实验十_基于运放的信号发生器设计 (1)

模拟电子技术实验

实验十：基于运放的信号发生器设计一、课题引言

信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形,如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。

二、设计要求

本课题要求使用集成运算放大器制作正弦波发生器，在没有外加输入信号的情况下，依靠电路自激振荡而产生正弦波输出的电路。经过波形变换可以产生同频三角波、方波信号。

基本要求

1.采用经典振荡电路，产生正弦信号，频率范围100Hz-10kHz。

2.双电源供电：

信号经过放大、驱动电路，可在1kΩ负载条件下：

（1）正弦波最大峰-峰值3V，幅值可调，谐波失真小于3%；

（2）三角波最大峰-峰值5V，幅值可调，非线性失真小于2%；

（3）方波最大峰-峰值15V，幅值可调，方波上升时间小于2μs；

扩展要求

1.单电源供电；

2.扩大信号频率范围；

3.增加输出功率；

4.具有输出频率的显示功能。

三、设计框图

图2.3 设计框图

四、设计方案

（一）RC正弦波振荡电路

采用典型的文氏桥振荡电路。振荡电路主要由基本放大电路、选频网络、正反馈网络和稳幅环节四部分组成。其中基本放大电路保证电路能够有从起振到动态平衡的过程，使电路获得一定幅值的输出量，实现能量的控制；选频网络是确定电路的振荡频率，使电路产生单一频率的振荡，即保证电路产生正弦波振荡；正反馈网络的作用是在振荡电路中，当没有输入信号的情况下，引入正反馈信号作为输入信号。稳幅环节，即非线性环节，作用是使输出信号幅值稳定。经典电路图如下：

图2.4.1 文氏桥振荡电路

1．工作原理 （1）放大电路

正弦波发生条件： 起振条件： 幅值平衡条件： （2）选频网络及正反馈网络：两组R 、C 为串、并联选频网络，接于运算放大器的输出与同相输入端之间，构成正反馈，以产生正弦自激振荡。R3、RW 及R4组成负反馈网络，调节RW 可改变负反馈的反馈系数，从而调节放大电路的电压增益，使电压增益满足振荡的幅度条件。

（3）稳幅环节：由于U0和Uf 具有良好的线性关系，所以为了稳定输出电压的幅度，一般在电路中加入非线性环节。当输出电压的幅度较小时，电阻R4两端的电压低，二极管D1、D2截止；当输出电压的幅度增加到一定程度时，二极管D1、D2在正负半周轮流工作，其动态电阻与R4并联，使负反馈系数加大，电压增益下降。输出电压的幅度越大，二极管的动态电阻越小，电压增益也越小，输出电压的幅度保持基本稳定。如下图：

图2.4.2 稳幅电路

综上所述，文氏桥实用工作电路如下图：

图2.4.3 文氏桥实用电路

π

??n F A 2=+1

||=AF

2．实际问题

现实中由于电阻电容的误差等原因，依照上图连接起来的电路产生正弦波的效果并不是十分理想，正弦波出现了失真现象

（1）“刺突状”失真。如下图所示：

图2.4.4 刺突

这种失真在使用集成运放LM324制作正弦振荡器时普遍存在的问题，一个简单而有效地解决办法是用一个适当阻值的电阻连接在输出端与负电源VEE之间，这样可以改善输出端波形的失真，而且随着频率的改变信号的幅度基本稳定。（2）削平失真。正弦波削平失真的明显特点是波形顶部变直，波形幅度很大，接近电源电压。造成这种失真的原因大多是反馈电阻值过大，使电路的增益过大，致使输出电压峰值太大，严重时会随着反馈电阻值的增大输出波形变得极像方波。解决这种失真的方法是减小反馈网络的总电阻。而过分的减小又将使电路不能起振，因此它的大小十分关键，在不确定电阻值大小的情况下我们选择了使用精密电位器代替，通过精密电位器最终将波形调到一个最好的效果。

（3）停振现象。在实际制作中，由于元器件本身的质量和精度问题，也会使振荡器的效果大打折扣。在电路中，我们需要调节同轴双联电位器来改变输出正弦波的频率。但是实际中，我们发现双联同轴电位器的两个组织并不能时刻保持相等，而是有一个差值，有时候这个差值还很大，差值的存在造成了振荡器在高频的时候出现停振现象，也就是说，振荡器的输出信号不能达到较高的频率。在这种情况下我们当然可以更换精度和质量更好的双联同轴电位器来解决。但为了节省成本，我们的解决方案是：用两个小电阻分别与双联同轴电位器的两个电阻串联，停振问题就可以得到很好的解决，从而使振荡器的频率得到显著提高。经过对原理图的改进，得到如下图所示的振荡电路：

图 2.4.5 修正振荡电路Multisim仿真图如下：

图2.4.6 实际电路图

波形图如下：

图2.4.7 振荡电路波形图

（二）过零比较器

利用电路的自激振荡产生正弦波后在输出端连一个比较器就可以得到方波信号。

过零比较器的电路图如下图所示

图2.4.8 过零比较器电路

在实用电路中为了满足负载的需要，常在集成运放的输出端加稳压管限幅电路，从而获得合适的UOL和UOH，电路图如下：

图2.4.9 加入稳幅的过零比较器

我们把上述电路图稍加改善，在输出端与地线直接加一个电位器，可以达到输出的方波幅值可调的的效果，改动后的Multisim 仿真图如下：

图2.4.10 加入幅值可调的过零比较器

（三）反相比例放大器

在实际连接电路完成后我们发现，这样产生的方波幅值达不到题目要求的最大峰值15V 。于是在过零比较器的输出端加一个放大电路。利用模电里学过的知识，通过加一个反相比例运算电路进行幅值放大的目的。反相比例运算电路满足

