电赛波形发生器设计资料

ID:693785 · 发表于 2020-2-19 11:28

一、  设计方案1
二、  方波设计方案1
2.1 方波产生电路设计原理1
2.2 方波具体实现电路1
2.3 方波仿真结果2
三、  四分频方波设计方案2
3.1 分频器电路设计原理2
3.2 四分频器具体实现电路2
3.3 四分频器输出结果3
四、三角波设计方案4
4.1 三角波具体实现电路4
4.2 积分电路设计原理4
4.3 三角波仿真结果5
五、合成信号设计方案5
5.1 求和电路设计原理5
5.2 同相加法器具体实现电路6
5.3 合成信号仿真结果6
六、正弦波设计方案7
6.1 二阶有源带通滤波器设计原理7
6.2 二阶有源带通滤波器具体实现电路7
6.3 正弦波仿真结果8
七、总电路图及输出端波形汇总8

一、设计方案：
先使用一个运放设计振荡电路产生一路方波，再利用一片74LS74设计四分频器，将产生的方波四分频；随后利用一片运放设计积分电路由四分频方波得到三角波；再利用一片运放设计求和电路得到四分频方波及三角波的合成信号；利用二阶带通滤波器对合成信号进行滤波得到正弦波信号。
二、方波设计方案
2.1 方波产生电路设计原理
  使用LM324常用的方波发生器电路，R2和C4构成RC振荡电路，R3和R4配合运放搭建滞回比较器，输出方波输出频率由RC充放电时间决定。
  由于运放为单电源供电，三角波受到很大影响，下降时间明显变长，且无法通过改变阻值和容值调节，此时需要给滞回比较器一个抬升电压。将R4左端接到一个直流偏置上，偏置电压由+5V 电源分压得到，波形恢复正常。调节偏置，可以改变滞回比较器的门限，改变方波的占空比。
运放负输入端产生三角波，调整R3和R5既会改变频率，又会改变三角波的幅值（改变方波占空比），调整R2的值仅改变方波频率。
方波频率的计算公式为：                            2C4 ln(1+2 R4/R3);
根据方波要求频率20KHZ对应的电容经验值选择电容C4值位2nf，电阻R2选择103电位器，可满足要求。

2.2方波具体实现电路如图1：

图1 方波产生电路
2.3仿真结果如下：
U01输出端测量探针显示如图2：频率为20.0KHZ，幅值为2.98V，同时满足幅值为3V±5%的要求。

                                 图2  U01端输出电压值

方波波形如图3所示：由于仿真时使用的LM324的压摆率SR为0.4V/us，因此20KHZ的方波上升沿较为明显。
图3 方波输出波形
三、四分频方波设计方案
3.1 分频器电路设计原理
把74LS74其中一个D触发器U1的~Q1输出端接到D1输入端，产生的方波信号接输入时钟信号的输入端CLK1，这样每来一次CLK1脉冲使D触发器的状态就会翻转一次（输出高电平转为低电平或输出低电平转为高电平），所以一个周期内方波的两次CLK1脉冲就会使D触发器输出一个二分频的正方波。
同理，D触发器U2也可以搭建一个二分频电路，两者串联，将U1二分频后的输出Q连接到U2的时钟驱动CLK2，即可再次二分频，实现四分频。
3.2四分频器具体实现电路如图4：

图4 四分频器实现电路
3.3四分频器输出结果如下：

U02输出端测量探针显示如图5：频率为5.0KHZ，幅值为1.01V，同时满足幅值为1V±5%的要求。

图5 U02端输出电压值

四分频方波波形如图6所示：由于分频后的方波频率为5KHZ，仿真时使用的LM324的压摆率SR为0.4V/us，峰峰值为1V的情况下仅需2.5us,而方波周期为 200us，因此方波上升沿不明显，波形较好。
图6 5KHZ方波波形
四、三角波产生方案
4.1三角波具体实现电路

