电子设计竞赛复试题波形发生器

波形发生器

徐威

（宁波大学信息科学与工程学院，浙江宁波315211）摘要：使用题目指定的综合测试板上的NE555芯片和一片四运放LM324芯片制作一个频率可变的同时输出脉冲波、锯齿波、一次和三次正弦波。进行方案设计，制作出实际电路使其达到实验要求的各项指标。

一、设计任务与要求

使用题目指定的综合测试板上的NE555芯片和一片四运放LM324芯片，设计制作一个频率可变的同时输出脉冲波、锯齿波、正弦波Ⅰ、正弦波Ⅱ的波形产生电路。给出方案设计、详细电路图和现场自测数据及波形。

设计制作要求如下：

1、同时四通道输出、每通道输出脉冲波、锯齿波、正弦波Ⅰ、正弦波Ⅱ中的一种波形，每通道输出的负载电阻均为600欧姆。

2、四种波形的频率关系为1:1:1:3（3次谐波）；脉冲波、锯齿波、正弦波Ⅰ输出频率范围为8KHz～10KHz，输出电压幅度峰峰值为1V；正弦波Ⅱ输出频率范围为24KHz～30KHz，输出电压幅度峰峰值为9V。脉冲波、锯齿波和正弦波输出波形应无明显失真（使用示波器测量时）。

频率误差不大于10%；通带内输出电压幅度峰峰值误差不大于5%。脉冲波占空比可调整。

3、电源只能选用+10V单电源，由稳压电源供给，不得使用额外电源。

4、要求预留脉冲波、锯齿波、正弦波Ⅰ、正弦波Ⅱ和电源的测试端子。

5、每通道输出的负载电阻600欧姆应标清楚、至于明显位置，便于检查。

6、翻译：NE555和 LM324的数据手册（器件描述、特点、应用、绝对参数、电参数）。

二、方案设计与论证 1.原始方案：

在使用Multisim 进行仿真设计的阶段，我想出了两种原始方案，两种方案的大体思路如下。

方案一：使用NE555芯片构成多谐振荡器，输出方波，通过锯齿波发生电路产生锯齿波，然后通过一个KHz f H 10=的低通滤波器，通过滤波产生一次，8KHz 到10KHz 的正弦波，然后再让锯齿波通过一个24KHz~30KHz 的带通滤波器，输出三次正弦波。其中滤出三次谐波的理论依据是，由于锯齿波是一个关于t 的周期函数，并且满足狄里赫莱条件：在一个周期内具有有限个间断点，且在这些间断点上，函数是有限值；在一个周期内具有有限个极值点；绝对可积。则有如下公式（1）成立。称为积分运算()t f 的傅里叶变换

根据欧拉公式2

cos 000t

jw t jw e e t w -+=

就可以

方案二：使用功放构成文森桥式震荡电路，产生出8KHz~10KHz 的正弦波。接着是用NE555芯片，搭建出施密特触发电路，产生脉冲波输出；将脉冲波分别输入一个

KHz f H 10=的低通滤波器和24KHz~30KHz 的带通滤波器电路中，产生一次和三次

正弦波。

2.总体方案设计与论证：

最初方案设计的大体思路在方案一和方案二之间犹豫不决，于是将两个电路的大体电路都进行了简单的设计，发现方案二存在很多的问题很难解决。

问题一：如果使用文森桥式震荡器产生正弦波，改变震荡频率就需要改变RC常数，要同时改变两个R（在实际电路中，同时改变两个电容的值是很复杂的，而且这样也无法得到一个8KHZ~10KHz的连续的频率），需要双滑动变阻器并且要保证滑动变阻器改变的值完全相同，有一定困难。

问题二：NE555芯片搭建出来的是一个简单的施密特触发器，输入正弦波之后，输出的脉冲波的占空比是不可以调整的，不满足实验要求的占空比可调的条件。要是施密特触发器产生的脉冲波的占空比可调会是该电路进一步复杂化。

