波形发生器徐威（宁波大学信息科学与工程学院，浙江宁波315211）摘要：使用题目指定的综合测试板上的NE555芯片和一片四运放LM324芯片制作一 个频率可变的同时输出脉冲波、锯齿波、一次和三次正弦波。进行方案设计，制作出实际 电路使其达到实验要求的各项指标。一、设计任务与要求使用题目指定的综合测试板上的NE555芯片和一片四运放LM324芯片，设计制作一个 频率可变的同时输出脉冲波、锯齿波、正弦波I、正弦波II的波形产生电路。给出方案设计、 详细电路图和现场自测数据及波形。设计制作要求如下：1、同时四通道输出、每通道输出脉冲波、锯齿波、正弦波I、正弦波I中的一种波形， 每通道输出的负载电阻均为600欧姆。2、四种波形的频率关系为1:1:1:3 （3次谐波）；脉冲波、锯齿波、正弦波I输出频率范 围为8KHz10KHz,输出电压幅度峰峰值为1V；正弦波I输出频率范围为24KHz30KHz, 输出电压幅度峰峰值为9V。脉冲波、锯齿波和正弦波输出波形应无明显失真（使用示波器 测量时）。频率误差不大于10% ；通带内输出电压幅度峰峰值误差不大于5%。脉冲波占空比可调 整。3、电源只能选用+10V单电源，由稳压电源供给，不得使用额外电源。4、要求预留脉冲波、锯齿波、正弦波I、正弦波I和电源的测试端子。5、每通道输出的负载电阻600欧姆应标清楚、至于明显位置，便于检查。6、翻译：NE555和LM324的数据手册（器件描述、特点、应用、绝对参数、电参数）。二、方案设计与论证1. 原始方案：在使用Multisim进行仿真设计的阶段，我想出了两种原始方案，两种方案的大体 思路如下。方案一：使用NE555芯片构成多谐振荡器，输出方波，通过锯齿波发生电路产生锯齿波，然后通过一个f = 10KHz的低通滤波器，通过滤波产生一次，8KHz到10KHz H的正弦波，然后再让锯齿波通过一个24KHz30KHz的带通滤波器，输出三次正弦波。 其中滤出三次谐波的理论依据是，由于锯齿波是一个关于，的周期函数，并且满足狄里 赫莱条件：在一个周期内具有有限个间断点，且在这些间断点上，函数是有限值；在一 个周期内具有有限个极值点；绝对可积。则有如下公式（1）成立。称为积分运算fG）的傅里叶变换(w)=r f (t -jwtdtejw0t + e - jw0t根据欧拉公式cos w0t =2就可以方案二：使用功放构成文森桥式震荡电路，产生出8KHz10KHz的正弦波。接着 是用NE555芯片，搭建出施密特触发电路，产生脉冲波输出；将脉冲波分别输入一个 fH = 10KHz的低通滤波器和24KHz30KHz的带通滤波器电路中，产生一次和三次正 弦波。2. 总体方案设计与论证：最初方案设计的大体思路在方案一和方案二之间犹豫不决，于是将两个电路的大体 电路都进行了简单的设计，发现方案二存在很多的问题很难解决。问题一：如果使用文森桥式震荡器产生正弦波，改变震荡频率就需要改变RC常数， 要同时改变两个R （在实际电路中，同时改变两个电容的值是很复杂的，而且这样也无 法得到一个8KHZ10KHz的连续的频率），需要双滑动变阻器并且要保证滑动变阻器改 变的值完全相同，有一定困难。问题二：NE555芯片搭建出来的是一个简单的施密特触发器，输入正弦波之后， 输出的脉冲波的占空比是不可以调整的，不满足实验要求的占空比可调的条件。要是施 密特触发器产生的脉冲波的占空比可调会是该电路进一步复杂化。问题三：LM324芯片的功放不够，由于有600。负载电阻的限制，输出波形的峰 峰值不能简单的通过电阻的分压来实现。鉴于方案二存在的问题能以解决，我们就确定选择方案一的整体思路进行方案的设 计。3, 单元电路的设计与论证：（1）脉冲波产生电路脉冲波由NE555芯片搭建的多稳态谐振器振动产生，频率可调，为8KHz 10KHz参考NE555芯片使用手册可知，芯片输出波形的峰峰值为10V左右。使用Multisim仿真的脉冲波产生电路如下图1所示。图1脉冲波发生电路利用软件进行波形的仿真，得到脉冲波的图形如图2所示（2）锯齿波发生电路图3锯齿波产生电路在锯齿波发生电路的设计中，原始方案是采用教材中的锯齿波发生电路，是通过调 整积分电路的正向和反向时间常数的不同，对输入信号的脉冲波进行积分产生锯齿波 （该电路是需要二极管的）。开始是按照这个思路进行仿真的。因为要同时调整正向和 反向积分的时间常数，于是我们就想可以在调整脉冲波的输出频率的时候，只改变高电 平或者低电平的持续时间，然后在锯齿波发生电路中选取合适的电容值，然后就可以讲 正向或者反向的电阻值固定，只改变另一方向的电阻值就可以了。见图3是该方案的仿 真电路。见图1,是用NE555产生出脉冲波，然后通过锯齿波产生电路，这里仿真没有选 择功放为LM324，未考虑600Q的负载电阻以及输出的峰峰值。