電賽波形發生器設計資料

ID:693785 · 發表于 2020-2-19 11:28

一、  設計方案1
二、  方波設計方案1
2.1 方波產生電路設計原理1
2.2 方波具體實現電路1
2.3 方波仿真結果2
三、  四分頻方波設計方案2
3.1 分頻器電路設計原理2
3.2 四分頻器具體實現電路2
3.3 四分頻器輸出結果3
四、三角波設計方案4
4.1 三角波具體實現電路4
4.2 積分電路設計原理4
4.3 三角波仿真結果5
五、合成信號設計方案5
5.1 求和電路設計原理5
5.2 同相加法器具體實現電路6
5.3 合成信號仿真結果6
六、正弦波設計方案7
6.1 二階有源帶通濾波器設計原理7
6.2 二階有源帶通濾波器具體實現電路7
6.3 正弦波仿真結果8
七、總電路圖及輸出端波形匯總8

一、設計方案：
先使用一個運放設計振蕩電路產生一路方波，再利用一片74LS74設計四分頻器，將產生的方波四分頻；隨后利用一片運放設計積分電路由四分頻方波得到三角波；再利用一片運放設計求和電路得到四分頻方波及三角波的合成信號；利用二階帶通濾波器對合成信號進行濾波得到正弦波信號。
二、方波設計方案
2.1 方波產生電路設計原理
  使用LM324常用的方波發生器電路，R2和C4構成RC振蕩電路，R3和R4配合運放搭建滯回比較器，輸出方波輸出頻率由RC充放電時間決定。
  由于運放為單電源供電，三角波受到很大影響，下降時間明顯變長，且無法通過改變阻值和容值調節，此時需要給滯回比較器一個抬升電壓。將R4左端接到一個直流偏置上，偏置電壓由+5V 電源分壓得到，波形恢復正常。調節偏置，可以改變滯回比較器的門限，改變方波的占空比。
運放負輸入端產生三角波，調整R3和R5既會改變頻率，又會改變三角波的幅值（改變方波占空比），調整R2的值僅改變方波頻率。
方波頻率的計算公式為：                            2C4 ln(1+2 R4/R3);
根據方波要求頻率20KHZ對應的電容經驗值選擇電容C4值位2nf，電阻R2選擇103電位器，可滿足要求。

2.2方波具體實現電路如圖1：

圖1 方波產生電路
2.3仿真結果如下：
U01輸出端測量探針顯示如圖2：頻率為20.0KHZ，幅值為2.98V，同時滿足幅值為3V±5%的要求。

                                 圖2  U01端輸出電壓值

方波波形如圖3所示：由于仿真時使用的LM324的壓擺率SR為0.4V/us，因此20KHZ的方波上升沿較為明顯。
圖3 方波輸出波形
三、四分頻方波設計方案
3.1 分頻器電路設計原理
把74LS74其中一個D觸發器U1的~Q1輸出端接到D1輸入端，產生的方波信號接輸入時鐘信號的輸入端CLK1，這樣每來一次CLK1脈沖使D觸發器的狀態就會翻轉一次（輸出高電平轉為低電平或輸出低電平轉為高電平），所以一個周期內方波的兩次CLK1脈沖就會使D觸發器輸出一個二分頻的正方波。
同理，D觸發器U2也可以搭建一個二分頻電路，兩者串聯，將U1二分頻后的輸出Q連接到U2的時鐘驅動CLK2，即可再次二分頻，實現四分頻。
3.2四分頻器具體實現電路如圖4：

圖4 四分頻器實現電路
3.3四分頻器輸出結果如下：

U02輸出端測量探針顯示如圖5：頻率為5.0KHZ，幅值為1.01V，同時滿足幅值為1V±5%的要求。

圖5 U02端輸出電壓值

四分頻方波波形如圖6所示：由于分頻后的方波頻率為5KHZ，仿真時使用的LM324的壓擺率SR為0.4V/us，峰峰值為1V的情況下僅需2.5us,而方波周期為 200us，因此方波上升沿不明顯，波形較好。
圖6 5KHZ方波波形
四、三角波產生方案
4.1三角波具體實現電路

