鄭長(zhǎng)波

摘? 要：信號(hào)發(fā)生器在學(xué)習(xí)和工業(yè)自動(dòng)化控制過程中應(yīng)用非常廣泛，而由分立元件、晶體管電路構(gòu)成的信號(hào)發(fā)生器，具有抗干擾能力差、信號(hào)失真大、制造成本高等缺點(diǎn)，本文通過查閱大量的數(shù)據(jù)資料，根據(jù)所學(xué)知識(shí)及相關(guān)擴(kuò)展知識(shí)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真軟件Multisim作為電路設(shè)計(jì)的輔助工具，通過電路原理的理論計(jì)算與計(jì)算機(jī)仿真軟件的仿真結(jié)合，實(shí)時(shí)檢測(cè)電路的輸入、輸出波形變化，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)出一款簡(jiǎn)單實(shí)用、成本低廉、抗干擾能力強(qiáng)、波形穩(wěn)定性好的函數(shù)發(fā)生器，展現(xiàn)了正弦波、方波、三角波的設(shè)計(jì)過程以及實(shí)現(xiàn)方案。

關(guān)鍵詞：Multisim? 運(yùn)算放大器? 正弦波? 方波? 三角波

中圖分類號(hào)：TP346? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：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(hào)源之一，廣泛的應(yīng)用于遙感、儀器檢測(cè)、工業(yè)自動(dòng)化和現(xiàn)代化醫(yī)療設(shè)備中，本文通過查閱海量資料，運(yùn)用大數(shù)據(jù)智能分析軟件，得出設(shè)計(jì)函數(shù)發(fā)生器最好的設(shè)計(jì)方案是采用集成運(yùn)算放大器完成，集成運(yùn)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類電路設(shè)計(jì)中。本文通過運(yùn)放電路理論計(jì)算和仿真軟件運(yùn)行仿真，完美的設(shè)計(jì)了基于1kHz的正弦波發(fā)生器，設(shè)計(jì)了頻率范圍100～1000Hz的三角波、方波發(fā)生器。

1? 基于1kHz的正弦波發(fā)生器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

1.1 芯片選擇

為了設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠的正弦波信號(hào)，通過大量的對(duì)比篩選，本文選用了LM358芯片作為電路的設(shè)計(jì)核心，LM358運(yùn)放芯片由2個(gè)高增益、獨(dú)立的、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)放構(gòu)成，即可選用單電源供電，亦可選用雙電源供電。本次設(shè)計(jì)選用雙電源模塊設(shè)計(jì)。

1.2 正弦波振蕩電路產(chǎn)生方法

正弦波的產(chǎn)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(yùn)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(shè)計(jì)方案

通過查閱大量文獻(xiàn)，對(duì)電路進(jìn)行理論計(jì)算，并借助Multisim軟件進(jìn)行仿真運(yùn)行，得出：運(yùn)用RC文式橋法得到的正弦波振蕩電路，振蕩頻率穩(wěn)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(lián)電路構(gòu)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(dāng)起振后又需要|AF|=1，才能輸出無失真的正弦波。當(dāng)選頻正反饋網(wǎng)絡(luò)諧振時(shí)，正反饋系數(shù)|F|=1/3，由起振條件|AF|>1，需要負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)組成的閉環(huán)增益大于3，即Au=Uo/Ui=1+R3/R4>3，故R3應(yīng)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(yuǎn)不會(huì)起振。所以要想電路起振即要滿足開始狀態(tài)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(gè)條件，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般將R3選用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，R4選用正溫度系數(shù)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(wǎng)絡(luò)的R1 R2，C1 C2參數(shù)，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(shè)計(jì)

在充分理解了文氏橋電路的原理后，將LM358運(yùn)放兩端加載了電壓保護(hù)裝置D3、D4，以防電壓正負(fù)極接反，燒毀運(yùn)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(jìn)型RC橋式振蕩電路中，其中R1C1，R2C2串并聯(lián)電路構(gòu)成正反饋，同時(shí)兼做選頻網(wǎng)絡(luò)，R3、，R4、R5及二極管構(gòu)成負(fù)反饋和穩(wěn)幅電路，其中電阻R3，可調(diào)節(jié)負(fù)反饋深度，以滿足振蕩的振幅條件;利用兩個(gè)反向并聯(lián)二極管D1，D2的非線性特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅;R5的作用是削弱二極管非線性影響，改善波形失真。根據(jù)文氏橋電路原理，可知改進(jìn)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(shí)候，AU=4，起振后二極管導(dǎo)通R3//R5=18.9k，得出Au=2.89倍，理論數(shù)據(jù)得到充分驗(yàn)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(hào)，其中示波器藍(lán)色波形為運(yùn)放輸出端的正弦波波形。

1.4 方波和三角波發(fā)生器設(shè)計(jì)

方波和三角波發(fā)生器的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，我選用了常用的741運(yùn)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(huán)系統(tǒng)（見圖3），由比較器輸出的方波經(jīng)過積分器得到三角波，三角波又觸發(fā)比較器自動(dòng)反轉(zhuǎn)形成方波，這樣既可以構(gòu)成方波發(fā)生器和三角波發(fā)生器，其中方波和三角波的頻率f0=;得到理論運(yùn)算后，經(jīng)過Multisim仿真軟件仿真后，得到完美的方波和三角波，設(shè)計(jì)完成。

2? 結(jié)語

通過對(duì)正弦波、三角波、方波的電路設(shè)計(jì)，更深刻的理解了運(yùn)放芯片的使用方法，優(yōu)化了設(shè)計(jì)思路，同時(shí)Multisim仿真軟件的運(yùn)用對(duì)函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)起到了關(guān)鍵作用，可以在今后的電路設(shè)計(jì)中多多推廣。

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