600负载电阻的限制，输出波形的峰问题三：LM324芯片的功放不够，由于有

峰值不能简单的通过电阻的分压来实现。

鉴于方案二存在的问题能以解决，我们就确定选择方案一的整体思路进行方案的设计。

3.单元电路的设计与论证：

（1）脉冲波产生电路

脉冲波由NE555芯片搭建的多稳态谐振器振动产生，频率可调，为KHz

10

8~KHz

参考NE555芯片使用手册可知，芯片输出波形的峰峰值为10V左右。

使用Multisim仿真的脉冲波产生电路如下图1所示。

图1 脉冲波发生电路

利用软件进行波形的仿真，得到脉冲波的图形如图2所示 （2）锯齿波发生电路

在锯齿波发生电路的设计中，原始方案是采用教材中的锯齿波发生电路，是通过调整积分电路的正向和反向时间常数的不同，对输入信号的脉冲波进行积分产生锯齿波（该电路是需要二极管的）。开始是按照这个思路进行仿真的。因为要同时调整正向和反向积分的时间常数，于是我们就想可以在调整脉冲波的输出频率的时候，只改变高电平或者低电平的持续时间，然后在锯齿波发生电路中选取合适的电容值，然后就可以讲正向或者反向的电阻值固定，只改变另一方向的电阻值就可以了。见图3是该方案的仿真电路。

图3 锯齿波产生电路

见图1，是用NE555产生出脉冲波，然后通过锯齿波产生电路，这里仿真没有选择功放为LM324，未考虑Ω600的负载电阻以及输出的峰峰值。脉冲波和锯齿波发生电路的参数取值如下

根据NE555芯片的使用手册，有以下有用公式： 根据以上的公式，就可以计算出理论上的各种参数：

在对锯齿波进行仿真的时候，发现波形有些失真，上网查阅资料后得知要是RC 常数跟脉冲波的时间相匹配才行。

去锯齿波发生电路的参数选择及计算过程如下：

如图1所示，1R 为一个ΩK 9电阻和一个ΩK 3电位器组成，2R 取Ω700 仿真结果见图4的锯齿波。

图4 锯齿波仿真波形

从图4的波形中算出锯齿波的峰峰值为

由于要求负载电阻为Ω600，不能直接进行分压来控制峰峰值为V 1,再用功放来满

足峰峰值的要求的话，LM324的四功放无法满足整个电路的需求，因此这种锯齿波的单元电路就被放弃了，需要进行改进。

在老师的提醒下，我发现了在NE555芯片构成的脉冲波发生电路中就有锯齿波，只需要在该处输出，然后调整峰峰值便可以得到要求的锯齿波。改进后的电路仿真图如下图5。

图5 改进后的脉冲波和锯齿波发生电路

改进后的电路对脉冲波发生电路的参数也进行了调整，让脉冲波的占空比接近一半。锯齿波发生电路是一个反向比例运算电路，由公式

参数的选择如下：

对该电路进行软件仿真得到理论上的锯齿波波形，见图6。图中另一个波形是NE555芯片的输出波形。

图6 改进电路后的脉冲波和锯齿波的仿真波形

得到的锯齿波的峰峰值约为V 1，频率与NE555芯片产生的脉冲波频率保持一致，满足实验要求，就完成了锯齿波波形发生电路的理论设计。 （3）正弦波发生电路

在电路的设计初期，一次正弦波，也就是KHz 8~KHz 10的正弦波发生电路是采用的是截止频率为KHz f c 10=的二阶压控电压源低通滤波器，电路图见下图

图7 二阶压控电压源低通滤波器原理图

根据截至频率KHz f c 10=，查图确定电容的标称值

图8 二阶压控电压源低通滤波电路参数选取参考图

取nF C 3.3=

查表确定电容1C 的值，以及1=K 时对应的电阻。

表1 因为低通滤波器的输入直接从锯齿波发生电路的输出端引入，峰峰值为V 1，所 将上列阻值乘以计算出来的K 值。 进行电路仿真后电路图如图

图9 二阶压控电压源低通滤波器仿真电路

图9下部分就是二阶压控电压源低通滤波器电路（一次正弦波产生电路），蓝色的线分别是滤波器的输入和输出端，其中输入端是锯齿波发生电路的输出端，即输入峰峰值为V 1的锯齿波。

图10 一次正弦波仿真波形

图中，上部分波形是输入的峰峰值为V 1的锯齿波，下部分是一次正弦波，频率与锯齿波保持一致，但是峰峰值没有达到实验要求的V 1，有所衰减。于是对电路的参数重新选择。

