函数发生器的设计研究

郑长波

摘  要：信号发生器在学习和工业自动化控制过程中应用非常广泛，而由分立元件、晶体管电路构成的信号发生器，具有抗干扰能力差、信号失真大、制造成本高等缺点，本文通过查阅大量的数据资料，根据所学知识及相关扩展知识，运用计算机仿真软件Multisim作为电路设计的辅助工具，通过电路原理的理论计算与计算机仿真软件的仿真结合，实时检测电路的输入、输出波形变化，不断优化设计方案，设计出一款简单实用、成本低廉、抗干扰能力强、波形稳定性好的函数发生器，展现了正弦波、方波、三角波的设计过程以及实现方案。

关键词：Multisim  运算放大器  正弦波  方波  三角波

中图分类号：TP346                            文献标识码：A                    文章编号：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

正弦波作為三大信号源之一，广泛的应用于遥感、仪器检测、工业自动化和现代化医疗设备中，本文通过查阅海量资料，运用大数据智能分析软件，得出设计函数发生器最好的设计方案是采用集成运算放大器完成，集成运放因其具有高增益、输入阻抗大、输出电阻小、共模抑制比大、抗干扰能力强等优点，广泛应用于各类电路设计中。本文通过运放电路理论计算和仿真软件运行仿真，完美的设计了基于1kHz的正弦波发生器，设计了频率范围100～1000Hz的三角波、方波发生器。

1  基于1kHz的正弦波发生器设计实现

1.1 芯片选择

为了设计稳定可靠的正弦波信号，通过大量的对比筛选，本文选用了LM358芯片作为电路的设计核心，LM358运放芯片由2个高增益、独立的、内部频率补偿的运放构成，即可选用单电源供电，亦可选用双电源供电。本次设计选用双电源模块设计。

1.2 正弦波振荡电路产生方法

正弦波的产生方法主要有两种。一种是采用LC振荡回路，取得几千赫兹到几百兆赫兹的正弦波波形;一种是运用RC振荡回路得到几赫兹到几千赫兹的正弦波波形。

1.3 1kHz正弦波电路设计方案

通过查阅大量文献，对电路进行理论计算，并借助Multisim软件进行仿真运行，得出：运用RC文式桥法得到的正弦波振荡电路，振荡频率稳定，波形失真非常小。

1.3.1 RC文氏桥振荡电路原理

RC文氏桥振荡电路主要由同相放大器和具有选频作用的RC串并联电路构成。要使文氏桥电路正常起振，必须满足振荡电路的起振条件，起振条件：|AF|>1且Ui与Uf同相位;当起振后又需要|AF|=1，才能输出无失真的正弦波。当选频正反馈网络谐振时，正反馈系数|F|=1/3，由起振条件|AF|>1，需要负反馈网络组成的闭环增益大于3，即Au=Uo/Ui=1+R3/R4>3，故R3应该是R4的两倍以上，就能满足起振条件。起振是很容易的，只要R4大于R3两倍以上就能起振，但是起振后的波形不是正弦波，如果R4刚好等于R3的两倍，那么电路永远不会起振。所以要想电路起振即要满足开始状态的Au>3，就可以了。但是如果想要得到正弦波，就需要满足起振后的Au<3这个条件，根据经验一般将R3选用负温度系数的热敏电阻，R4选用正温度系数的热敏电阻，确保电路正常起振并得到失真较小的正弦波。RC文氏桥振荡电路的振荡频率取决于RC频率网络的R1 R2，C1 C2参数，通常取R1=R2=R，C1=C2=C，振荡频率为f0==，这就是精典的文氏桥电路的电路振荡原理。

1.3.2 基于文氏桥原理的1kHz正弦波电路设计

在充分理解了文氏桥电路的原理后，将LM358运放两端加载了电压保护装置D3、D4，以防电压正负极接反，烧毁运放芯片，将原精典电路中的Rt热敏电阻，用电阻R3、电阻R5，以及双向二极管D1、D2代替，见图1。

在改进型RC桥式振荡电路中，其中R1C1，R2C2串并联电路构成正反馈，同时兼做选频网络，R3、，R4、R5及二极管构成负反馈和稳幅电路，其中电阻R3，可调节负反馈深度，以满足振荡的振幅条件;利用两个反向并联二极管D1，D2的非线性特性实现稳幅;R5的作用是削弱二极管非线性影响，改善波形失真。根据文氏桥电路原理，可知改进型文氏桥电路的电路振荡频率值为==≈1kHz;起振的振幅條件要求Au>3，而Au=1+;很明显起振的时候，AU=4，起振后二极管导通R3//R5=18.9k，得出Au=2.89倍，理论数据得到充分验证，为此，用Multisim仿真软件得到仿真后的波形图（见图2），得到完美的1kHz正弦波信号，其中示波器蓝色波形为运放输出端的正弦波波形。

1.4 方波和三角波发生器设计

方波和三角波发生器的设计比较简单，我选用了常用的741运放芯片来完成。把滞回比较器和积分比较器首位相连可以形成正反馈闭环系统（见图3），由比较器输出的方波经过积分器得到三角波，三角波又触发比较器自动反转形成方波，这样既可以构成方波发生器和三角波发生器，其中方波和三角波的频率f0=;得到理论运算后，经过Multisim仿真软件仿真后，得到完美的方波和三角波，设计完成。

2  结语

通过对正弦波、三角波、方波的电路设计，更深刻的理解了运放芯片的使用方法，优化了设计思路，同时Multisim仿真软件的运用对函数发生器的设计起到了关键作用，可以在今后的电路设计中多多推广。

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