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        一種簡易信號發(fā)生器的設計與仿真

        2019-12-12 01:56:36葛振澎顏閩秀
        山東化工 2019年22期
        關(guān)鍵詞:信號

        葛振澎,顏閩秀

        (沈陽化工大學 信息工程學院,遼寧 沈陽 110142)

        信號發(fā)生器又稱信號源或振蕩器,在生產(chǎn)實際和科技領域中有著廣泛的應用。文獻[1]對信號發(fā)生器的分類、應用領域和發(fā)展趨勢進行了介紹。簡易信號發(fā)生器通常有基于單片機和集成運放放大器兩大類設計方案。其中后者結(jié)構(gòu)簡便、易于低年級學生接受且可創(chuàng)新性強。本設計是后者的組合和創(chuàng)新,以產(chǎn)生正弦波的文氏橋電路為起點,配以比較器、積分器以轉(zhuǎn)換輸出方波和三角波,并使用與非門電路產(chǎn)生單脈沖。增加的輸出調(diào)整電路可對波形幅值和偏移量進行調(diào)節(jié)使輸出靈活可調(diào)有效避免失真。同時還可對輸出幅值波形進行疊加以增加波形種類。最后,使用Multisim軟件對電路進行驗證與調(diào)試。

        1 方案選擇與論證

        簡易信號發(fā)生器一般夠產(chǎn)生正弦波、方波、三角波等常用波形。目前,常見的簡易發(fā)生器的設計方案可大致分為兩種:

        方案一:采用DDS(Direct Digital Synthesis,簡稱DDS技術(shù))信號發(fā)生器直接數(shù)字頻率合成,把信號發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度、準確度提高到與基準頻率相同的水平,并且可以在很寬的頻率范圍內(nèi)進行精細的頻率調(diào)節(jié)。采用這種方法設計的信號源可工作于調(diào)制狀態(tài),可對輸出電平進行調(diào)節(jié),也可輸出各種波形。目前,利用單片機即可以實現(xiàn)該方案[2-3]。

        方案二:直接利用在模擬電子技術(shù)中學過的基本運算電路組合來解決實際問題,即主要以由集成運算放大器為核心的三角波信號產(chǎn)生電路、波形轉(zhuǎn)換電路、輸出信號調(diào)節(jié)電路三部分組成,可得到頻率連續(xù)可調(diào)的正弦波、三角波、方波信號。使用四運算放大器LM324構(gòu)成信號發(fā)生器[4-5]是一種低成本的設計方案,并且產(chǎn)生的信號可以滿足一般實驗室要求。

        綜上所述,雖然方案一產(chǎn)生的波形精度較高并且波形種類多,但要求掌握單片機相關(guān)知識、設計較為復雜學生上手較慢且成本較高。對于方法二,雖由集成運算放大器構(gòu)成的信號發(fā)生器性能低于DDS技術(shù),但具有多重優(yōu)勢,如價格低廉、結(jié)構(gòu)簡潔、容易調(diào)試等,綜合考量選擇方法二。

        2 總體設計

        本設計采用發(fā)生電路加波形轉(zhuǎn)換電路加輸出調(diào)整電路的結(jié)構(gòu),總體設計方案如圖1所示。信號發(fā)生器將實現(xiàn)如下預期功能(1)在±9 V直流供電下輸出單脈沖、正弦波、方波和三角波(2)可對輸出波形頻率進行選擇和調(diào)整(3)可對輸出波形幅度與直流偏移電壓進行調(diào)節(jié)(4)可對四種波形進行疊加。

        圖1 系統(tǒng)總體方案簡圖

        3 芯片介紹

        LM324是一種帶有差動輸入的四運算放大器, 采用14引腳雙列直插式塑封,如圖2所示。該芯片帶寬約為1MHz,可在±1.5-±16V雙電源或3-32V單電源下工作,且有價格低廉、功耗小等優(yōu)點。本設計采用3個1/4 LM324組成波形發(fā)生和轉(zhuǎn)換電路,1個1/4 LM324組成調(diào)節(jié)電路。74LS00芯片是一種雙輸入四與非門集成電路,采用14引腳雙列直插式塑封,如圖3所示。該芯片可采用5V供電,最高低電平為0.8V,在本設計中74LS00芯片用于構(gòu)造單脈沖發(fā)生電路。

        圖2 LM324芯片引腳封裝圖

        圖3 74LS00芯片引腳封裝圖

        4 電路設計

        正弦波-方波轉(zhuǎn)換電路是一個過零比較器,可將正弦波轉(zhuǎn)換為同頻方波,如圖5所示。且正弦波的頂部失真對方波影響不大。其中穩(wěn)壓管IN4737可將方波幅值穩(wěn)定在7V左右。若改變反向輸入端的參考電壓則可通過調(diào)整比較器閾值對占空比進行調(diào)節(jié)。

