一种简易信号发生器的设计与仿真

葛振澎，颜闽秀

(沈阳化工大学 信息工程学院，辽宁 沈阳 110142)

信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实际和科技领域中有着广泛的应用。文献[1]对信号发生器的分类、应用领域和发展趋势进行了介绍。简易信号发生器通常有基于单片机和集成运放放大器两大类设计方案。其中后者结构简便、易于低年级学生接受且可创新性强。本设计是后者的组合和创新，以产生正弦波的文氏桥电路为起点，配以比较器、积分器以转换输出方波和三角波，并使用与非门电路产生单脉冲。增加的输出调整电路可对波形幅值和偏移量进行调节使输出灵活可调有效避免失真。同时还可对输出幅值波形进行叠加以增加波形种类。最后，使用Multisim软件对电路进行验证与调试。

1 方案选择与论证

简易信号发生器一般够产生正弦波、方波、三角波等常用波形。目前，常见的简易发生器的设计方案可大致分为两种：

方案一：采用DDS(Direct Digital Synthesis，简称DDS技术)信号发生器直接数字频率合成，把信号发生器的频率稳定度、准确度提高到与基准频率相同的水平，并且可以在很宽的频率范围内进行精细的频率调节。采用这种方法设计的信号源可工作于调制状态，可对输出电平进行调节，也可输出各种波形。目前，利用单片机即可以实现该方案[2-3]。

方案二：直接利用在模拟电子技术中学过的基本运算电路组合来解决实际问题，即主要以由集成运算放大器为核心的三角波信号产生电路、波形转换电路、输出信号调节电路三部分组成，可得到频率连续可调的正弦波、三角波、方波信号。使用四运算放大器LM324构成信号发生器[4-5]是一种低成本的设计方案，并且产生的信号可以满足一般实验室要求。

综上所述，虽然方案一产生的波形精度较高并且波形种类多，但要求掌握单片机相关知识、设计较为复杂学生上手较慢且成本较高。对于方法二，虽由集成运算放大器构成的信号发生器性能低于DDS技术，但具有多重优势，如价格低廉、结构简洁、容易调试等，综合考量选择方法二。

2 总体设计

本设计采用发生电路加波形转换电路加输出调整电路的结构，总体设计方案如图1所示。信号发生器将实现如下预期功能(1)在±9 V直流供电下输出单脉冲、正弦波、方波和三角波(2)可对输出波形频率进行选择和调整(3)可对输出波形幅度与直流偏移电压进行调节(4)可对四种波形进行叠加。

图1 系统总体方案简图

3 芯片介绍

LM324是一种带有差动输入的四运算放大器， 采用14引脚双列直插式塑封，如图2所示。该芯片带宽约为1MHz，可在±1.5-±16V双电源或3-32V单电源下工作，且有价格低廉、功耗小等优点。本设计采用3个1/4 LM324组成波形发生和转换电路，1个1/4 LM324组成调节电路。74LS00芯片是一种双输入四与非门集成电路，采用14引脚双列直插式塑封，如图3所示。该芯片可采用5V供电，最高低电平为0.8V，在本设计中74LS00芯片用于构造单脉冲发生电路。

图2 LM324芯片引脚封装图

图3 74LS00芯片引脚封装图

4 电路设计

正弦波-方波转换电路是一个过零比较器，可将正弦波转换为同频方波，如图5所示。且正弦波的顶部失真对方波影响不大。其中稳压管IN4737可将方波幅值稳定在7V左右。若改变反向输入端的参考电压则可通过调整比较器阈值对占空比进行调节。

方波信号再经转换电路可生成三角波，如图所示。该转换电路是一个积分电路，其积分常数与电容与电阻之积有关，因此若信号发生失真现象可以通过改变R9的阻值对波形进行微调。其中R11是积分漂移泄漏电阻，可为积分电容C5构造放电回路以防止积分漂移所造成的波形失真。信号发生器还整合了单脉冲功能，单次脉冲电路由三个与非门组成，如图7所示。其中R14、R15分压为电路提供工作电源。当按下单脉冲开关 S3时，输出脉冲上升沿；当按下开关 S3不动时，输出保持高电平不变；当松开开关S3时，输出脉冲下降沿[8]。

图6 方波-三角波转换电路图

图7 单脉冲发生电路图

这里使用同向比例放大器来实现输出调整，以此改善输出性能。如图8所示。其中RW4与R16-R9够成衰减电路，通过调节可变电阻RW4可对输出波幅值进行调整。可变电阻RW5用于调整参考电压，以此调节信号偏移量，使输出信号上下平移。当有多路信号输入时电路可看作一个同相加法器并输出叠加波形。

图8 输出调整电路图

5 Multisim仿真与电路调试

Multisim是一种常用的EDA(Electronics Design Automation，简称EDA技术)软件，拥有强大的仿真功能和元件库、模型构建简便。因此选用该软件对总电路进行分析和调试。在Multisim 14.0中构建仿真电路图，如图9所示。

图9 Multisim仿真电路图

运行仿真时应先通过S1选择发生器频段，待电路起振后调节RW2和RW3可对频率进行微调。当电容选C1和C4即1KHz档、RW1=RW2=5KΩ，电路经10.450ms起振、16.92ms幅值稳定，波形频率为988Hz，起振波形如图9所示。然后调节RW1使示波器XSC1 A通道中的正弦波不失真且幅值在7V左右。当调节RW1由小到大时，波形幅值由小到大直至出现顶部失真如图11所示，当波形出现失真时应调小RW1从而找到合适的正弦波。

图10 正弦起振过程波形图

图11 调节RW1时的波形变化图

当正弦波起振后，同时可得到同频率的方波和三角波。例如，当选C2、C3档RW2=RW3=5KΩ时运行仿真11.11ms后起振，同时获得频率为480Hz的正弦波、方波、三角波。对于单脉冲电路，按下S3后松开即可得到幅值为5V 的单脉冲，脉冲持续时间由开关按下的时间决定。双击四路示波器XSC1可同监测上述四种波形如图所示。

图12 信号发生器的四种波形图

输出调整电路可对幅值与偏移量进行调节，以480Hz正波形为例RW4由100%调至40%时幅值变化如图。以480Hz三角为例，RW5由50%调节至80%再调节至40%时的偏移量变化如图。

图13 RW4调节时波形变化图

图14 RW5调节时波形变化图

当调节电路作加法器时，如输出方波时接通三角波可得到叠加波形，如图15所示。当输出方波时接通正弦波可得到叠加波形，如图16所示。

图15 方波与三角波叠加波形图

图16 方波与正弦波叠加波形图

6 总结

从上述系统仿真结果来看，本系统的输出信号各项指标均能满足设计预期，而且可以灵活进行信号叠加，具有一定的延伸性。虽然与采用单片机控制技术方案和利用直接数字频率合成方式及函数发生器专用芯片实现的方法相比，但对于一般精度要求完全可以满足，是有实用性的信号源设计有效。同时这种设计应用到的文式振荡电路、比较器、积分器等电路也是模拟电子技术的教学重点，可作为学生巩固理论知识、参加创新实践的参考方案。