I f O u R R u 1

-

=

图2.4.11 反相比例放大电路

其中Rf是一个精密电位器，通过调节电位器可以达到波形幅值放大的目的。放大的方波幅值可以达到峰-峰值为15V。

Multisim仿真电路如下：

图2.4.12 反相比例放大电路仿真图

波形如下：

图2.4.13 过零比较器、反相比例放大电路波形对比图

红色：过零比较器波形

蓝色：反相放大器波形

（四）积分器

利用积分电路可以实现方波 三角波的波形变换。积分电路的幅值主要由R和C

决定。由公式可知，u o反比于RC的乘积。为了防止低频信号增益过大，常在电容上并联一个电阻加以限制，并抑制零漂。电容C的选择决定电路是否起振，十分重要。反相输入端的电阻主要用于调节电路的失真问题。

图2.4.14 积分电路

波形如下：

图2.4.15 积分电路输入、输出波形对比图

Multisim仿真图如下：

图2.4.16 积分电路仿真图

波形如下：

图2.4.17 积分电路输出波形图

（五）整体电路

由于仿真与实际电路有一点的误差，所以经过实践修改，实际的电路图如下：

图2.4.18 整体电路图

详细解析：

R4电阻起到调起振、调失真同时也可以小范围的调节幅值。

R15电阻起到调自激、调放大倍数的作用。

R10电阻起到调幅度、调失真的作用。

R11电阻起到调幅度的作用。

R5、R9电阻同时变化，可进行幅度微调。

C1、C4和C2、C5电容同时变化，可进行幅度粗调。

（六）扩展电路

1．射极跟随器（或者电压跟随器）

由于LM324输出电流有限，一般仅为几十毫安，在电流一定的情况下，为了提高电路的输出功率，一种有效的做法是减小电路的输出阻抗。要减小阻抗一种简单的办法是使用电压跟随器，因为电压跟随器得特点是输入阻抗高，输出阻抗小，可以起到阻抗变换及隔离作用。

图2.4.19 射极跟随器

2．单电源供电

LM324一般采用双电源供电，这时它的4脚接正电源，11脚接负电源。若要改用单电源，原则是:电路原来接正电源的地方仍旧接正电源，原来接地的地方改接1/2Vcc原来接负电源的地方改接地。电路如下：

图2.4.20 单电源供电电路图

3.扩大频率范围

主要就是通过文氏桥振荡电路的串并联谐振的电容、电阻，实现频率的调节。

电阻为微调、电容为粗调。频率的计算公式：，通过对电容电阻的选择，扩大频率范围。

4．显示电路

可利用数电实验的时间积分电路和计数器电路，实现频率的显示。五、心得体会

由于本次选择的模电实验与数电实验之间具有很强的连续性，所以做起来相对顺手。通过模电实验，着重复习、实践了运算放大器各部分电路的应用，对于幅值的计算、经典电路的搭建有了更深刻的认识。将文氏桥振荡电路、过零比较器、反相放大电路和积分电路得以实际应用。

在实验遇到困难的时候，要及时翻阅书籍，补充理论知识，万不可在不清楚原理的情况下就急于连板子。这样一旦遇到问题，由于对原理清晰，就能很快的发现问题所在，及时更正，不会出现摸不着头绪的状况。

完成模电实验后，老师进行验收。方波的上升时间大于2μs，而怎么调都不能减小上升时间，于是老师把LM324换成了LM347，方波的上升时间一下就满足了要求。老师解释说，这就是由于管子性能的原因了。所以在实验前要尽可能多的比较各种运放的性能指标，从中选取最合适的芯片进行实验。

由于本题目由电子设计竞赛改编而成，所以其重要性可想而知。因为课设题目对频率要求范围不高，仅到10KHz，所以容易实现。而电子竞赛中题目的要求是频率能扩展至0.0lHz一1MHz，难度就明显增加了。此时电路中就需要增加多级放大电路。因为LM324的增益带宽积（GBP）为1.3MHz，所以如果只放大1倍，那么增益为 1.3M÷1M=1.3，那么对于幅度的要求有达不到了。所以必须通过多级放大，既保证了频率满足要求，同时又保证了幅度满足要求。

六、附录

1、器件及仪器清单

LM324×1，74ls00×1，74ls04×1，74ls160×5，NE555×1，9013×1，1N4007×2，50K同轴电位器×1，10K电位器×3，20K电位器×2，50K电位器×2，电容若干，电阻若干

2、部分芯片管脚图

图2.6 LM324管脚图

3、参考资料

[1] 清华大学电子学教研组编，董诗白、华成英主编；《模拟电子技术基础》

（第四版），北京，高等教育出版社，2006年。

[2] 集成电路查询网——https://www.360docs.net/doc/c38654824.html,