集成运算放大器构成的简易信号发生器的设计

潘元忠 李大革

摘要 集成运算放大器构成的信号发生器具有多重优势，如结构简洁，容易调试等，普遍应用于电子系统設计中。本次研究中使用了单电源供电方式，将LM324运算放大器作为重要的器件，把中间的4个运算放大器各自设计成符合一定需求的单元电路，最终生成了简易信号发生器，该信号发生器融入了正弦波、方波和三角波，可为具体课程设计提供指导，提供科技创新的训练模块。

【关键词】运算放大器 信号发生器 设计

信号发生器提供各种频率、波形及输出电平电信号。测量不同类型电信系统中的振幅特性与传输特性等参数时，作为测试的信号源。当前市场上已经具有功能完备的标准产品，而许多功能并未于教学中进行使用，导致资源极大浪费。一般教材中出现的运算放大器往往使用双电源供电方式，要求较高的供电条件。本次研究中主要使用了四运算放大器LM324，该放大器携带有差动输入，使用单电源供电方式，RC正弦波振荡电路，又被称为文氏桥正弦波振荡电路。经过RC桥式正弦波振荡电路，生成正弦波，正弦波频率经过调整电阻R转化了800-1600 HZ，接着经过电压跟随器输出正弦波（sme wave，频率成分最为单一的一种信号），正弦波通过零比较器，经过整性状，变成方波（square wave，一种非正弦曲线的波形，一般产生于电子和讯号处理过程中），方波通过积分运算电路，通过整形，变成三角波。输出同样的方波、三角波频率与正弦波频率。当供电需求不高时，从而满足在供电要求不高情况下，顺利设计信号源产生模块。基于单电源供电集成运算放大器组成简易信号发生器的设计便于检修此类电路，合理使用集成运放组成的交流放大电路。

1 总体设计方法的确定

1.1 第一种设计方案

以LM324系列器件携带真差动输入的四运算放大器作核心器件，采用双电源供电方式，这种供电方式事实上源于性质不同的两个电源，馈电线路为2条：一用一备，如果指的是电源，也即是双电源供电。通过集成运算放大器与电阻构成滞回比较器，其中滞回比较器有滞回特性，具有抗干扰能。从反相输入端输入的滞回比较器电路，形成方波（square wave，一种非正弦曲线的波形），方波通过积分器进行积分，形成三角波（Triangular Wave），也称锯齿波，然后由二阶有源低通滤波器，形成正弦波（频率成分最为单一的一种信号）。这种方案要求较高的电源供电条件，于形成及转换波形当中，太过复杂.同时信号生成后形成比较大的谐波分量，不容易调整振幅，使得调试工作不易开展。

1.2 第二种设计方案

以LM324系列器件携带真差动输入的四运算放大器作核心器件，采用单电源供电方式，按照“正弦波方波、三角波”的总体设计思路，RC振荡器包括相移式和桥式两种，正弦波使用RC桥式振荡电路产生，接着经过过零比较器，形成方波，通过RC积分电路，形成三角波，这种方案使用单电源供电方式，对电源无太高要求，使用较少的功耗与成本精简了电路结构，同时形成了性能非常优越的正弦波、方波和三角波信号，无论是频率、还是振幅均趋于稳定，具有非常宽的调整范围，容易开展调试，从以上两种方案来看，第二种方案比第一种方案更优越，所以选取了第二种方案。

