM324系列器件攜帶真差動輸入的四運算放大器作核心器件，采用雙電源供電方式，這種供電方式事實上源于性質不同的兩個電源，饋電線路為2條：一用一備，如果指的是電源，也即是雙電源供電。通過集成運算放大器與電阻構成滯回比較器，其中滯回比較器有滯回特性，具有抗干擾能。從反相輸入端輸入的滯回比較器電路，形成方波（square wave，一種非正弦曲線的波形），方波通過積分器進行積分，形成三角波（Triangular Wave），也稱鋸齒波，然后由二階有源低通濾波器，形成正弦波（頻率成分最為單一的一種信號）。這種方案要求較高的電源供電條件，于形成及轉換波形當中，太過復雜.同時信號生成后形成比較大的諧波分量，不容易調整振幅，使得調試工作不易開展。

1.2 第二種設計方案

以LM324系列器件攜帶真差動輸入的四運算放大器作核心器件，采用單電源供電方式，按照“正弦波方波、三角波”的總體設計思路，RC振蕩器包括相移式和橋式兩種，正弦波使用RC橋式振蕩電路產生，接著經過過零比較器，形成方波，通過RC積分電路，形成三角波，這種方案使用單電源供電方式，對電源無太高要求，使用較少的功耗與成本精簡了電路結構，同時形成了性能非常優(yōu)越的正弦波、方波和三角波信號，無論是頻率、還是振幅均趨于穩(wěn)定，具有非常寬的調整范圍，容易開展調試，從以上兩種方案來看，第二種方案比第一種方案更優(yōu)越，所以選取了第二種方案。

2 系統(tǒng)設計

2.1 電路的實現(xiàn)

以LM324系列器件攜帶真差動輸入的四運算放大器作核心器件，采用單電源供電方式，借助LM324系列器件攜帶真差動輸入的四運算放大器與外圍電路一同形成信號。一個運算放大器（具有很高放大倍數(shù)的電路單元）與外圍元器件（在單元電路里周圍的附屬元件就是外圍元件）構成了RC橋式振蕩電路，形成正弦波信號，接著利用其中一個運算放大器構成的電壓跟隨器（一種電子線路）確保正弦波信號輸出的平穩(wěn)，把輸出的正弦波信號與另外一個運算放大器輸入的同相端進行連接，反相端與中點電位相接，構成過零比較器（電壓比較器），輸出方波信號，再將輸出的方波信號通過下一個運算放大器和外圍元器件組成的RC積分電路（將矩形脈沖波轉換為三角波或鋸齒波，將鋸齒波轉換為拋物波），輸出三角波信號。如此，只需要借助一塊LM324芯片，LM324內含4個獨立的高增益、頻率補償?shù)倪\算放大器，部分簡單的外圍電路平穩(wěn)調節(jié)振幅和頻率，生成范圍比較寬廣的正弦波信號、方波信號和三角波信號，獲得良好的效果。其中，正弦信號為頻率成分最為單一的一種信號，該信號波形因為正弦曲線而得名。方波信號，也就是電路系統(tǒng)中信號的質量，在不超出一定時間內，信號可不失真地由源端傳至接收端。三角波信號，當通過恒流源對電容充電，會生成正斜率的斜波。

2.2 集成運算放大器單電源供電的措施

該系統(tǒng)使用了單電源供電方式，對電源無太高要求，僅要求電壓電流能符合負載需求便可，同時單電源供電在使用當中無需太多電源外圍元器件，可節(jié)省成本。通常LM324以雙電源進行電能供應，此時其4腳與11腳分別和正電源Vcc+12V、負電源VEE-12V相接。單電源供電在應用匯總，原來接正電源處還與正電源相接，原有接地處轉而接入l/2Vcc，原來負電源處，轉而與地相接。以此次研究為例，LM324中的4腳與11腳分別和+12V、地相連接，既有接地處均變成改接+6V，以達到單電源供電的效果。集成運算放大器單電源供電的實現(xiàn)，僅需要設定適當?shù)钠秒娐罚瑫r將交流耦合電容添加到信號的輸入與輸出過程中便可。

2.2.1 集成運算放大器單電源供電的電阻分壓法

此種偏置方法容易操作，節(jié)省成本，借助llOOKQ的R1與lOOKQ的R2，構成分壓網(wǎng)絡，生成Vcc/2的偏置電壓。因為這種偏置電壓源存在非常大的輸出阻抗，輸出電流Io的變化很大程度上影響到偏置電壓精度，所以，電阻分壓法通常不要求太高的偏置電壓精度。

2.2.2 集成運算放大器單電源供電的運算放大器電壓跟隨法

Vcc被R1，R：分壓后接到有單電源運算放大器組成的電壓跟隨器，從而生成Vcc/2的偏置恒壓源，輸出電流Io的變化極少影響偏置電壓。而因為多了1個單電源運算放大器，產生了較大的成本費用。該研究并不要求太高的單電源供電條件，為逐步優(yōu)化電路結構及及節(jié)省成本，維持電路的平穩(wěn)，使用了電阻分壓法，形成偏置電壓（晶體管處于放大狀態(tài)時，基極.射極間，集電極.基極間需要設置的電壓）。

2.2.3 集成運算放大器單電源供電的穩(wěn)壓二極管分壓法

選取數(shù)值穩(wěn)定的Vcc/2的穩(wěn)壓二極管（ Zener diode）與適當?shù)碾娮瑁隳茌敵鯲cc/2的偏置電壓。而如果經過穩(wěn)壓二極管比穩(wěn)定電流Iz小時，會產生非常差的穩(wěn)壓效果;電流及溫度改變時，穩(wěn)壓二極管穩(wěn)定電壓值Uz也發(fā)生改變。因為制造工藝不一樣，相同類型的穩(wěn)壓二極管具有不同的穩(wěn)壓值。相比電阻成本，單一穩(wěn)壓二極管要高。

