基于LM324的信号发生器设计与仿真

摘要：针对学校教学实验和业余制作测试等需要，以运算放大器LM324为核心器件，设计了一个能产生常用波形的简易低频信号发生器。经过计算分析确定了电路的相关参数，在Proteus中进行了仿真，并通过实验测试获得了20 Hz～20 kHz的所需波形。该信号发生器结构简单、经济实用，信号的频率与幅度均可以调节，波形稳定、失真度小。
关键词：信号发生器；设计与仿真；Proteus；LM324

    信号发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器，电路形式可以采用由运放及分离元件构成，也可以采用单片集成函数发生器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。目前广泛使用的一些标准产品，虽然功能齐全、性能指标较高，但是价格较贵，而且有许多功能用不上。这里采用带有差动输入的四运算放大器LM324为核心器件，通过RC桥式振荡电路产生正弦波，然后用过零比较器产生方波，再经过积分电路产生三角波。通过Proteus软件仿真和模拟实验获得了20 Hz～20 kHz的理想的波形，信号的频率和幅度都可以调节。

1 总体方案确定
    波形产生和变换的方案很多，这里采用图1所示正弦波→方波→三角波方案。其中正弦波采用RC桥氏振荡电路产生，其特点是振幅和频率稳定且调节方便，能够产生频率很低的正弦信号；然后用过零比较器产生方波，再经过RC积分电路产生三角波，三种信号的频率相同。

    该电路结构简单，且能产生良好的正弦波和方波信号，但经过积分电路产生同步的三角波信号存在难度。原因是若积分电路的时间常数不变，随着方波信号频率的改变，输出的三角波幅度同时改变。若要保持三角波的输出幅度不变且线性良好，必须同时改变积分时间常数的大小。
    信号的频率由正弦振荡电路的RC选频网络决定。由于频率范围跨度较大，选频网络采用三组不同容量的电容构成三个频段，通过波段开关选择，再由同轴电位器来调节振荡频率。三种波形可通过一个档位开关选择，再经过幅度的调节电位器独立输出，以达到选择信号和调节幅度的目的。

2 单元电路的设计
2．1 正弦波产生电路
    正弦波产生电路不仅要产生所需输出的正弦信号，而且是后面电路的输入信号。该部分电路采用典型的RC桥氏正弦波振荡电路，如图2所示，它由放大环节与选频网络两部分组成。以运算放大器为核心构成放大环节，由电阻R1与电容C1串联、电阻R2与电容C2并联所组成的网络为RC串并联选频网络。选频网络同时为正反馈电路，提供零相移并构成同相放大器，R3，R4为深度负反馈，以获得良好的输出波形。若R1=R2=R，C1=C2=C，则选频网络的中心频率为fo=1／(2πRC)。当电路工作于该频率时，反馈系数最大且为|F|max=1／3，根据振荡条件，放大电路的电压增益至少应该为3A |(R4+R3)／R4|，因此为了保证电路起振，要求R3>2R4。

    在实际应用中，为了能够调节频率与放大器的增益，可采用如图3所示电路。其中：R3～R5与二极管D1，D2构成负反馈网络和稳幅环节。调节RV3可改变负反馈的反馈系数，从而调整放大电路的电压增益，使之满足振荡的复制条件。

    鉴于信号频率20 Hz～20 kHz跨度较大，因此采用2组各3只容量相差10倍的电容和2只同轴电位器来调节。选用不同的电容作为振荡频率fo的粗调，用同轴电位器实现fo的微调。不同电容及振荡频率fo对应的电阻阻值如表1所示。

    从表1可以看出，每一个电容和电阻的组合都可以调节一定范围的频率，而这三范围有交叉，故可实现频率连续可调。如要产生200Hz～2 kHz的信号，可将电容置为33 nF，再同时调节RV1，RV2使之与R1，R2串联的阻值在24 kΩ～2．4 kΩ之间变化。
2．2 方波产生电路
    方波产生电路相对比较简单，将运算放大器LM324的反相输入端接地，同相输入端接正弦波产生电路的输出端构成过零比较器，如图4所示。

    当输入的正弦信号sin在正负半周之间变化时，输出为幅值固定且与正弦波同相的方波信号squ。
2．3 三角波产生电路
    三角波产生电路采用如图5所示的RC积分电路，由运放与R7、RV4组成。

    方波信号squ通过R7和RV4接放大器的反相输入端，输出信号由R7，RV4与组成的RC电路进行积分变换产生的三角波tri。电容通过波段开关(该开关应该与选频率网络的波段开关同步)选择，以改变不同频段电路的积分时间常数，电位器RV4可以调节输出信号的幅度。为获得线性良好的三角波，采用电阻R8进行负反馈限幅，并在选择元件参数时，应使积分电路的时间常数τ=RC大于方波信号周期的一半(方波的宽度)。如信号频率为100Hz，则方波的宽度为0．005s，若取C=1μF，则R>5kΩ。

3 电路仿真与测试
    在Proteus中绘制图3～图5所示各部分电路，三部分电路按照图1所示关系连接，再将各部分电路的输出端接虚拟示波器，然后开始仿真，即可观察到图6所示的仿真波形。Proteus中原理图的绘制与仿真见文献。在仿真过程中，有几个问题需要注意：根据理论推算，正弦波产生电路在放大器的增益大于3即可起振，但实际仿真过程中有时会出现不起振的现象，为此可在电源中加入扰动来解决，如图3中的-9 V电源，详见文献。若要变换频段，三组电容器须同时改变，否则会不起振或波形失真。电位器RV1，RV2要调节到相同的阻值，调节RV3使输出正弦波幅值达到最大不失真状态，RV4可以调节输出三角波的幅度。通过对电路进行实验测试，在示波器上可以观察到三种理想的波形。应该注意的是：开关SW1，SW2，SW3要采用1个3组以上的3位波段开关。RV1，RV2采用同轴电位器进行调节。三种输出信号可以同时并行输出，也可以通过一个选择开关并经电位器(使信号幅度可调)单独输出。另外实际测试时电源不用再加扰动。

4 结语
    Proteus是集电路设计、分析、仿真、制版等多种功能于一身的实物仿真软件，利用Proteus的ISIS进行设计仿真后，可以将设计结果数据直接导入Proteus的ARES进一步设计PCB，因此通过Proteus仿真技术，提高了电路设计的效率和质量。LM324是低成本的四运算放大器，以其为核心器件设计的低频信号发生器具有电路简单、波形稳定、经济实用、使用方便等优点，能够输出实验测试常用的正弦波、方波和三角波信号，而且信号的频率和幅度均可以调节。该信号发生器可用于学校的教学实验演示和业余制作测试。