2 系统设计

2.1 电路的实现

以LM324系列器件携带真差动输入的四运算放大器作核心器件，采用单电源供电方式，借助LM324系列器件携带真差动输入的四运算放大器与外围电路一同形成信号。一个运算放大器（具有很高放大倍数的电路单元）与外围元器件（在单元电路里周围的附属元件就是外围元件）构成了RC桥式振荡电路，形成正弦波信号，接着利用其中一个运算放大器构成的电压跟随器（一种电子线路）确保正弦波信号输出的平稳，把输出的正弦波信号与另外一个运算放大器输入的同相端进行连接，反相端与中点电位相接，构成过零比较器（电压比较器），输出方波信号，再将输出的方波信号通过下一个运算放大器和外围元器件组成的RC积分电路（将矩形脉冲波转换为三角波或锯齿波，将锯齿波转换为抛物波），输出三角波信号。如此，只需要借助一块LM324芯片，LM324内含4个独立的高增益、频率补偿的运算放大器，部分简单的外围电路平稳调节振幅和频率，生成范围比较宽广的正弦波信号、方波信号和三角波信号，获得良好的效果。其中，正弦信号为频率成分最为单一的一种信号，该信号波形因为正弦曲线而得名。方波信号，也就是电路系统中信号的质量，在不超出一定时间内，信号可不失真地由源端传至接收端。三角波信号，当通过恒流源对电容充电，会生成正斜率的斜波。

2.2 集成运算放大器单电源供电的措施

该系统使用了单电源供电方式，对电源无太高要求，仅要求电压电流能符合负载需求便可，同时单电源供电在使用当中无需太多电源外围元器件，可节省成本。通常LM324以双电源进行电能供应，此时其4脚与11脚分别和正电源Vcc+12V、负电源VEE-12V相接。单电源供电在应用汇总，原来接正电源处还与正电源相接，原有接地处转而接入l/2Vcc，原来负电源处，转而与地相接。以此次研究为例，LM324中的4脚与11脚分别和+12V、地相连接，既有接地处均变成改接+6V，以达到单电源供电的效果。集成运算放大器单电源供电的实现，仅需要设定适当的偏置电路，同时将交流耦合电容添加到信号的输入与输出过程中便可。

2.2.1 集成运算放大器单电源供电的电阻分压法

此种偏置方法容易操作，节省成本，借助llOOKQ的R1与lOOKQ的R2，构成分压网络，生成Vcc/2的偏置电压。因为这种偏置电压源存在非常大的输出阻抗，输出电流Io的变化很大程度上影响到偏置电压精度，所以，电阻分压法通常不要求太高的偏置电压精度。

2.2.2 集成运算放大器单电源供电的运算放大器电压跟随法

Vcc被R1，R：分压后接到有单电源运算放大器组成的电压跟随器，从而生成Vcc/2的偏置恒压源，输出电流Io的变化极少影响偏置电压。而因为多了1个单电源运算放大器，产生了较大的成本费用。该研究并不要求太高的单电源供电条件，为逐步优化电路结构及及节省成本，维持电路的平稳，使用了电阻分压法，形成偏置电压（晶体管处于放大状态时，基极.射极间，集电极.基极间需要设置的电压）。

2.2.3 集成运算放大器单电源供电的稳压二极管分压法

选取数值稳定的Vcc/2的穩压二极管（ Zener diode）与适当的电阻，便能输出Vcc/2的偏置电压。而如果经过稳压二极管比稳定电流Iz小时，会产生非常差的稳压效果;电流及温度改变时，稳压二极管稳定电压值Uz也发生改变。因为制造工艺不一样，相同类型的稳压二极管具有不同的稳压值。相比电阻成本，单一稳压二极管要高。

2.3 单元电路的设计

2.3.1 电压跟随器电路

电压跟随器电路的构成部分包括运算放大器，其特征包括输入阻抗高、输出阻抗低，往往用于保证上级不受下级干扰，将前级电路和后级电路隔离起来，彼此之间不产生影响，且让正弦波振荡器的获得较高的带负载能力。

2.3.2 RC桥式正弦波振荡电路

对RC桥式正弦波振荡电路而言，二极管VD1、二极管VD2用作优化输出电压波形，让输出幅度处于稳定状态。在起振过程中，因为输出电压不大，二极管VD1、二极管VD2基本处于开路状态，二极管R3、二极管VD1、二极管VD2并联于电路当中，等效电阻与R3非常接近，

