函數發生器的設計研究

鄭長波

摘? 要：信號發生器在學習和工業自動化控制過程中應用非常廣泛，而由分立元件、晶體管電路構成的信號發生器，具有抗干擾能力差、信號失真大、制造成本高等缺點，本文通過查閱大量的數據資料，根據所學知識及相關擴展知識，運用計算機仿真軟件Multisim作為電路設計的輔助工具，通過電路原理的理論計算與計算機仿真軟件的仿真結合，實時檢測電路的輸入、輸出波形變化，不斷優化設計方案，設計出一款簡單實用、成本低廉、抗干擾能力強、波形穩定性好的函數發生器，展現了正弦波、方波、三角波的設計過程以及實現方案。

關鍵詞：Multisim? 運算放大器? 正弦波? 方波? 三角波

中圖分類號：TP346? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）10（a）-0010-03

Abstract： Signal generator is widely used in the process of learning and industrial automation control， while the signal generator composed of discrete components and transistor circuits has the disadvantages of poor anti-interference ability， large signal distortion and high manufacturing cost. This paper， through consulting a large number of data， according to the knowledge learned and related extended knowledge， uses the Computer Simulation Software Multisim as an auxiliary tool for circuit design. Through the theoretical calculation of circuit principle and the simulation of computer simulation software， the change of input and output waveforms of the circuit is detected in real time， and the design scheme is continuously optimized. A simple and practical function generator with low cost， strong anti-interference ability and good wave shape stability is designed， which shows the design process of sine wave， square wave and triangle wave and the implementation scheme.

Key Words： Multisim; operational amplifier; Sine wave; Square wave; Triangular wave

正弦波作為三大信號源之一，廣泛的應用于遙感、儀器檢測、工業自動化和現代化醫療設備中，本文通過查閱海量資料，運用大數據智能分析軟件，得出設計函數發生器最好的設計方案是采用集成運算放大器完成，集成運放因其具有高增益、輸入阻抗大、輸出電阻小、共模抑制比大、抗干擾能力強等優點，廣泛應用于各類電路設計中。本文通過運放電路理論計算和仿真軟件運行仿真，完美的設計了基于1kHz的正弦波發生器，設計了頻率范圍100～1000Hz的三角波、方波發生器。

1? 基于1kHz的正弦波發生器設計實現

1.1 芯片選擇

為了設計穩定可靠的正弦波信號，通過大量的對比篩選，本文選用了LM358芯片作為電路的設計核心，LM358運放芯片由2個高增益、獨立的、內部頻率補償的運放構成，即可選用單電源供電，亦可選用雙電源供電。本次設計選用雙電源模塊設計。

1.2 正弦波振蕩電路產生方法

正弦波的產生方法主要有兩種。一種是采用LC振蕩回路，取得幾千赫茲到幾百兆赫茲的正弦波波形;一種是運用RC振蕩回路得到幾赫茲到幾千赫茲的正弦波波形。

1.3 1kHz正弦波電路設計方案

通過查閱大量文獻，對電路進行理論計算，并借助Multisim軟件進行仿真運行，得出：運用RC文式橋法得到的正弦波振蕩電路，振蕩頻率穩定，波形失真非常小。

1.3.1 RC文氏橋振蕩電路原理

RC文氏橋振蕩電路主要由同相放大器和具有選頻作用的RC串并聯電路構成。要使文氏橋電路正常起振，必須滿足振蕩電路的起振條件，起振條件：|AF|>1且Ui與Uf同相位;當起振后又需要|AF|=1，才能輸出無失真的正弦波。當選頻正反饋網絡諧振時，正反饋系數|F|=1/3，由起振條件|AF|>1，需要負反饋網絡組成的閉環增益大于3，即Au=Uo/Ui=1+R3/R4>3，故R3應該是R4的兩倍以上，就能滿足起振條件。起振是很容易的，只要R4大于R3兩倍以上就能起振，但是起振后的波形不是正弦波，如果R4剛好等于R3的兩倍，那么電路永遠不會起振。所以要想電路起振即要滿足開始狀態的Au>3，就可以了。但是如果想要得到正弦波，就需要滿足起振后的Au<3這個條件，根據經驗一般將R3選用負溫度系數的熱敏電阻，R4選用正溫度系數的熱敏電阻，確保電路正常起振并得到失真較小的正弦波。RC文氏橋振蕩電路的振蕩頻率取決于RC頻率網絡的R1 R2，C1 C2參數，通常取R1=R2=R，C1=C2=C，振蕩頻率為f0==，這就是精典的文氏橋電路的電路振蕩原理。

1.3.2 基于文氏橋原理的1kHz正弦波電路設計

在充分理解了文氏橋電路的原理后，將LM358運放兩端加載了電壓保護裝置D3、D4，以防電壓正負極接反，燒毀運放芯片，將原精典電路中的Rt熱敏電阻，用電阻R3、電阻R5，以及雙向二極管D1、D2代替，見圖1。

在改進型RC橋式振蕩電路中，其中R1C1，R2C2串并聯電路構成正反饋，同時兼做選頻網絡，R3、，R4、R5及二極管構成負反饋和穩幅電路，其中電阻R3，可調節負反饋深度，以滿足振蕩的振幅條件;利用兩個反向并聯二極管D1，D2的非線性特性實現穩幅;R5的作用是削弱二極管非線性影響，改善波形失真。根據文氏橋電路原理，可知改進型文氏橋電路的電路振蕩頻率值為==≈1kHz;起振的振幅條件要求Au>3，而Au=1+;很明顯起振的時候，AU=4，起振后二極管導通R3//R5=18.9k，得出Au=2.89倍，理論數據得到充分驗證，為此，用Multisim仿真軟件得到仿真后的波形圖（見圖2），得到完美的1kHz正弦波信號，其中示波器藍色波形為運放輸出端的正弦波波形。

1.4 方波和三角波發生器設計

方波和三角波發生器的設計比較簡單，我選用了常用的741運放芯片來完成。把滯回比較器和積分比較器首位相連可以形成正反饋閉環系統（見圖3），由比較器輸出的方波經過積分器得到三角波，三角波又觸發比較器自動反轉形成方波，這樣既可以構成方波發生器和三角波發生器，其中方波和三角波的頻率f0=;得到理論運算后，經過Multisim仿真軟件仿真后，得到完美的方波和三角波，設計完成。

2? 結語

通過對正弦波、三角波、方波的電路設計，更深刻的理解了運放芯片的使用方法，優化了設計思路，同時Multisim仿真軟件的運用對函數發生器的設計起到了關鍵作用，可以在今后的電路設計中多多推廣。

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