        方波信號再經(jīng)轉(zhuǎn)換電路可生成三角波,如圖所示。該轉(zhuǎn)換電路是一個積分電路,其積分常數(shù)與電容與電阻之積有關(guān),因此若信號發(fā)生失真現(xiàn)象可以通過改變R9的阻值對波形進行微調(diào)。其中R11是積分漂移泄漏電阻,可為積分電容C5構(gòu)造放電回路以防止積分漂移所造成的波形失真。信號發(fā)生器還整合了單脈沖功能,單次脈沖電路由三個與非門組成,如圖7所示。其中R14、R15分壓為電路提供工作電源。當按下單脈沖開關(guān) S3時,輸出脈沖上升沿;當按下開關(guān) S3不動時,輸出保持高電平不變;當松開開關(guān)S3時,輸出脈沖下降沿[8]。

        圖6 方波-三角波轉(zhuǎn)換電路圖

        圖7 單脈沖發(fā)生電路圖

        這里使用同向比例放大器來實現(xiàn)輸出調(diào)整,以此改善輸出性能。如圖8所示。其中RW4與R16-R9夠成衰減電路,通過調(diào)節(jié)可變電阻RW4可對輸出波幅值進行調(diào)整??勺冸娮鑂W5用于調(diào)整參考電壓,以此調(diào)節(jié)信號偏移量,使輸出信號上下平移。當有多路信號輸入時電路可看作一個同相加法器并輸出疊加波形。

        圖8 輸出調(diào)整電路圖

        5 Multisim仿真與電路調(diào)試

        Multisim是一種常用的EDA(Electronics Design Automation,簡稱EDA技術(shù))軟件,擁有強大的仿真功能和元件庫、模型構(gòu)建簡便。因此選用該軟件對總電路進行分析和調(diào)試。在Multisim 14.0中構(gòu)建仿真電路圖,如圖9所示。

        圖9 Multisim仿真電路圖

        運行仿真時應先通過S1選擇發(fā)生器頻段,待電路起振后調(diào)節(jié)RW2和RW3可對頻率進行微調(diào)。當電容選C1和C4即1KHz檔、RW1=RW2=5KΩ,電路經(jīng)10.450ms起振、16.92ms幅值穩(wěn)定,波形頻率為988Hz,起振波形如圖9所示。然后調(diào)節(jié)RW1使示波器XSC1 A通道中的正弦波不失真且幅值在7V左右。當調(diào)節(jié)RW1由小到大時,波形幅值由小到大直至出現(xiàn)頂部失真如圖11所示,當波形出現(xiàn)失真時應調(diào)小RW1從而找到合適的正弦波。

        圖10 正弦起振過程波形圖

        圖11 調(diào)節(jié)RW1時的波形變化圖

        當正弦波起振后,同時可得到同頻率的方波和三角波。例如,當選C2、C3檔RW2=RW3=5KΩ時運行仿真11.11ms后起振,同時獲得頻率為480Hz的正弦波、方波、三角波。對于單脈沖電路,按下S3后松開即可得到幅值為5V 的單脈沖,脈沖持續(xù)時間由開關(guān)按下的時間決定。雙擊四路示波器XSC1可同監(jiān)測上述四種波形如圖所示。

        圖12 信號發(fā)生器的四種波形圖

        輸出調(diào)整電路可對幅值與偏移量進行調(diào)節(jié),以480Hz正波形為例RW4由100%調(diào)至40%時幅值變化如圖。以480Hz三角為例,RW5由50%調(diào)節(jié)至80%再調(diào)節(jié)至40%時的偏移量變化如圖。

        圖13 RW4調(diào)節(jié)時波形變化圖

        圖14 RW5調(diào)節(jié)時波形變化圖

        當調(diào)節(jié)電路作加法器時,如輸出方波時接通三角波可得到疊加波形,如圖15所示。當輸出方波時接通正弦波可得到疊加波形,如圖16所示。

        圖15 方波與三角波疊加波形圖

        圖16 方波與正弦波疊加波形圖

        6 總結(jié)

        從上述系統(tǒng)仿真結(jié)果來看,本系統(tǒng)的輸出信號各項指標均能滿足設計預期,而且可以靈活進行信號疊加,具有一定的延伸性。雖然與采用單片機控制技術(shù)方案和利用直接數(shù)字頻率合成方式及函數(shù)發(fā)生器專用芯片實現(xiàn)的方法相比,但對于一般精度要求完全可以滿足,是有實用性的信號源設計有效。同時這種設計應用到的文式振蕩電路、比較器、積分器等電路也是模擬電子技術(shù)的教學重點,可作為學生鞏固理論知識、參加創(chuàng)新實踐的參考方案。

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