，电路出现振动。当输出电压不断加大，二极管VD1、二极管VD：阀或臂呈现低电阻流过正向电流的状态，二极管VD1、二极管VD2、R3并联电路生成的等效电阻变小，A-u也变小，使 |A'u|=3，幅度趋向稳定。

Rw1用以对输出电压中的波形与幅度实施调整。为确保起振，RWI+R2+R3>2R1，获得Rw，数值一定符合RWl>2Rl-R2-R3。换言之，R_W1太小，电路将产生停振。调节R_W1，让其使R_W1略大于稍微大于2Rl-R2-R3，经过起振，振荡幅度开始变小，而输出波形良好，适当增加R_W1，输出电压幅度逐步变大，而谐波信号所占基波信号的比值就也增大。

如果R_W1W1≥2R1，无论二极管VD1与二极管VD2是否导通，电路|A'u|>3，二极管VD1、二极管VD2将不再具有自动稳幅作用。这时不会产生太过严重的截定失真（晶体管截止造成的失真），为此，为让输出电压波形不因晶体管截止造成的严重失真，一定需要R_W1数值<2R1。从中不难发现，为阻碍起振，且不会因晶体管截止造成的严重失真，对Rw，做出调整，使它符合2R1-R2-R3W1<2R1。一般调节R_W1，正弦波振荡器形成最大不失真波形。调节双联电位器无需输入信号控制，自动把直流电经过转换，变成特定频率和振幅的正弦交变电压（电流），此种电路可使频率在800HZ至1600HZ之间变化。调节R_W2让输出电压峰峰值（波形最高点和最低点的电压差）维持在0-8V。

2.3.3 方波形成的电路

一般方波产生电路的构成为一个过零比较器，它重点参考电压（Volrage reference）、输入电压（input voltage）结合比较结果，输出正向饱和电压或反向饱和电压。在过零比较器协助下，前级形成的正弦波（频率成分最为单一的一种信号）变为相同频率的方波（一种非正弦曲线的波形）。

2.3.4 三角波形成的电路

把前级生成的方波信号通过积分电路（Integraring circuit，多用于消除波形变换、放大电路失调电压，同时还包括反馈控制中的积分补偿等。），便可以获得同频率的三角波（Triangular Wave）。需要认识到一点，积分电路常数的取值需大于1/2，输入方波周期不然，积分电路会输出非三角波。综上，方波.三角波产生电路的设计实现2种频率可调、清晰完整、未畸变波形的实时转换。

3 电路的调试

要想让电路的各项性能指标符合预定要求用于正常工作中，一定要进行电路的调试。该系统设计的整机空载电流6mA，满载电流12mA;当RL≥230Q，调节Rw2，可调Up-p在0-8V，调节双联电位器（电阻元件，构成为两个三脚电位器），可调频率f处于800-1 600HZ间，U01输出正弦波（频率成分最为单一的一种信号）;如果拨动翻动开关相对位置，K打至1处，U02输出方波（一种非正弦曲线的波形），调节R_W4，可调U_P-p0-10.8V，调节双联电位器（电阻元件，构成为两个三脚电位器）可调频率f，处于800-1600HZ间;如果拨动翻动开关相对位置。K打至2处，U02输出三角波（Triangular Wave）也称锯齿波），调节RW4，可调Up-p0-3V2调节双联电位器（电阻元件，构成为两个三脚电位器），可调频率f，处于800-1600HZ间。

4 结束语

信号产生电路构成了《模拟电子技术》课程不可缺少的一项内容，是各类综合竞赛中必考知识点。熟练掌握集成运算放大器构成的简易信号发生器的设计，为电子类专业课程的学习奠定良好的基础，让学生更好地参加大学生电子设计竞赛，掌握良好的科技创新能力。本研究中的简易信号发生器对电源提出了较低的要求，使外围电路更为精简，使用了少量的元器件减少了制作成本的消耗，节省了功率LM324芯片设计的使用，用于制作不同类型的信号产生电路。简单元器件为电子实验和设备检测中的重要工具，它的设计应用，设计了功能更为完备的电路效果较好，指导信号发生器的研制。

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