修改后的仿真电路图如下

图11 改进后的二阶压控电压源低通滤波电路

再次进行波形的仿真，结果如下图：

图12 改进后的一次正弦波仿真波形

从仿真结果可以发现，波形的峰峰值又超过了V 1，对电路进行理论分析，发现因为使用的单电源，偏置电阻ΩK 10影响了原本与地直接只有ΩK 10的3R 的阻值，串上了偏置电阻。根据二阶压控电压源电路的放大倍数公式3

4

1R R A v +

=进行电阻的调整。取Ω=K R 1003得到的满足条件的峰峰值为V 1的一次正弦波。上面的波形是从锯齿波发生电路输出的锯齿波，下面的是经过低通滤波器之后产生的一次正弦波波形，两个波

形的峰峰值单位都是Div V /5，可知波形在KHz KHz 10~8的仿真结果都满足实验要求。该部分的仿真设计就完成了。

图13 最终的z 8KH 一次正弦波仿真波形 图14 最终的z 9KH 一次正弦波仿真波形 图14 最终的z 10KH 一次正弦波仿真波形

（4）三次正弦波发生电路

三次正弦波的电路的设计思路是通过一个通带为z 30~z 24KH KH 的带通滤波器。设计该滤波器是采用的无限增益多路反馈（MFB ）电路。该电路的电路图如下所示。

图15 无限增益多路反馈电路原理图

该电路有以下公式方便参数选择

为了使通带更加平坦，应该尽量使Q 值大，查二阶无限增益多路反馈带通滤波器设计用表

表2 无限增益多路反馈电路参数选择表

参数选择如下：

仿真的电路图如下图所示：

图16 无限增益多路反馈电路（带通滤波器）

对电路进行波形仿真时发现，当接入一个波形发生器进行测试的时候，输出的波形不会随着输入信号的频率变化而变

化，始终为z 17KH 左右，于是想到没有接输入信号，直接查看输入端和输出端的波形，结果如下：

图17 无限增益多路反馈电路的自激振荡仿真波形

仿真的波形图中上面的波形是A 端，即输入端的波形，下面的波形是输出端

的波形，两个探针A/B 分别放在输入和输出端。这里没有输入的信号，输出却稳定在将近z 18KH ，可知电路产生了自激震荡。

对电路进行改进，重新选取参数

对电路的波形进行仿真，发现峰峰值比较小，与实验要求差距较大，由

1

323212

1202R R A C R R R R R w v

-=+=

，，可知，缩小1R 的值会使放大倍数v A 增大，而且对通带的中心频率0w 影响也较小。电容值取实验室有的电容nF C 3.3=。改进后的电路图如下所示

图18 改进后的无限增益多路反馈电路

对电路进行仿真，查看仿真出的波形结果如下图，由波形可以知道该电路产生的三次正弦波的频率是满足实验要求的，但是峰峰值没有达到要求的9V 。两个波形的峰峰值单位分别是Div V /1和Div V /5

图19

z 24KH 三次正弦波仿真波形

图20 z 27KH 三次正弦波仿真波形 图21 z 30KH 三次正弦波仿真波形

三、系统测试结果与分析 1.系统测试结果

脉冲波波形如下所示，分别是z 10z 9z 8KH KH KH 、、的波形：

图22

z 8KH 脉冲波波形 图23 z 9KH 脉冲波波形 图24 z 10KH 脉冲波波形

锯齿波的波形如下：分别是z 10z 9z 8KH KH KH 、、的波形：

图25

z 8KH 锯齿波波形 图26 z 9KH 锯齿波波形 图27 z 10KH 锯齿波波形

2.实验结果分析

观察示波器上显示波形，可以

四、实验结论

本次实验时间较长，在仿真设计电路的阶段占了很大一部分时间，拖慢了实验进度。在电路仿真设计中，开始没有选取实验要求使用的LM324运放，导致在设计无限增益多路反馈电路时出现了自激振荡而找不到具体的原因。掌握了单电源的使用方法，以及对单电源电路的参数选择，以及尽量减小单电源偏执电路对原电路影响的方法。了解了运放的型号不同，参数会有所不同，会很大地影响电路仿真的结果。在实际电路的制作过程中，因为电阻、电容值的误差，实际需要进行参数的再次调整，而且有些电路焊接的影响在电路仿真阶段是无法预知的。