在5KHZ方波输出端接单电源供电运放构成的积分电路，如图7所示。
图7积分电路设计图
4.2积分电路设计原理
（1）运放使用单电源供电，因此运放同相输入端接VCC/2=2.5V的直流偏置电路，从而将电路的静态工作电位调整至0.5VCC。
（2）积分时间常数T=R13C2，输入的方波频率为5KHZ，为满足三角波峰峰值为1V±5%的条件，由V0= 可知，t=1/5KHZ=200us，因此根据频率对应的经验值首先选取电容C2=400nf，从而得到电阻R13值最大为0.25KΩ，为保证幅值条件，电路中R13由102电位器构成。
（3）反相输入端电阻接了隔直电容，没有直流通过了，所以同相输入端的直流匹配电阻R11取值为100R13=100KΩ，与反馈电容并联的电阻实现直流匹配（忽略了两个10KΩ电阻的影响）。
（4）两个10KΩ电阻分压得到0.5VCC中间电压，由于其电阻为同相输入端电阻R11（100R13）的十分之一，得到的0.5VCC值的误差会小于10%。
（5）由于输入信号不会是中间点为0.5VCC的方波信号，这里通过隔直流电容提供给波形转换电路。同理，输出信号通过隔直流电容后提供给负载。
（6）两个隔直流电容C1、C3=500C2=20uf，只起隔直流作用，充放电只由R13、C2确定，两个隔直电容的影响可忽略。
（7）在电容C2两端并联电阻R14，防止运放进入饱和状态，通常取值为10倍R13=10KΩ。
（8）输出三角波存在毛刺，分析发现由于在高频情况下电容C2容抗小，高频信号中电容可看成一个小电阻而非电容，方波U02中的高频成分串过电容表现为三角波的毛刺。解决方案：在输出端UO2短接一个电容C5到地，与UO1输出端的电阻组成一个一阶RC低通滤波器，滤除高频部分。UO1输出端电阻值为480Ω，电容C5选择0.03uf，截止频率为11KHZ，三角波毛刺得到明显改善。
4.3三角波仿真结果

U03输出端测量探针显示如图8：频率为4.99KHZ，峰峰值1.03V，满足频率5KHZ±100HZ，峰峰值1V±5%的要求。
图8 U03端输出电压值
三角波输出波形如图9所示

图9三角波输出波形图
五、合成信号产生方案
5.1求和电路设计原理
  由运放设计同相加法器，求和信号为四分频方波波形及三角波波形，合成信号输出为，R17及R18使用10KΩ电阻，R19使用5KΩ电阻，R21使用10KΩ即103电位器可实现合成信号峰值调整。
5.2同相加法器具体实现电路

电路图如图10所示

图10 同相加法器电路图
5.3合成信号仿真结果
U04输出端测量探针显示如图11，幅度为2.02V频率为5.01KHZ，满足频率5KHZ±100HZ，峰峰值2V±5%的要求。

图11 U04输出端电压值

合成信号波形如图12所示
图12 合成信号波形

六、正弦波设计方案
6.1二阶有源带通滤波器设计原理
将产生的合成信号经过二阶有源带通滤波器进行滤波得到频率5KHZ的正弦波,二阶有源带通滤波器实现原理为R1、C1构成低通滤波器，C2、R3构成高通滤波器，中心频率 ,品质因数 ,设计二阶有源带通滤波器中心频率为f0=5KHZ,通带宽度BW=200HZ，品质因数Q=f0/BW=25;AUP=1.5;根据频率对应的经验值取 =0.01uf，由上述条件求得R1=35KΩ,R3=130KΩ,R2=80Ω，运放使用单电源供电，因此运放同相输入端接VCC/2=2.5V的直流偏置电路，从而将电路的静态工作电位调整至0.5VCC。

6.2二阶有源带通滤波器实现电路
图13二阶有源带通滤波器电路
滤波器bode图如下：
实际仿真中心频率为5.017KHZ，通带增益为3.41dB，由-3dBd点得截止频率为4.796KHZ至5.274KHZ，符合设计要求。调整直流偏置，满足幅值要求。

图14 二阶有源带通滤波器bode图
6.3正弦波仿真结果
U05输出端测量探针显示如图15：频率为4.99KHZ，峰峰值为3.6V，满足
5KHZ±100HZ，峰峰值3V±5%的要求。

图15 U05端输出电压值

正弦波波形如图16所示：
图16正弦波输出波形

八、
总电路图及五个输出端的波形汇总如下：
图17总电路图

图18输出端五种波形图

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