脉冲波和锯齿波发生 电路的参数取值如下R = 12.0 KQR = 1KQR = 9 KQR = 10 KQR = R = 5KQR = 3KQ(电位器)R = 700QR = 4 KQ(电位器)C = C = C = 0.01uf根据NE555芯片的使用手册，有以下有用公式:t = 0.693(R + R )Ct = 0.693(R )Cperiod = t +1 = 0.693(R + 2R )C1.44frequency 机(Ra + 2 Rb )COutput _ waveform _ duty _ cycle = L = 1 -乌_一七 +七Ra + 2RB根据以上的公式，就可以计算出理论上的各种参数:1.44f =:= 8KHzmin(12 + 4) x103 + 2 x1x103)x 0.01x10-61.44fmax = (12 x103 + 2 x1x103)X 0.01x10-6 =以2t= 0.693(12 x103 + 1x 103)x 0.01x10-6 = 90.1uSmint= 0.693(12 + 4) x103 + 1x103)x 0.01x10-6max=117.8uS七=0.693 x1x103 x 0.01x10-6 = 6.9uS在对锯齿波进行仿真的时候，发现波形有些失真，上网查阅资料后得知要是RC常 数跟脉冲波的时间相匹配才行。RC =七（或）去锯齿波发生电路的参数选择及计算过程如下:取 C = 0.01uf由RC = t七=打=9 KQ七=7 T.g宵件=690-如图1所示，R为一个9KQ电阻和一个3KQ电位器组成，R2取700Q 仿真结果见图4的锯齿波。Tirebsfief - Ext trigger Ingcer御/园匡国间同Srigh | rorrTidl nuto None |Ume5A.Q69 ms5A.Q69 HISD.OODsCbanneLA 3.94V 3.94* o.mo v真波形Charnd AChannel B&al=:-寸网S=F - gr pCK.flDk-)! -1.8Y pCfi.(Diu)! -1.61._ |;.此AC Q J CG | |Chan nd _0 O.OZO V DRV O.CCO V图4锯齿波仿从图4的波形中算出锯齿波的峰峰值为2V / Div x 2.2 Div = 4.4V由于要求负载电阻为600。，不能直接进行分压来控制峰峰值为1V ,再用功放来满 足峰峰值的要求的话，LM324的四功放无法满足整个电路的需求，因此这种锯齿波的 单元电路就被放弃了，需要进行改进。在老师的提醒下，我发现了在NE555芯片构成的脉冲波发生电路中就有锯齿波， 只需要在该处输出，然后调整峰峰值便可以得到要求的锯齿波。改进后的电路仿真图如 下图5。图5改进后的脉冲波和锯齿波发生电路改进后的电路对脉冲波发生电路的参数也进行了调整，让脉冲波的占空比接近一半。锯齿波发生电路是一个反向比例运算电路，由公式Rr R J参数的选择如下:由 u =1Vo取R = 10 KQR = 35 KQ对该电路进行软件仿真得到理论上的锯齿波波形，见图6。图中另一个波形是NE555芯片的输出波形。图6改进电路后的脉冲波和锯齿波的仿真波形得到的锯齿波的峰峰值约为1V，频率与NE555芯片产生的脉冲波频率保持一致， 满足实验要求，就完成了锯齿波波形发生电路的理论设计。（3）正弦波发生电路在电路的设计初期，一次正弦波，也就是8KHz10KHz的正弦波发生电路是采用的是截止频率为f = 10KHz的二阶压控电压源低通滤波器，电路图见下图 c图7二阶压控电压源低通滤波器原理图根据截至频率f = 10 KHz，查图确定电容的标称值 c图8二阶压控电压源低通滤波电路参数选取参考图取 C = 3.3nF查表确定电容C 的值，以及K = 1时对应的电阻。A v1246810R1.4221.1260.8240.6170.5210.4621R5.3992.2501.5372.0512.4292.7421R开路6.7523.1483.2033.3723.560R106.7529.44416.01223.60232.038R 10.33CC2C2C2C2C表1二阶压控电压源低通滤波器参数表因为低通滤波器的输入直接从锯齿波发生电路的输出端引入，峰峰值为1U，所A = 1R = 1.422KQR = 5.399KQ= 0.33C = 0.33 x3.3nF = 1nF将上列阻值乘以计算出来的K值。R = 1.422x3 4KQiR2 = 5.399 x 3 总 16KQ进行电路仿真后电路图如图35%订以R5 Ik 图9二阶压控电压源低通滤波器仿真电路LSS-R& 10kQR10图9下部分就是二阶压控电压源低通滤波器电路（一次正弦波产生电路），蓝色的 线分别是滤波器的输入和输出端，其中输入端是锯齿波发生电路的输出端，即输入峰峰 值为1U的锯齿波。Ok illo scope-XSC LChannrlji 5叫VChanndJB| Reverse |2 1!*! IWrrs3国V,747VSavec Ext. tricoerT241| D.OCOS.ECO Vafjoa vTiinebasechannEl aChannel ETriaaer女g斜 2Q0攵制已：500 m/./tSvEcalei 1 岫 MEdge:国 V BK pos.ijDr 0叵印碗日御同f poc. (tiw): EIE!:YpOE.lUv)： -3-4Level：- qv匕方fingl| Normml AutojMpne, 叵回园L.l图10 一次正弦波仿真波形图中，上部分波形是输入的峰峰值为1U的锯齿波，下部分是一次正弦