2.3 單元電路的設計

2.3.1 電壓跟隨器電路

電壓跟隨器電路的構成部分包括運算放大器，其特征包括輸入阻抗高、輸出阻抗低，往往用于保證上級不受下級干擾，將前級電路和后級電路隔離起來，彼此之間不產生影響，且讓正弦波振蕩器的獲得較高的帶負載能力。

2.3.2 RC橋式正弦波振蕩電路

對RC橋式正弦波振蕩電路而言，二極管VD1、二極管VD2用作優(yōu)化輸出電壓波形，讓輸出幅度處于穩(wěn)定狀態(tài)。在起振過程中，因為輸出電壓不大，二極管VD1、二極管VD2基本處于開路狀態(tài)，二極管R3、二極管VD1、二極管VD2并聯(lián)于電路當中，等效電阻與R3非常接近，

，電路出現(xiàn)振動。當輸出電壓不斷加大，二極管VD1、二極管VD：閥或臂呈現(xiàn)低電阻流過正向電流的狀態(tài)，二極管VD1、二極管VD2、R3并聯(lián)電路生成的等效電阻變小，A-u也變小，使 |A'u|=3，幅度趨向穩(wěn)定。

Rw1用以對輸出電壓中的波形與幅度實施調整。為確保起振，RWI+R2+R3>2R1，獲得Rw，數(shù)值一定符合RWl>2Rl-R2-R3。換言之，R_W1太小，電路將產生停振。調節(jié)R_W1，讓其使R_W1略大于稍微大于2Rl-R2-R3，經過起振，振蕩幅度開始變小，而輸出波形良好，適當增加R_W1，輸出電壓幅度逐步變大，而諧波信號所占基波信號的比值就也增大。

如果R_W1W1≥2R1，無論二極管VD1與二極管VD2是否導通，電路|A'u|>3，二極管VD1、二極管VD2將不再具有自動穩(wěn)幅作用。這時不會產生太過嚴重的截定失真（晶體管截止造成的失真），為此，為讓輸出電壓波形不因晶體管截止造成的嚴重失真，一定需要R_W1數(shù)值<2R1。從中不難發(fā)現(xiàn)，為阻礙起振，且不會因晶體管截止造成的嚴重失真，對Rw，做出調整，使它符合2R1-R2-R3W1<2R1。一般調節(jié)R_W1，正弦波振蕩器形成最大不失真波形。調節(jié)雙聯(lián)電位器無需輸入信號控制，自動把直流電經過轉換，變成特定頻率和振幅的正弦交變電壓（電流），此種電路可使頻率在800HZ至1600HZ之間變化。調節(jié)R_W2讓輸出電壓峰峰值（波形最高點和最低點的電壓差）維持在0-8V。

2.3.3 方波形成的電路

一般方波產生電路的構成為一個過零比較器，它重點參考電壓（Volrage reference）、輸入電壓（input voltage）結合比較結果，輸出正向飽和電壓或反向飽和電壓。在過零比較器協(xié)助下，前級形成的正弦波（頻率成分最為單一的一種信號）變?yōu)橄嗤l率的方波（一種非正弦曲線的波形）。

2.3.4 三角波形成的電路

把前級生成的方波信號通過積分電路（Integraring circuit，多用于消除波形變換、放大電路失調電壓，同時還包括反饋控制中的積分補償?shù)取＃憧梢垣@得同頻率的三角波（Triangular Wave）。需要認識到一點，積分電路常數(shù)的取值需大于1/2，輸入方波周期不然，積分電路會輸出非三角波。綜上，方波.三角波產生電路的設計實現(xiàn)2種頻率可調、清晰完整、未畸變波形的實時轉換。

3 電路的調試

要想讓電路的各項性能指標符合預定要求用于正常工作中，一定要進行電路的調試。該系統(tǒng)設計的整機空載電流6mA，滿載電流12mA;當RL≥230Q，調節(jié)Rw2，可調Up-p在0-8V，調節(jié)雙聯(lián)電位器（電阻元件，構成為兩個三腳電位器），可調頻率f處于800-1 600HZ間，U01輸出正弦波（頻率成分最為單一的一種信號）;如果撥動翻動開關相對位置，K打至1處，U02輸出方波（一種非正弦曲線的波形），調節(jié)R_W4，可調U_P-p0-10.8V，調節(jié)雙聯(lián)電位器（電阻元件，構成為兩個三腳電位器）可調頻率f，處于800-1600HZ間;如果撥動翻動開關相對位置。K打至2處，U02輸出三角波（Triangular Wave）也稱鋸齒波），調節(jié)RW4，可調Up-p0-3V2調節(jié)雙聯(lián)電位器（電阻元件，構成為兩個三腳電位器），可調頻率f，處于800-1600HZ間。

4 結束語

信號產生電路構成了《模擬電子技術》課程不可缺少的一項內容，是各類綜合競賽中必考知識點。熟練掌握集成運算放大器構成的簡易信號發(fā)生器的設計，為電子類專業(yè)課程的學習奠定良好的基礎，讓學生更好地參加大學生電子設計競賽，掌握良好的科技創(chuàng)新能力。本研究中的簡易信號發(fā)生器對電源提出了較低的要求，使外圍電路更為精簡，使用了少量的元器件減少了制作成本的消耗，節(jié)省了功率LM324芯片設計的使用，用于制作不同類型的信號產生電路。簡單元器件為電子實驗和設備檢測中的重要工具，它的設計應用，設計了功能更為完備的電路效果較好，指導信號發(fā)生器的研制。

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