在5KHZ方波輸出端接單電源供電運放構成的積分電路，如圖7所示。
圖7積分電路設計圖
4.2積分電路設計原理
（1）運放使用單電源供電，因此運放同相輸入端接VCC/2=2.5V的直流偏置電路，從而將電路的靜態工作電位調整至0.5VCC。
（2）積分時間常數T=R13C2，輸入的方波頻率為5KHZ，為滿足三角波峰峰值為1V±5%的條件，由V0= 可知，t=1/5KHZ=200us，因此根據頻率對應的經驗值首先選取電容C2=400nf，從而得到電阻R13值最大為0.25KΩ，為保證幅值條件，電路中R13由102電位器構成。
（3）反相輸入端電阻接了隔直電容，沒有直流通過了，所以同相輸入端的直流匹配電阻R11取值為100R13=100KΩ，與反饋電容并聯的電阻實現直流匹配（忽略了兩個10KΩ電阻的影響）。
（4）兩個10KΩ電阻分壓得到0.5VCC中間電壓，由于其電阻為同相輸入端電阻R11（100R13）的十分之一，得到的0.5VCC值的誤差會小于10%。
（5）由于輸入信號不會是中間點為0.5VCC的方波信號，這里通過隔直流電容提供給波形轉換電路。同理，輸出信號通過隔直流電容后提供給負載。
（6）兩個隔直流電容C1、C3=500C2=20uf，只起隔直流作用，充放電只由R13、C2確定，兩個隔直電容的影響可忽略。
（7）在電容C2兩端并聯電阻R14，防止運放進入飽和狀態，通常取值為10倍R13=10KΩ。
（8）輸出三角波存在毛刺，分析發現由于在高頻情況下電容C2容抗小，高頻信號中電容可看成一個小電阻而非電容，方波U02中的高頻成分串過電容表現為三角波的毛刺。解決方案：在輸出端UO2短接一個電容C5到地，與UO1輸出端的電阻組成一個一階RC低通濾波器，濾除高頻部分。UO1輸出端電阻值為480Ω，電容C5選擇0.03uf，截止頻率為11KHZ，三角波毛刺得到明顯改善。
4.3三角波仿真結果

U03輸出端測量探針顯示如圖8：頻率為4.99KHZ，峰峰值1.03V，滿足頻率5KHZ±100HZ，峰峰值1V±5%的要求。
圖8 U03端輸出電壓值
三角波輸出波形如圖9所示

圖9三角波輸出波形圖
五、合成信號產生方案
5.1求和電路設計原理
  由運放設計同相加法器，求和信號為四分頻方波波形及三角波波形，合成信號輸出為，R17及R18使用10KΩ電阻，R19使用5KΩ電阻，R21使用10KΩ即103電位器可實現合成信號峰值調整。
5.2同相加法器具體實現電路

電路圖如圖10所示

圖10 同相加法器電路圖
5.3合成信號仿真結果
U04輸出端測量探針顯示如圖11，幅度為2.02V頻率為5.01KHZ，滿足頻率5KHZ±100HZ，峰峰值2V±5%的要求。

圖11 U04輸出端電壓值

合成信號波形如圖12所示
圖12 合成信號波形

六、正弦波設計方案
6.1二階有源帶通濾波器設計原理
將產生的合成信號經過二階有源帶通濾波器進行濾波得到頻率5KHZ的正弦波,二階有源帶通濾波器實現原理為R1、C1構成低通濾波器，C2、R3構成高通濾波器，中心頻率 ,品質因數 ,設計二階有源帶通濾波器中心頻率為f0=5KHZ,通帶寬度BW=200HZ，品質因數Q=f0/BW=25;AUP=1.5;根據頻率對應的經驗值取 =0.01uf，由上述條件求得R1=35KΩ,R3=130KΩ,R2=80Ω，運放使用單電源供電，因此運放同相輸入端接VCC/2=2.5V的直流偏置電路，從而將電路的靜態工作電位調整至0.5VCC。

6.2二階有源帶通濾波器實現電路
圖13二階有源帶通濾波器電路
濾波器bode圖如下：
實際仿真中心頻率為5.017KHZ，通帶增益為3.41dB，由-3dBd點得截止頻率為4.796KHZ至5.274KHZ，符合設計要求。調整直流偏置，滿足幅值要求。

圖14 二階有源帶通濾波器bode圖
6.3正弦波仿真結果
U05輸出端測量探針顯示如圖15：頻率為4.99KHZ，峰峰值為3.6V，滿足
5KHZ±100HZ，峰峰值3V±5%的要求。

圖15 U05端輸出電壓值

正弦波波形如圖16所示：
圖16正弦波輸出波形

八、
總電路圖及五個輸出端的波形匯總如下：
圖17總電路圖

圖18輸出端五種波形圖

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